粗粒土的本构理论及宏、细观研究

摘要

随着近年来大型工业与民用建筑建设的兴起与大型土石坝的兴建，粗粒土已被广泛应用于交通、水利、港口等工程建设中，粗粒土的工程特性研究已经成为许多专家研究的重点。粗粒土是由粒径大小不等的颗粒彼此填充而呈粒状结构的散粒体，颗粒间常为点接触，因此，粗粒土在加载过程中一般会表现出应变软化特性、剪胀性、颗粒破碎以及非共轴性。本文通过完善的理论框架和先进的离散元理论对粗粒土的以上四大主要特性展开研究，分别建立考虑这些主要特性的本构理论体系，并且利用离散元理论从细观角度对这些模型进行了验证。本课题的研究成果无论是在理论上还是在工程应用上，都具有重要的参考价值。
　　 本文主要的研究工作包括：
　　 1.基于传统细颗粒土本构模型的框架，建立了一个考虑应变软化特性和剪胀性的粗粒土弹塑性本构模型。该模型在应变软化描述方面，提出了一个利用残余状态应力比与峰值应力比的应变软化公式，可以较为合理地反映粗粒土的应变软化现象；在剪胀性描述方面，采用与初始有效围压有关的状态转换应力比，克服了传统模型的局限性，即：对于同一初始密实度不同初始有效围压的试样采用同一状态转换应力比。最后，通过对多组试验结果的模拟，表明该模型描述粗粒土在低围压和相对中高围压下的应变软化特性和剪胀性方面具有一定的优势。
　　 2.首先研究了颗粒破碎对硬化准则和剪胀性的影响，提出了修正后的硬化准则和剪胀方程，并基于有效塑性功的概念，建立了一个考虑颗粒破碎的粗粒土临界状态弹塑性本构模型。将所提出的模型与未考虑颗粒破碎的模型用于不同围压下粗粒土室内大三轴试验的数值模拟，对比分析表明：该模型计算结果与试验结果更为一致，能较好地描述粗粒土的强度和变形特性，得出颗粒破碎导致粗粒土强度降低，压缩变形增大。最后，利用离散元模拟一维压缩颗粒破碎试验对该结论进行了验证。
　　 3.以粗粒土为原材料的铁路公路路基在交通荷载作用下，粗粒土的主应力轴将产生旋转，从而导致土体单元主应力方向和主应变率方向的非共轴现象，而传统的弹塑性本构模型基本上是建立在大三轴试验结果的基础上，并不能考虑粗粒土的非共轴性。本文将传统的弹塑性本构模型三维化，引入三维非共轴塑性流动理论，建立了粗粒土的非共轴本构模型，该模型对粗粒土的单剪试验进行了数值模拟，预测了在单剪过程中主应力方向和主应变率方向的变化规律。最后，运用离散单元法对粗粒土的非共轴性进行验证并进行了细观分析。研究结果表明，本文模型的计算结果和试验结果较为一致，并能较好地描述粗粒土的非共轴现象。
　　 4.基于能量守恒原理和Rowe(1962)提出的最小能比原理从细观角度建立了考虑颗粒破碎的剪胀方程。为了验证该剪胀方程的正确性，引入笔者在前面章节提出的修正硬化准则，建立了相应的弹塑性本构模型。然后，将该模型用于粗粒土室内大三轴试验的数值模拟，对比分析表明：该模型能够较好地描述粗粒土的剪胀特性和应力应变关系。
　　 最后，关于进一步研究的方向进行了简要的讨论。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 粗粒土的应变软化特性与剪胀性研究

1.3 粗粒土的颗粒破碎研究

1.4 粗粒土的非共轴性研究

1.5 粗粒土的离散元数值分析

1.6 本文研究目的和主要内容

1.6.1 本文研究目的

1.6.2 本文研究内容

第2章 粗粒土的应变软化特性和剪胀性研究及其模型验证

2.1 引言

2.2 模型描述

2.2.1 粗粒土的屈服函数和硬化准则

2.2.2 粗粒土的剪胀性

2.2.3 弹性常数

2.3 本构方程的数值积分

2.4 模型验证

2.4.1 模型参数的确定

2.4.2 模型预测

2.5 本章小结

第3章 考虑颗粒破碎的粗粒土临界状态弹塑性本构模型

3.1 引言

3.2 粗粒土颗粒破碎的度量

3.3 颗粒破碎对硬化准则的影响

3.4 颗粒破碎对剪胀性的影响

3.5 考虑颗粒破碎的粗粒土弹塑性本构模型

3.6 颗粒破碎的离散元数值模拟

3.6.1 离散元粘结模型及簇颗粒单元

3.6.2 离散元数值试样制备

3.6.3 离散元数值试验模拟

3.7 本章小结

第4章 粗粒土的非共轴性及其离散元数值模拟

4.1 引言

4.2 粗粒土的非共轴模型

4.2.1 屈服函数

4.2.2 塑性势函数

4.2.3 硬化准则

4.2.4 弹塑性本构方程的建立

4.3 单剪试验的离散元数值模拟

4.3.1 单剪试验理论分析

4.3.2 离散元单剪模型试验

4.3.3 离散元数值模拟对非共轴性的验证

4.4 离散元模拟结果的细观机理分析

4.5 本章小结

第5章 基于细观理论的粗粒土剪胀性及其本构模型

5.1 引言

5.2 基于细观理论的剪胀方程推导

5.3 本构模型的建立与验证

5.3.1 模型的建立

5.3.2 模型验证

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 本文工作总结

6.2 进一步工作的方向

参考文献

致谢

个人简历、在读期间发表的学术论文与研究成果