根土复合体极限载荷的数值计算方法和实验研究

论文摘要

植物根系在土壤中穿插、缠绕和网络,与土壤形成了一种天然的复合材料,对防止水土流失具有重要作用。人类有意识的通过种植植物进行固土护坡已有数百年的历史,但是对植物根系加固土壤的力学机理并不完全了解,仍有很多问题值得进一步研究。本文对青海省黄土高原地区优势固土护坡植物进行实地考察,发现受干燥气候等自然条件的影响,植物根系具有向深处生长的特性,并且在土壤中排布比较规则,可以被简化为周期性分布的长纤维增强复合材料。本文从复合材料细观力学的角度,对植物根系加固土壤的力学机理进行了数值计算和实验研究。基于复合材料细观力学的均匀化理论和广义平面应变假设,本文提出了一种周期性长纤维复合材料代表性胞元的数值计算方法,通过选取复合材料横截面的代表性胞元作为研究对象,体现复合材料的细观结构特征,同时引进宏观尺度和细观尺度,构造基于细观摄动位移插值的广义平面应变单元,并建立了代表性胞元的弹塑性增量有限元计算格式。考虑到界面的非理想粘接,本文发展了一种基于细观摄动位移插值的广义平面应变界面单元,并建立了计算非理想界面复合材料胞元的数值计算格式。本文在青海省对根土复合体的力学特性进行了实验研究,设计了一种周期性长纤维根土复合体三轴试验的实验方法,考虑到根土复合体试验的特殊性,提出了一种根土复合体试样制作的新方法,并对含根体积比为0.5%和1%的根土复合体进行了三轴试验,得到了根土复合体在0.01MPa围压下的轴向极限载荷和破坏模式。实验还测得了单根和素土的材料参数,并测得了实验现场原状土的含根体积比,为根土复合体的数值计算进行了准备。采用非理想界面周期性复合材料胞元极限载荷的数值计算方法,本文建立了含根体积比为0.5%和1%的根土复合材料代表性胞元的有限元计算模型,对根土复合体的三轴试验进行了数值模拟,数值计算结果与实验值比较吻合。并计算了不同加载角度根土复合体的极限载荷,分析了影响根土复合体极限载荷的若干因素。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 植物根系固土护坡研究状况和进展
• 1.2.1 根的强度研究
• 1.2.2 根土复合体的力学模型和实验研究
• 1.3 复合材料数值计算方法研究进展
• 1.3.1 复合材料细观力学模型
• 1.3.2 复合材料极限强度研究进展
• 1.3.3 复合材料界面的细观力学分析
• 1.3.4 土和结构界面的数值计算方法
• 1.4 本文的主要工作
• 第2章 基于均匀化理论的广义平面应变问题
• 2.1 均匀化理论
• 2.2 基于均匀化理论的有限元分析
• 2.2.1 有限元离散
• 2.2.2 周期性边界条件
• 2.2.3 弹塑性增量分析的有限元计算格式
• 2.3 广义平面应变问题的有限元分析
• 2.3.1 广义平面应变假设
• 2.3.2 有限元计算格式
• 2.4 算例分析
• 2.4.1 孔洞材料的极限载荷
• 2.4.2 纤维增强复合材料受面外载荷作用
• 2.5 小结
• 第3章 弱界面胞元的有限元计算格式
• 3.1 基于均匀化理论和广义平面应变假设的界面单元
• 3.2 界面本构关系和破坏准则
• 3.3 算例分析
• 3.3.1 纤维增强复合材料受面内载荷作用
• 3.3.2 纤维增强复合材料受面外载荷作用
• 3.4 小结
• 第4章 根土复合体的实验研究
• 4.1 试验区与植物介绍
• 4.2 根土材料的参数
• 4.2.1 单根的力学性质
• 4.2.2 试验土的物理力学性质
• 4.2.3 原状土三轴试验与含根体积比
• 4.3 根土复合体的三轴试验
• 4.4 小结
• 第5章 根土复合材料胞元的数值计算
• 5.1 根土复合材料的力学模型简化
• 5.2 岩土材料弹塑性本构关系
• 5.3 素土材料的数值计算
• 5.4 根土复合材料的数值计算结果
• 5.4.1 根土复合体三轴试验的数值模拟
• 5.4.2 加载角度对极限载荷的影响
• 5.4.3 拉压载荷对极限载荷的影响
• 5.4.4 围压对极限载荷的影响
• 5.4.5 材料参数对极限载荷的影响
• 5.5 小结
• 第6章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果