基于物理性质的土体强度和变形特性研究

摘要

我国东南沿海和部分内陆沿江城市（如武汉、昆明等）广泛存在软弱黏土，而且工程量巨大。虽然现有土力学理论对工程实践有一定的指导作用，但事实表明效果有限。大部分关于土的强度和变形的理论是以连续介质为对象的研究成果，应用到像土这样的非连续、结构性强的介质中，没有达到真正解决实际工程问题的目的，如:现有的土体本构模型大多没有充分考虑土的物理特性，模型参数取值不确定性太大，造成应力、应变的计算结果波动过大，在工程应用中存在明显缺陷。为此，本文基于土非连续介质和结构性强的特点，采用现代测试新技术（弯曲元剪切波速测试），通过土体细观结构分析试验与宏观力学特性试验相结合来探索描述土体结构新方法，建立土的应力状态方程，提出土体新的强度准则，创立新的结构性土体压缩特性预测方法，建立土的物理力学本构模型。并通过数值分析研究，应用新的理论成果解决实际工程问题。本文对阐明非连续性土体的应力状态、强度和变形规律具有重要理论意义和工程应用价值。
　　主要研究内容和成果如下:
　　1、根据土体的非连续特性，引入孔隙率这一物性指标，建立土体的应力状态方程，通过对比分析指出现有强度理论（如莫尔-库伦理论）的不足。在对正常固结粘土强度特性简单的机理分析基础上，通过一系列常规三轴固结压缩试验，分析了不同初始孔隙比和塑性指数对其力学性质的影响。提出一个新的物性参数ω，该参数能够综合反映出正常固结饱和粘土的矿物含量及所处状态，建立了粘土抗剪强度指标与ω之间的关系，进而考虑对莫尔-库伦准则进行修正。
　　2、基于Liu和Carter的结构性破损压缩模型，提出了一个简化的物性变化参数:孔隙相对变化指数Ev，考虑初始孔隙变化对土体压缩性状的影响，通过对杭州原状软土进行不同初始振动的固结试验，分别建立了孔隙相对变化指数Ev与土体结构屈服应力σ(')y及结构破损指数b的相关关系，据此提出了新的利用室内压缩试验结果预测原位压缩曲线的方法。
　　3、探讨了蛋形屈服函数参数的确定方法，建立了蛋形屈服函数参数a、b、d与土体初始塑性模量的关系，并将土体的基本物理性质指标剪切波速引入到蛋形参数中;结合已有的文献资料，根据蛋形屈服函数形状参数α与tanψ的变化规律，发现具有一致性，提出了α的取值方法。通过一系列室内试验定量地给出了蛋形屈服面参数与土体初始剪切波速和内摩擦角的相关关系。
　　4、在初始弹性模量计算公式中引入结构屈服应力p(0)来代替大气压力pa，提出了考虑结构性影响的初始弹性模量计算公式，并建立了公式中试验常数和初始剪切波速的相关关系。在增量塑性理论框架下，以蛋形加载函数为加载面，以塑性功函数为硬化参数，运用相关联流动法则，建立了结构性土体的蛋形屈服面弹塑性模型。基于一系列应力路径压缩试验、常规三轴剪切试验数据，确定了该模型参数的取值。并进一步将剪切波速这个土体基本物理性质指标引入到模型参数中，通过相应的弯曲元剪切波速测试试验定量的给出了模型参数与土体初始剪切波速的相关关系。
　　5、介绍了弹塑性有限元数值分析的研究现状，采用修正牛顿-拉弗森常刚度迭代法结合隐式回归本构积分算法，并应用位移控制法理论建立了蛋形屈服面弹塑性模型的有限元程序。进行三轴试验条件下的应力-应变关系数值模拟，给出三轴试验中圆柱体试块的应力-应变变化规律，验证了本构关系的合理性;最后结合一挡土结构被动土压力的数值算例，验证了新建有限元程序分析结果的可行性。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 土体强度特性研究现状

1．2．2 土体压缩特性研究现状

1．2．3 土结构性研究现状

1．2．4 土体本构模型研究现状

1．3 目前存在的问题

1．4 本文研究方法及内容

1．4．1 研究方法

1．4．2 研究内容

第2章 考虑非连续性的土体强度特性研究

2．1 引言

2．2 岩土类材料的应力条件

2．2．1 考虑孔隙率影响的岩土类材料应力方程的推导

2．2．2 岩土类材料的摩尔-库伦屈服准则及蛋形屈服准则

2．2．3 考虑孔隙率影响的岩土类材料应力状态分析

2．3 饱和粘性土强度特性机理浅析

2．4 考虑初始孔隙比和塑性指数影响的粘土强度特性研究

2．4．1 考虑初始孔隙比和塑性指数影响的粘土三轴试验

2．4．2 三轴试验结果分析

2．4．3 峰值强度受粘土初始孔隙比和塑性指数影响规律

2．4．4 内摩擦角受粘土初始孔隙比和塑性指数影响规律

2．4．5 土体综合性物性参数ω对峰值强度和峰值有效内摩擦角的影响

2．4．6 考虑综合性物性参数ω影响的莫尔-库伦准则

2．5 本章小结

第3章 考虑孔隙变化影响的结构性土体压缩特性研究

3．1 引言

3．2 结构性软土压缩特性分析

3．2．1 结构性破损压缩模型简介

3．2．2 结构性土体压缩曲线的数学表达式

3．3 孔隙相对变化指数的提出

3．4 结构性软土压缩特性试验

3．4．1 试验目的

3．4．2 试验材料

3．4．3 试验方案

3．4．4 振动试验及等向固结试验试验结果

3．5 考虑孔隙变化指数的结构性土体压缩曲线预测方法及其验证

3．5．1 孔隙变化指数对结构屈服应力的影响规律

3．5．2 孔隙变化指数对结构破损指数的影响规律

3．5．3 考虑孔隙变化指数影响的结构性土体压缩曲线预测方法

3．5．4 试验验证分析

3．6 本章小结

第4章 考虑初始剪切波速影响的结构性土蛋形屈服准则

4．1 引言

4．2 土体屈服准则

4．2．1 屈服及屈服准则的概念

4．2．2 屈服准则在应力空间的一般表述

4．2．3 屈服轨迹的确定

4．2．4 蛋形屈服准则

4．3 弯曲元剪切波速测试技术

4．4 蛋形屈服准则参数理论分析

4．5 蛋形屈服准则参数试验研究

4．5．1 试验目的

4．5．2 试验设备

4．5．3 试验材料

4．5．4 制样及试验方案

4．5．5 弯曲元剪切波速测试

4．5．6 等应力比应力路径试验

4．5．7 蛋形参数的定量分析

4．6 本章小结

第5章 基于剪切波速的结构性土弹塑性软化模型

5．1 前言

5．2 弹塑性模型概述

5．2．1 加载和卸载准则

5．2．2 屈服面理论

5．2．3 流动法则

5．2．4 硬化规律

5．3 蛋形屈服面弹塑性模型的建立

5．3．1 弹性应变部分

5．3．2 塑性应变部分

5．4 基于剪切波速的模型参数的确定

5．4．1 弹性参数

5．4．2 屈服面参数

5．4．3 硬化参数

5．5 模型的弹塑性应力-应变关系

5．5．1 弹性应变增量

5．5．2 塑性应变增量

5．5．3 弹塑性应力应变关系

5．6 本章小结

第6章 蛋形屈服面弹塑性模型有限元分析

6．1 引言

6．2 蛋形弹塑性模型的有限元实现

6．2．1 隐式本构积分算法

6．2．2 屈服函数和势函数的求导

6．2．3 有限元程序

6．3 三轴试样的弹塑性分析

6．3．1 概述

6．3．2 试验验证

6．4 土体被动土压力问题有限元分析

6．4．1 实体模型

6．4．2 模型参数的选取

6．4．3 计算结果及分析

6．5 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 总结

7．1．1 本文主要结论

7．1．2 论文的主要创新点

7．2 进一步研究的建议与展望

参考文献

个人简历及完成论文情况

浙江大学岩土工程学科历届博士学位论文目录