基于热力学理论的超固结土本构模拟

摘要

随着我国经济实力和综合国力的不断增强，高速公路、铁路、机场和堤防工程等基础设施的建设蓬勃发展。超固结土覆盖区域广泛，其工程力学特性十分复杂，建立超固结土本构模型，并准确预测超固结黏土地基强度及变形，已成为当前岩土工程领域重要研究内容。
　　本文以热力学原理为基础，建立了超固结土在不同固结应力路径下的本构模型。在对修正剑桥模型和α非相关联模型耗散势函数进行分析的基础上，考虑屈服面的形状变化和旋转，提出了新的耗散势函数，得到了真实应力空间的屈服函数，用于模拟不同固结应力历史的黏土剪切特性。同时引入边界面理论来实现加载初期超固结土的弹塑性响应。本论文同时提出了新的旋转硬化准则，并满足热力学及临界状态理论要求。建立的模型对不同类型土的常规三轴压缩试验进行模拟，通过对比等向固结和各向异性固结、正常固结和超固结条件下的排水和不排水实验数据，验证了模型的有效性和合理性。
　　本文的主要研究内容和结论如下:(1)根据试验数据研究了临界破坏时屈服面的形状要求，并以修正剑桥模型和α非相关联模型的耗散势函数为基础，提出了考虑屈服面形状特性的耗散势函数，建立了耗散空间内的α-β屈服函数，获得了真实应力空间的屈服面;(2)在α-β模型中引入边界面理论来模拟超固结土加载初期的弹塑性响应;采用可移动映射中心，并通过合理的剪胀公式，实现了强超固结土加载初期的剪胀行为;将塑性模量中的临界状态应力比用虚峰值应力比代替，反映材料的软化行为;(3)在α-β边界面模型中引入旋转硬化机制来，建立了各向异性固结土的本构模型;根据热力学理论要求临界状态时自边界面的旋转角度及其增量必须为0，提出了新的旋转硬化法则;(4)各向异性α-β边界面模型共有9个材料参数，其中M、λ、κ、v、N与修正剑桥模型一致，α和β用于调整屈服面的形状，A0和m用于描述旋转硬化机制，模拟各向同性固结土时A0和m取0;对5种不同类型土在不同固结历史和排水条件下的三轴试验进行模拟，验证了模型能够较好地模拟黏土的力学特性。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 土的基本特性

1．2．2 临界状态理论

1．2．3 本构理论的发展历史

1．3 本文的主要内容

2 饱和土弹塑性理论的热力学基础

2．1 热力学基本定律

2．2 锁定自由能和塑性耗散

2．3 屈服函数和流动法则

2．4 各向同性硬化和运动硬化

2．5 各向同性和各向异性材料

2．6 各向同性和各向异性模型

3 黏土的本构模型概述

3．1 Duncan-Chang非线弹性模型

3．1．1 E-v模型

3．1．2 改进的E-B模型

3．2 修正剑桥模型

3．2．1 屈服函数

3．2．2 硬化法则

3．2．3 弹塑性刚度矩阵

3．2．4 模拟结果

3．2．5 模型的缺陷

3．3 MIT系列模型

3．3．1 MIT-E3模型

3．3．2 MIT-S1模型

3．4 统一硬化模型(UH模型)

3．4．1 当前加载面和参考加载面

3．4．2 流动法则和统一硬化理论

3．5 气泡模型(Bubble model)

3．5．1 参考面、气泡面和结构面

3．5．2 流动法则和运动硬化

4 基于热力学的各向同性固结黏土本构模型

4．1 α-β模型屈服函数

4．2 边界面模型

4．2．1 边界面和当前加载面

4．2．2 映射中心和映射法则

4．2．3 流动法则

4．2．4 硬化法则和塑性模量

4．2．5 应力应变关系

4．3 模型参数的确定方法

4．4 试验结果与模拟结果的对比

5 基于热力学的各向异性固结黏土本构模型

5．1 旋转α-β模型屈服函数

5．2 边界面模型

5．2．1 边界面和当前加载面

5．2．2 流动法则和塑性模量

5．2．3 硬化法则和应力应变关系

5．3 模型参数的确定方法

5．4 试验结果与模拟结果的对比

6 结论与建议

6．1 结论

6．2 进一步研究工作的建议

参考文献

作者简历