长期往复荷载作用下无粘性材料累积变形研究

论文摘要

当前，随着交通的日益繁忙，路基的长期沉降问题已经引起人们的广泛关注，如何控制和减少路基沉降已经成为道路工程界和岩土工程界共同关注的热点问题。由于长期以来道路工程土力学和传统的岩土工程土力学作为两个不同学科而各自发展，导致现行道路设计还主要依靠经验方法。同时，尽管以弹塑性理论为核心的本构理论在道路工程中也有涉及，但由于多数模型采用传统的小步长积分方式，造成计算时间过长，难以在实际工程中应用。总之，迄今为止，还未发现有合适的本构模型能够同时考虑计算的简便性和无粘性材料复杂的变形特征。文献表明，近年来，基于安定性理论而提出的弹塑性本构模型由于只需考虑循环加载过程中的最大塑性变形，可采用较大的积分步长，具有良好的应用前景。因此，为了能够填补目前道路长期沉降计算方法上的空白，本文在系统研究砂土变形特性的基础上，基于安定性理论提出了双硬化弹塑性本构模型，可以合理有效地计算无粘性材料在大数目循环加载时的累积塑性变形，从而为下一步探索控制和减少路基长期沉降的有效途径提供了可靠的理论依据和数值分析手段。因此，本课题具有重大的理论意义和工程实用价值。 本课题取得了如下创新性的研究成果： 1．在试验室内运用GDS土体多功能三轴试验机，对上海粉细砂进行了一系列的常规三轴压缩试验，针对其在不同试验条件下的变形规律进行了系统分析。试验表明，无论排水还是不排水试验条件，砂土都表现出两类显著的变形特征，一是应力-剪胀性特征，二是剪切应变硬化／软化特征，这两类特征均与试样的初始密实度及有效围压密切相关。同时，对比等向与非等向固结时的三轴剪切试验结果，可知后者的峰值强度及剪胀性特征均高于前者，表明初始应力各向异性对砂土应力-应变关系有较为显著的影响。 2．利用上述仪器，对上海粉细砂进行了大数目循环次数（5000次）的非等向固结三轴压缩试验，得出其在不同初始密实度、不同围压和不同动应力时的变形规律，发现初始密实度及围压相同时，动应力比越大，累积变形越大；而在同样的应力水平下，密实度越高，累积变形越小；另外，围压对累积变形也有一定的影响。同时，有两点需要注意：一是累积变形主要发生在加载初期，

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 静力荷载作用下无粘性材料的变形特性与本构模型研究
• 1.2.1 砂土变形特性试验研究
• 1.2.2 应力剪胀性理论研究
• 1.2.3 砂土弹塑性本构理论研究
• 1.3 长期往复荷载作用下无粘性材料累积变形特性与本构模型研究
• 1.3.1 长期往复荷载作用下无粘性材料累积变形特性试验研究
• 1.3.2 长期往复荷载作用下土体本构模型研究
• 1.4 本文研究目的和主要内容
• 1.4.1 本文研究目的
• 1.4.2 本文主要内容
• 第2章 无粘性材料静力及循环变形特性研究
• 2.1 引言
• 2.2 砂土变形特性及剪胀性理论研究
• 2.2.1 砂土压缩变形特性
• 2.2.2 砂土剪切变形特性
• 2.2.3 砂土的剪胀性理论
• 2.3 砂土的双硬化塑性理论
• 2.4 无粘性材料循环累积变形特征分析及已有模型比较
• 2.4.1 无粘性材料循环累积变形特性分析
• 2.4.2 无粘性土循环累积塑性变形本构模型比较
• 2.5 小结
• 第3章 砂土静力及循环变形特性试验研究
• 3.1 引言
• 3.2 试验方法与仪器
• 3.3 砂土静力三轴试验
• 3.3.1 试验目的
• 3.3.2 粉细砂静力特性的影响因素
• 3.3.3 试验方案
• 3.3.4 三轴压缩试验条件下砂土变形特性分析
• 3.4 砂土循环三轴试验
• 3.4.1 试验目的
• 3.4.2 循环荷载作用下粉细砂变形特性的影响因素
• 3.4.3 试验方案
• 3.4.4 动三轴试验条件下砂土变形特性分析
• 3.5 小结
• 第4章 考虑应变软化及剪胀性特征的砂土双硬化本构模型
• 4.1 引言
• 4.2 状态转换线概念
• 4.3 本构模型的提出
• 4.3.1 变形分解
• 4.3.2 屈服函数
• 4.3.3 塑性势函数
• 4.3.4 硬化与软化规律
• 4.3.5 弹塑性应力应变关系
• 4.4 双硬化本构方程的数值积分格式
• 4.4.1 显式积分格式
• 4.4.2 隐式积分格式
• 4.5 模型验证
• 4.5.1 模型参数的确定方法
• 4.5.2 模型参数分析
• 4.5.3 模型验证
• 4.5.4 模型评价
• 4.6 小结
• 第5章 基于安定性理论的砂土双硬化弹塑性本构模型
• 5.1 引言
• 5.2 安定性理论及其在循环加载分析中的应用
• 5.2.1 安定性基本理论概述
• 5.2.2 基于安定性理论的等价粘塑性本构理论
• 5.3 Suiker（2002）模型介绍
• 5.3.1 屈服函数的定义
• 5.3.2 塑性应变增量表达式
• 5.3.3 塑性势函数
• 5.3.4 弹塑性应力应变关系
• 5.3.5 Suiker（2002）模型验证
• 5.3.6 模型评价
• 5.4 本文模型的提出
• 5.4.1 模型构成
• 5.4.2 循环本构模型的数值积分格式
• 5.5 模型验证
• 5.5.1 模型参数的确定方法
• 5.5.2 模型参数分析
• 5.5.3 模型验证
• 5.5.4 模型评价
• 5.6 小结
• 第6章 本构模型的有限元实现及验证
• 6.1 引言
• 6.2 弹塑性问题的增量有限元解法及本构模型的实现
• 6.2.1 弹塑性问题的增量方程
• 6.2.2 增量有限元格式
• 6.2.3 弹塑性状态的决定和本构关系的积分
• 6.2.4 砂土单硬化模型的有限元实现及验证
• 6.3 基于安定性理论的砂土双硬化本构模型的有限元实现及应用
• 6.3.1 本构模型的积分步骤
• 6.3.2 砂土双硬化循环本构模型的有限元实现与验证
• 6.3.3 实例分析
• 6.4 小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 本文工作总结
• 7.2 后续研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果