基于状态参量的饱和砂土弹塑性本构模型研究

摘要

饱和砂土在静力和动力荷载作用下，具有压硬性、剪胀性、应变硬化和应变软化等特点。考虑状态参数的影响，研究饱和密砂和中密砂土在剪应力作用下的变形特性，建立饱和砂土的弹塑性模型已经是近年来国际岩土工程界的重要研究领域和研究方向，具有重要的学术价值和实践意义。本论文在国内外大量试验结果的基础上，以北京市自然科学基金资助项目(8112024)、北京市教委科技发展计划项目(KM200910009008)为依托，对饱和密实和中密砂土在静力荷载作用下的变形特点和剪胀规律开展了系统和深入的研究工作。取得的主要研究成果如下:
　　(1)论述了密实砂土和中密砂土剪胀性的特点和影响剪胀的因素。通过对已有试验结果的分析和整理，考虑密实砂土和中密砂土体变过程的特点，提出应关注这类砂土的相转换临界状态点，简称为相变点。并进一步指出相变点是这类砂土变形过程的一个关键状态。诸多试验表明，在相变孔隙比和相变围压构成的平面上，二者呈直线关系，也即相变线方程是线性变化的。因此，本文建立了呈线性变化特征的相变线方程或数学表达式。并以相变线作为参照标准，以相变孔隙比为具体参照量，提出了新的状态参量表达式和新的剪胀比计算公式。这一状态参量综合考虑了应力水平和材料状态的影响。结合相变孔隙比和临界状态孔隙比，利用状态参量的概念可以较为准确地判断砂土在初始时和任意时刻的剪胀趋势。以此为基础建立的砂土的弹塑性模型即可以较真实地反映土的体积先剪缩后剪胀的变化全过程和变形特性。
　　(2)对于砂土，其剪胀比不能被视为应力比的唯一性函数，这一点与黏性土不同。因为砂土的剪胀比不仅与三轴应力变量q和p'有关，而且还与材料的内部状态有关，即土的密实程度有关。在颗粒破碎前，按照这一思路建立砂土的剪胀性模型可以突破以往的一些障碍，以契符合土体受力和变形的实际情况。本文建立的剪胀比计算公式，考虑了材料状态的影响，把具有不同密度的同一类砂处理为一种砂而不是两种砂，可以较好地描述剪缩和剪胀两种体积变化过程。
　　(3)本文基于前面建立的饱和砂土的考虑状态参量影响的剪胀比计算公式，实现和达到了考虑材料状态对剪胀比影响的目标。在此基础上，提出了一种能真实地反映密实砂土和中密砂土体积变化过程的砂土弹塑性本构模型，仅用一组模型参数即可以描述同一种砂土在不同初始密度和不同围压条件下的应力应变特性。
　　(4)进行了系列饱和砂土实验。通过与各种初始状态和加载条件下砂土相应的实验数据的比较，证明该模型具有较好的模拟能力。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 选题的目的和意义

1．2 本文的主要研究内容

1．3 主要创新点

第2章 岩土材料本构模型的研究现状

2．1 弹性和弹塑性模型研究现状

2．1．1 岩土材料的弹性模型

2．1．2 岩土材料的弹塑性模型

2．2 考虑剪胀效应的砂土本构模型研究现状

2．3 研究现状小结

第3章 状态参量的概念和砂土剪胀性趋势的判别

3．1 引言

3．2 剪胀方程的基本表达式和状态参数

3．3 相变状态特性

3．4 状态参量的表达式和相变线方程

3．4．1 状态参量的表达式及其讨论

3．4．2 相变线和临界状态线方程

3．5 一种状态相关的剪胀方程表达式及其讨论

3．6 结论

第4章 一种基于状态参量的砂土剪胀性本构模型

4．1 引言

4．2 剪胀性的微观解释

4．3 d和η间唯一性关系的有关问题的讨论

4．3．1 基于临界状态的状态相关型剪胀比一般表达式

4．3．2 基于相变状态的状态相关型剪胀比一般表达式

4．4 本文模型所依赖的状态参量、剪胀比方程和模型参数

4．5 p-q平血砂的本构模型

4．5．1 弹塑性矩阵

4．5．2 模型参数的确定

4．5．3 模型验证

4．6 结论

第5章 本构模型的试验验证与分析

5．1 三轴试验简介

5．1．1 试验用三轴仪

5．1．2 附属设备

5．2 试验方法

5．3 试验设计

5．4 试验过程

5．4．1 试样制备

5．4．2 试样的安装

5．4．3 仪器检查与启动

5．4．4 反压饱和

5．4．5 试样固结

5．4．6 加载剪切

5．5 试验结果及处理

5．5．1 试验结果

5．5．2 试验的结果处理——几组试验曲线比较

5．5．3 模型预测与试验结果对比

5．6 结论

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 今后工作展望

附录

参考文献

作者简历

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