无粘性土的减载弹塑性分析

论文摘要

土的本构关系研究是土力学的核心内容。普遍存在的减载体缩现象是导致砂土液化和破坏的重要因素,但尚难以用现有土的弹塑性本构模型合理解释。零应变方向的主应力对平面应变状态下土的强度和变形均有重要影响,认识土的弹塑性特性是正确确定零应变方向主应力的前提。研究土在减载和往复荷载下的弹塑性特性,建立反映土减载屈服的弹塑性本构模型,具有重要的学术价值和工程意义。本文以分析无粘性土的减载弹塑性特性为目标,开展系统的研究工作,主要取得了以下成果:1.通过机理分析和试验研究,探讨了无粘性土的减载弹塑性特性及其机理。阐明可恢复变形并不都是弹性变形,减载体缩是剪应力减小引起的塑性体积变形,是减载屈服的宏观表现。指出减载屈服与土体内部结构改变密切相关,是土的弹塑性的重要体现。提出由于反向摩擦作用,减载过程存在初始弹性区。分析试验中体应变的变化规律,确定减载初始弹性区范围,通过试验和计算证明其适用性。提出考虑减载屈服情况下确定弹性模量及分离弹塑性应变的方法。2.在土的清华模型基础上建立了反映土减载屈服的弹塑性本构模型,并对其有效性进行验证。模型考虑了应力引起的各向异性及变形历史的影响,在减载过程中令屈服面和等向硬化轴旋转,采用以任意等效应力点为起点的硬化规律形式,根据试验结果分别确定初始加载-减载-再加载过程的屈服面和硬化参数,将清华弹塑性模型推广到往复加载情况。模型能合理反映应力应变曲线滞回圈,加载剪胀和减载体缩等变形现象,体现土往复加载的弹塑性特性。3.研究了平面应变减载的弹塑性特性以及零应变方向主应力的变化规律。阐明零应变方向的主应力完全取决于土的本构关系,在不同条件下可能为小主应力、中主应力或者大主应力。用反映减载弹塑性的本构模型合理预测了零应变方向的主应力。通过对平面应变减载的弹塑性分析,指出发生减载屈服是保证平面应变条件和极限平衡条件的需要,揭示了减载过程中零应变方向的主应力经历从小主应力变为中主应力直至大主应力的转换过程,最终趋向于极限平衡状态等重要变形规律,深化了对土的弹塑性特性以及平面应变条件的认识。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 土的本构关系研究和减载体缩
• 1.1 土的本构关系研究及其新进展
• 1.1.1 土的本构关系研究的历史回顾
• 1.1.2 复杂应力条件下土的本构关系研究的新进展
• 1.1.3 土的本构关系研究的发展方向
• 1.2 土的清华弹塑性模型的建立和发展
• 1.2.1 土的清华弹塑性模型的建立
• 1.2.2 土的清华弹塑性模型的特点与发展
• 1.3 土的减载体缩现象及其机理
• 1.3.1 土的剪胀性和减载体缩现象
• 1.3.2 土的减载体缩现象的机理探讨
• 1.4 选题背景和意义
• 1.5 研究目标
• 1.6 主要研究内容和方法
• 1.6.1 主要研究内容
• 1.6.2 主要研究方法
• 1.7 本文的主要创新点
• 第2章 土减载屈服的机理分析和试验研究
• 2.1 土减载屈服的机理分析
• 2.1.1 土的弹塑性理论中的弹性变形
• 2.1.2 土的减载与“卸载”的区别
• 2.1.3 土的减载体缩现象与弹塑性理论的矛盾
• 2.1.4 土的减载体缩是减载屈服的宏观表现
• 2.1.5 无粘性土减载屈服变形机理分析
• 2.2 土减载屈服的试验研究
• 2.2.1 土减载屈服试验研究的思路和条件
• 2.2.2 试验土料、设备和制样方法
• 2.2.3 常规三轴压缩试验的减载初始屈服点位置
• 2.2.4 减载初始屈服点位置的对比试验研究
• 2.2.5 等向压缩试验的减载初始屈服点位置
• 2.3 考虑减载屈服情况下确定弹性模量的方法
• 2.3.1 弹性剪切模量G 的确定
• 2.3.2 弹性体积变形模量K 的确定
• 2.3.3 考虑与不考虑减载屈服时所得弹性常数的比较
• 2.4 往复荷载下的塑性应变增量方向
• 2.5 本章小结
• 第3章 反映土减载屈服的弹塑性本构模型的建立
• 3.1 建立模型的思路
• 3.2 弹性应变部分
• 3.3 屈服面的确定
• 3.3.1 初始加载过程屈服面的确定
• 3.3.2 减载时坐标系随屈服面及等向硬化轴的旋转
• 3.3.3 减载过程屈服面的确定
• 3.3.4 再加载过程屈服面的确定
• 3.4 硬化参数的确定
• 3.4.1 通过硬化等效特性确定硬化参数
• 3.4.2 以任意等效应力点为起点的硬化参数形式
• 3.4.3 初始加载过程硬化参数的确定
• 3.4.4 减载过程硬化参数的确定
• 3.4.5 再加载过程硬化参数的确定
• 3.5 模型参数及其确定方法总结
• 3.5.1 弹性参数
• 3.5.2 屈服面参数
• 3.5.3 硬化参数
• 3.6 本章小结
• 第4章 反映土减载屈服的弹塑性本构模型的验证
• 4.1 模型的数值计算实现
• 4.1.1 计算公式推导
• 4.1.2 平面应变状态零应变方向主应力的计算公式
• 4.1.3 计算流程
• 4.1.4 模型参数和计算初值
• 4.2 模型验证
• 4.2.1 模型验证I：等向压缩试验
• 4.2.2 模型验证II：常规三轴压缩试验
• 4.2.3 模型验证III：p=常数的三轴压缩试验
• 4.2.4 模型验证IV：等应力比三轴压缩试验
• 3 =常数的平面应变试验'>4.2.5 模型验证V：σ₃=常数的平面应变试验
• 4.2.6 模型验证VI：b=常数的真三轴试验
• 4.2.7 讨论
• 4.3 本章小结
• 第5章 平面应变状态零应变方向的主应力及其弹塑性分析
• 5.1 正确确定零应变方向主应力的意义
• 5.2 平面应变状态零应变方向的主应力
• 5.2.1 零应变方向为中主应力的情况
• 5.2.2 零应变方向为小主应力的情况
• 5.2.3 零应变方向为大主应力的情况
• 5.2.4 等应力比平面应变减载的“残余应力”分析
• 5.3 零应变方向主应力的弹塑性分析
• p'>5.3.1 零应变方向主应力次序转换参数b^p
• 5.3.2 用弹性理论预测零应变方向的主应力
• 5.3.3 减载屈服是保证平面应变条件和极限平衡条件的需要
• 3 =常数的平面应变试验减载的弹塑性分析'>5.3.4 σ₃=常数的平面应变试验减载的弹塑性分析
• 5.3.5 等应力比平面应变试验减载的弹塑性分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论和讨论
• 6.1 本文的主要结论
• 6.2 需要进一步研究和讨论的问题
• 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