Q3重塑黄土三维非线性流变本构模型试验研究及其在FLAC3D中的实现

摘要

随着西部黄土地区经济和工程建设的快速发展，与时间相关的黄土变形、强度及稳定性等工程实际问题也日益增多，如抗滑桩、挡土墙等所受的岩土体压力随时间而发生改变，边坡的失稳破坏表现为随时间的渐近破坏过程，地基的沉降随时间增加等问题。这就需要在研究黄土物理力学特性和强度变形等问题时，考虑时间效应或流变性来指导工程实践。同时，计算机的发展使得数值计算方法在研究稳定性问题方面的应用越来越广泛，但是由于土体的复杂性和差异性，数值软件内置的本构模型往往无法完全满足实际工程模拟的需要。基于此，本文以Q3重塑黄土为研究对象，开展以下工作：
　　（1）通过三轴循环加卸载流变试验，得到了Q3重塑黄土不同围压下的蠕变曲线和破坏形态，并绘制了相应围压下的应变速率与时间关系曲线和应力应变关系等时曲线。三轴循环加卸载流变试验表明，在低应力及较高应力状态下，蠕变应变速率随时间的增大而减小，表现为减速蠕变；只有在高应力状态下，蠕变应变速率经历先减小，再平稳，最后增大三个过程，与减速蠕变、等速蠕变和加速蠕变三个阶段对应。试样在不同应力下均会产生一定瞬时弹性变形。在相同围压下，进入加速段的时间随试样破坏时应力的增大而缩短。试样破坏时的应力随围压的提高而增大。试样一旦出现等速变化必将导致加速变化从而使试样破坏。黄土流变具有非线性特征，应力应变等曲线随应力水平的提高逐渐向应变轴偏移，非线性程度随应力的增大而增强。
　　（2）基于统一流变力学模型理论，辨识出适合于Q3重塑黄土减速蠕变阶段的三维流变本构模型即改进西原模型，推导了其三维蠕变本构方程并辨识了模型参数，绘制了该模型减速蠕变曲线与试验曲线的对比图，对比后发现吻合良好，说明辨识出的模型参数较好，该模型能较好地反映Q3重塑黄土的减速蠕变性质；为了描述加速蠕变阶段，提出了非线性改进西原模型，求解出其三维本构方程，拟合了模型参数，绘制相应的模型曲线与蠕变曲线进行对比后发现拟合较好，说明该模型能很好地反映Q3重塑黄土的蠕变特性。
　　（3）根据变形速率与应力的关系曲线，获取了Q3重塑黄土长期强度值。采用分数-线性方程法，建立了三个围压下相应的长期强度方程，并确定长期强度值。对比两种方法发现，两种方法得出的长期强度都是随着围压的增大而增大的；相同围压下，根据变形速率与应力的关系曲线确定的长期强度值小于运用分数-线性方程得到的长期强度值，在实际工程中运用时更保守；两种方法得到的长期强度略有偏差，但是差值不大，差值主要是由于根据变形速率与应力的关系曲线确定的长期强度时，应力间隔会影响到拐点的确定。
　　（4）基于Q3重塑黄土非线性改进西原模型，推导了该模型在三维状态下的中心差分形式。在此基础上，利用FLAC3D（version4.0）提供的二次开发程序接口，编译了Q3重塑黄土非线性改进西原模型FLAC3D动态链接库程序，采用该数值程序，通过模拟不同围压下Q3重塑黄土的三轴流变试验，说明了在低应力水平、较高应力水平和高应力水平下中心差分公式思路正确，验证了非线性改进西原模型FLAC3D数值程序的正确性和合理性。

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第一章 绪论

1.1 选题背景

1.2 国内外研究现状及问题

1.3 主要研究内容

第二章 经典流变理论基础

2.1 土的基本流变特性

2.2 线性流变

2.3 非线性流变

2.4 本章小节

第三章 Q3重塑黄土流变特性试验

3.1 试样的制备

3.2 Q3重塑黄土三轴蠕变试验

3.3 蠕变试验曲线及特征分析

3.4 本章小结

第四章 Q3重塑黄土蠕变本构模型的建立

4.1 统一流变力学模型及其辨识方法

4.2 Q3重塑黄土的蠕变模型

4.3 Q3重塑黄土减速蠕变本构方程及其参数

4.4 Q3重塑黄土高应力下蠕变本构方程及其参数

4.5 Q3重塑黄土试验结果分析

4.6 本章小结

第五章 Q3重塑黄土长期强度方程的建立

5.1 长期强度的确定方法

5.2 长期强度的确定

5.3 本章小结

第六章 非线性改进西原模型在FLAC3D中的二次开发及应用

6.1 FLAC3D简介及二次开发环境

6.2 非线性改进西原模型程序的编译

6.3 三轴流变试验的数值模拟

6.4 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢