考虑卸载扰动状态的3D弹粘塑性本构模型及其应用

摘要

扰动状态理论(DSC)认为实际状态应该是相对完整状态和完全调整状态以扰动函数作为权值相加的平均体现。本文针对软土卸荷流变问题，采用扰动状态理论，从室内卸荷试验入手，建立了从一维到三维的卸荷流变本构模型。本文主要工作和研究成果如下： 1.通过有限元模拟，设计了基坑不同扰动区域应力路径室内流变试验。试验主要结论是：①一维卸荷试验中，土体卸荷后孔隙比与时间对数成线性关系，且斜率基本相同；卸荷比一定时，隆起模量随时间呈指数衰减；卸荷后的隆起模量远大于加荷时的压缩模量，其最小比值介于2-7之间。②不论是被动区土的卸荷蠕变还是主动区土的卸荷蠕变，都随着卸荷水平的增大而出现瞬时变形和蠕变的三个阶段(衰减蠕变，等速蠕变和加速蠕变)。试验发现，上海软土一般不出现从蠕变的第二阶段(等速蠕变阶段)直接进入蠕变第三阶段(加速蠕变阶段)的现象。③无论是基坑被动区的三向卸荷还是主动区的侧向卸荷，卸荷时均引起孔压的下降，但在卸荷结束时孔压均增大，上升到正值。开挖工程最危险时刻不是出现在施工竣工时，而是出现在经过一段时间蠕变后，其孔压达到最大时。 2.利用土体卸荷室内试验规律和殷建华提出的等效时间概念，推导了分步卸荷和连续卸荷的一维弹粘塑性本构方程。卸荷下的弹粘塑性本构模型和Yin-Graham模型可以归一化为一维(加载，卸载)弹粘塑性本构模型。 3.采用广义Kelvin元件模型代表软土流变的相对完整状态，并将其推广到三向应力状态；根据等效时间概念，采用修正剑桥模型作为屈服面方程和相关联的流变法则，建立了软土卸荷下三维弹粘塑性模型。并将其作为完全调整状态；修正了Desai提出的扰动函数，在扰动函数中考虑体应变和剪应变的影响，采用DSC理论，建立了软土卸荷下的三维扰动状态模型。 4.将卸荷流变的扰动状态模型应用到近邻地铁隧道的深基坑工程中。利用FLAC3D建立了三维数值模型，对基坑进行了全过程动态施工模拟。计算结果表明：①坑内不同区域开挖对围护结构倾斜灵敏度不一样。开挖墙间留土流变速率显著增加，需分段，限时，平衡对称开挖。②模型可以反映地铁隧道纵向不均匀沉降特征。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1问题的提出及研究意义

1.2扰动问题的研究现状

1.2.1扰动状态理论研究现状

1.2.2施工扰动研究现状

1.3土体流变问题的研究现状

1.3.1土体流变试验研究现状

1.3.2流变本构模型研究现状

1.4临近地铁隧道深基坑位移控制研究现状

1.4.1近邻隧道建筑物施工研究现状

1.4.2基坑回弹计算的国内外研究现状及存在问题

1.5本课题的研究概况

1.5.1课题来源及研究意义

1.5.2本文主要研究内容

1.5.3主要创新点

第2章基坑卸荷扰动蠕变试验研究

2.1引言

2.2基坑开挖时的应力路径数值试验

2.2.1基坑开挖中应力路径研究现状

2.2.2基坑开挖应力路径的影响因素

2.2.3基坑开挖的有限元模拟

2.2.4基坑开挖数值模拟结果分析

2.3基坑开挖室内流变试验模拟研究

2.3.1基坑开挖中应力路径研究现状

2.3.2常规三轴试验中土体应力路径分析

2.3.3室内试验模拟

2.4试验设计

2.4.1试验仪器及试验条件

2.4.2试验准备

2.4.2试验方案

2.5一维侧限回弹试验成果分析

2.5.1四个定义

2.5.2隆起变形与卸荷比的关系

2.5.3软土卸荷隆起率时效特性

2.5.4软土卸荷后孔隙比时效特性

2.5.5卸荷后隆起模量时间特征

2.6三轴试验成果分析

2.6.1卸荷状态下变形时效性规律

2.6.2土体卸荷应力应变非线性关系特性

2.6.3孔隙水压力系数分析

2.7本章小结

第3章一维卸荷弹粘塑等效时间模型

3.1前言

3.2粘土与时间相关的应力应变性状

3.2.1两种假说

3.2.2 Bjerrum等时间线模型

3.2.3 Yin-Graham等效时间模型

3.3卸荷后一维EVP模型

3.3.1基本假设

3.3.2分步加载的应力—应变—时间关系

3.3.3分步卸载的应力—应变—时间关系

3.3.4关于连续卸载(或加载)的模型推导

3.3.5参数确定

3.4本章小结

第4章基于扰动状态弹粘塑模型

4.1概述

4.2扰动状态理论

4.2.1扰动状态理论定义

4.2.2扰动状态理论研究方法

4.3相对完整状态本构模型

4.3.1基本参数

4.3.2基本假设

4.3.3广义Kelvin三向应力状态模型

4.3.4参数确定

4.4完全调整状态本构模型

4.4.1弹粘塑性本构关系

4.4.2 Perzyna流变理论

4.4.3修正剑桥模型(Modified Cam-Clay Model)

4.4.4卸荷下三维EVP模型

4.5扰动函数

4.5.1扰动评价研究现状

4.5.2扰动函数

4.6扰动状态本构方程

4.6.1本构方程建立

4.6.2扰动状态模型参数的确定

4.7扰动状态模型在FLAC3D中的实现

4.7.1 FLAC3D简介及其基本原理

4.7.2扰动状态模型在FLAC3D中的实现

4.8本章小结

第5章近邻运营地铁隧道深基坑工程实例研究

5.1深基坑对近邻地铁运营隧道的影响因素

5.2工程概况

5.2.1工程描述

5.2.2施工监测

5.3数值模拟

5.3.1数值计算模型及边界条件

5.3.2土体与墙体接触面的设置

5.3.3基坑开挖工况和关键技术措施模拟

5.3.4计算参数选取

5.4数值模拟和实测数据比较

5.4.1基坑计算结果

5.4.2流变速率的发展

5.4.3隧道计算结果

5.5本章小结

第六章结论与建议

6.1结论

6.2进一步工作的建议

致谢

参考文献

论文发表情况