长期往复荷载作用下无粘性材料累积变形研究

摘要

当前，随着交通的日益繁忙，路基的长期沉降问题已经引起人们的广泛关注，如何控制和减少路基沉降已经成为道路工程界和岩土工程界共同关注的热点问题。由于长期以来道路工程土力学和传统的岩土工程土力学作为两个不同学科而各自发展，导致现行道路设计还主要依靠经验方法。同时，尽管以弹塑性理论为核心的本构理论在道路工程中也有涉及，但由于多数模型采用传统的小步长积分方式，造成计算时间过长，难以在实际工程中应用。总之，迄今为止，还未发现有合适的本构模型能够同时考虑计算的简便性和无粘性材料复杂的变形特征。文献表明，近年来，基于安定性理论而提出的弹塑性本构模型由于只需考虑循环加载过程中的最大塑性变形，可采用较大的积分步长，具有良好的应用前景。因此，为了能够填补目前道路长期沉降计算方法上的空白，本文在系统研究砂土变形特性的基础上，基于安定性理论提出了双硬化弹塑性本构模型，可以合理有效地计算无粘性材料在大数目循环加载时的累积塑性变形，从而为下一步探索控制和减少路基长期沉降的有效途径提供了可靠的理论依据和数值分析手段。因此，本课题具有重大的理论意义和工程实用价值。本课题取得了如下创新性的研究成果：1.在试验室内运用GDS土体多功能三轴试验机，对上海粉细砂进行了一系列的常规三轴压缩试验，针对其在不同试验条件下的变形规律进行了系统分析。试验表明，无论排水还是不排水试验条件，砂土都表现出两类显著的变形特征，一是应力-剪胀性特征，二是剪切应变硬化/软化特征，这两类特征均与试样的初始密实度及有效围压密切相关。同时，对比等向与非等向固结时的三轴剪切试验结果，可知后者的峰值强度及剪胀性特征均高于前者，表明初始应力各向异性对砂土应力-应变关系有较为显著的影响。2.利用上述仪器，对上海粉细砂进行了大数目循环次数(5000次)的非等向固结三轴压缩试验，得出其在不同初始密实度、不同围压和不同动应力时的变形规律，发现初始密实度及围压相同时，动应力比越大，累积变形越大；而在同样的应力水平下，密实度越高，累积变形越小；另外，围压对累积变形也有一定的影响。同时，有两点需要注意：一是累积变形主要发生在加载初期，随着加载次数的增多，塑性应变增长率越来越小；二是试样体积逐渐压缩，表现出一种循环压密的变形特征。3.基于传统的弹塑性理论框架，在已有砂土模型和临界状态理论的基础上，建立了可以考虑材料应变软化与剪胀性特征的双硬化弹塑性本构模型。该模型具有以下特点，其一，模型采用双屈服面形式，可同时反映剪切变形及压缩变形机理；其二，基于状态转换应力比概念，对传统修正剑桥模型中的剪胀性公式进行了改造，可较为合理的反映材料的体变规律；其三，根据材料残余状态应力比与峰值应力比的关系，提出了应变软化公式；其四，通过考虑砂土的压缩变形特性，对修正剑桥模型中的体积硬化规律进行了改造。通过对多种砂土的多组试验结果的数值模拟，表明本文模型具有较好的预测能力和较为广泛的适用性。4.由于Suiker(2002)模型基于安定性理论用于分析道渣等粗颗粒无粘性材料的累积塑性变形时可采用较大的积分步长，显著提高了计算效率。因此，为了将其应用于砂土等细颗粒无粘性材料的累积变形计算，本文在上述静力本构模型研究的基础上，对Suiker(2002)模型进行了深入改造，并推导了其具体的数值积分格式。本文模型不仅能考虑砂土复杂的变形特性，而且可以任意选取积分步长，非常适用于无粘性材料在大数目循环加载时的累积变形计算。同时，由于该模型是在上述静力本构模型的基础上提出的，因此，只增加了反映循环特性的4个模型参数。通过对上海粉细砂室内循环试验结果的模拟，初步验证了该模型的合理性和有效性。5.为了能将本文模型应用到实际工程计算中，对本构模型的有限元实现方法进行了深入研究。作为初步探讨，首先将砂土单硬化静力本构模型在有限元程序Swandyne中得以实现；然后，将本文提出的基于安定性理论的砂土双硬化本构模型在有限元程序中得以实现，并通过算例进行了验证分析，最后将其应用到实际道路工程的沉降分析中，探讨了不同加载幅值下路基的累积变形规律。最后，关于进一步研究的方向进行了简要的讨论。关键词：无粘性材料，长期累积变形，室内试验，安定性理论，本构模型，数值模拟

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1引言

1.2静力荷载作用下无粘性材料的变形特性与本构模型研究

1.2.1砂土变形特性试验研究

1.2.2应力-剪胀性理论研究

1.2.3砂土弹塑性本构理论研究

1.3长期往复荷载作用下无粘性材料累积变形特性及本构模型研究

1.3.1长期往复荷载作用下无粘性材料累积变形特性试验研究

1.3.2长期往复荷载作用下土体本构模型研究

1.4本文研究目的和主要内容

1.4.1本文研究目的

1.4.2本文主要内容

第2章 无粘性材料静力及循环变形特性研究

2.1引言

2.2砂土变形特性及剪胀性理论研究

2.2.1砂土压缩变形特性

2.2.2砂土剪切变形特性

2.2.3砂土的剪胀性理论

2.3砂土的双硬化塑性理论

2.4无粘性材料循环累积变形特征分析及已有模型比较

2.4.1无粘性材料循环累积变形特征分析

2.4.2无粘性土循环累积塑性变形本构模型比较

2.5小结

第3章 砂土静力及循环变形特性三轴试验研究

3.1引言

3.2试验方法与试验仪器

3.3砂土静力三轴试验

3.3.1试验目的

3.3.2粉细砂静力特性的影响因素

3.3.3试验方案

3.3.4三轴压缩试验条件下砂土变形特性分析

3.4砂土循环三轴试验

3.4.1试验目的

3.4.2循环荷载作用下粉细砂变形特性的影响因素

3.4.3试验方案

3.4.4动三轴试验条件下砂土变形特性分析

3.5小结

第4章 考虑应变软化及剪胀性特征的砂土双硬化本构模型

4.1引言

4.2状态转换线概念

4.3本构模型的提出

4.3.1变形分解

4.3.2屈服函数

4.3.3塑性势函数

4.3.4硬化与软化规律

4.3.5弹塑性应力应变关系

4.4双硬化本构方程的数值积分格式

4.4.1显式积分格式

4.4.2隐式积分格式

4.5模型验证

4.5.1模型参数的确定方法

4.5.2模型参数分析

4.5.3模型验证

4.5.4模型评价

4.6小结

第5章 基于安定性理论的砂土双硬化弹塑性本构模型

5.1引言

5.2安定性理论及在循环加载分析中的应用

5.2.1安定性基本理论概述

5.2.2基于安定性理论的等价粘塑性本构理论

5.3 Suiker(2002)模型介绍

5.3.1屈服函数的定义

5.3.2塑性应变增量表达式

5.3.3塑性势函数

5.3.4弹塑性应力应变关系

5.3.5 Suiker(2002)模型验证

5.3.6模型评价

5.4本文模型的提出

5.4.1模型构成

5.4.2循环本构模型的数值积分格式

5.5模型验证

5.5.1模型参数的确定方法

5.5.2模型参数分析

5.5.3模型验证

5.5.4模型评价

5.6小结

第6章 本构模型的有限元实现及应用

6.1引言

6.2弹塑性问题的增量有限元解法及本构模型的实现

6.2.1弹塑性问题的增量方程

6.2.2增量有限元格式

6.2.3弹塑性状态的决定和本构关系的积分

6.2.4砂土单硬化模型的有限元实现及验证

6.3基于安定性理论的砂土双硬化本构模型的有限元实现及应用

6.3.1本构模型的积分步骤

6.3.2基于安定性理论的砂土双硬化本构模型的有限元实现与验证

6.3.3实例分析

6.4小结

第7章 结论与展望

7.1本文工作总结

7.2后续研究工作展望

致谢

参考文献

个人简历、在读期间发表的学术论文与研究成果