砂土永久变形预估模型试验和仿真研究

论文摘要

论文是在国家自然科学基金项目（资助编号:50608007）,交通部西部交通建设科技项目（资助编号:2004 318 000 04）和中国博士后基金项目（资助编号:20060400673）的共同资助下完成的。车辙是沥青路面最常见的破坏形式之一,不仅影响车辆行驶的舒适性,严重时还影响行车安全。目前国外的沥青路面设计主要通过两种方法控制路面的过量车辙:一是控制路基顶面的压应变小于容许压应变;二是采用分层总和法直接计算路表的车辙,这两种方法均需要路基土永久变形预估模型。论文参考国外路基土永久变形以及回弹模量的试验方案以及我国对于路基土压实度、含水量等的规定,对相关试验参数进行论证,建立砂土永久变形试验方案:试件直径为100mm,高为200mm,压实度取91%和96%,含水量取最佳含水量的105%、110%和120%;荷载型式为半正弦,频率为1HZ,加载时间为0.2s,间歇时间为0.8s,作用次数取10000次;围压取28kPa,偏应力取28kPa、48kPa和69kPa。利用万能材料试验机（UTM-100）对砂土进行重复加载动三轴试验,得到了砂土永久变形的发展曲线,建立了塑性应变和荷载作用次数之间的关系式,使用最小二乘法拟合出该式中的系数与含水量和回弹模量之间的回归公式,并对回归公式进行了可靠性分析。当荷载作用次数为10000次时,现有路基土永久变形模型预估结果与试验结果间相对误差最小为52%,最大高达376%;本文建立的系数与含水量和回弹模量之间的回归公式相关系数R2最小值为0.31,平均值为0.41,大于临界值0.28,试验曲线与理论曲线相关系数R2更在0.99以上。结果表明:现有预估模型不适用于砂土,本文建立的砂土永久变形预估公式可靠性较高。最后,利用有限元软件ABAQUS采用二维模型对砂土室内重复加载动三轴试验进行数值仿真。考虑到土体本构关系具有高度的非线性,土体采用扩展的Drucker-Prager模型。砂土有限元仿真与试验结果对比表明,二者永久变形发展规律相同。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的提出及研究意义
• 1.2 路基土永久变形预估模型国外研究现状
• 1.2.1 早期研究
• 1.2.2 近代研究
• 1.2.3 AASHTO 2002 采用的路基土永久变形模型
• 1.3 路基土永久变形预估模型国内研究现状
• 1.3.1 中国台湾省研究现状
• 1.3.2 大陆研究现状
• 1.4 路基土永久变形预估模型评价和选择
• 1.4.1 路基土永久变形预估模型分类和评价
• 1.4.2 路基土永久变形预估模型的选择
• 1.5 本文的主要研究内容和技术路线
• 第二章 路基土永久变形试验方案
• 2.1 试验方案回顾
• 2.2 动三轴试验简介及试验设备
• 2.2.1 动三轴试验简介
• 2.2.2 动三轴试验设备
• 2.3 试验参数的论证
• 2.3.1 土的类型
• 2.3.2 试件尺寸
• 2.3.3 含水量
• 2.3.4 压实度
• 2.3.5 偏应力
• 2.3.6 围压
• 2.3.7 应力历史
• 2.3.8 其它荷载参数
• 2.4 永久变形试验方案
• 2.4.1 试验目的
• 2.4.2 基础试验
• 2.4.3 永久变形试验方案
• 2.5 本章小结
• 第三章 砂土永久变形试验结果及预估模型
• 3.1 砂土永久变形试验结果
• 3.1.1 永久变形试验结果
• 3.1.2 回弹变形试验结果
• 3.2 砂土永久变形预估模型
• 3.3 永久变形预估模型的可靠性分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 砂土永久变形试验有限元仿真
• 4.1 引言
• 4.2 ABAQUS 有限元软件
• 4.2.1 ABAQUS 简介
• 4.2.2 ABAQUS 的主要模块
• 4.3 ABAQUS 非线性问题的求解
• 4.3.1 非线性的来源
• 4.3.2 非线形问题的求解
• 4.4 土体本构模型
• 4.4.1 弹性模型
• 4.4.2 扩展的Drucker-Prager 模型
• 4.5 有限元计算模型
• 4.5.1 基本假定及模型构成
• 4.5.2 有限元单元选取与网格划分
• 4.5.3 分析过程与加载方式
• 4.6 计算结果与分析
• 4.6.1 有限元仿真结果
• 4.6.2 曲线拟合
• 4.7 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 展望—需进一步研究的内容
• 附录
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢