土中剪切带扩展机理研究和扩展过程模拟

论文摘要

土中剪切带萌生和扩展问题一直是岩土工程领域的研究热点和难点之一,并取得了大量的成果。但目前对已有剪切带扩展机理的研究较少,对剪切带等应变局部化现象的模拟也不十分理想。本文在前人研究成果的基础上,从土中剪切带扩展模型试验、扩展机理分析、数值实现到初步应用,探索了一条模拟和追踪土中剪切带扩展过程的合理途径。论文的主要新成果有:(1)初步探讨了人工制备结构性土中已有剪切带扩展的模型试验方法,自行研制了剪切带扩展模型试验装置,进行了多组模型试验。试验结果和对比分析表明,已有剪切带上的抗剪能力不足以提供实际所需抗剪能力时,尖端附近区域将存在应力集中和重分布,并导致尖端附近区域的应力主轴偏转现象。(2)土中已有剪切带尖端的应力集中和重分布将表现为尖端两侧应力状态的差异性和不连续性,使得剪切带的进一步扩展具有区域选择性。提出了一种新的更一般的区域控制剪切带扩展分析方法,该方法较全面地考虑了尖端应力集中和重分布对扩展过程和方向的影响,并可结合传统强度理论合理地解释尖端附近区域的应力主轴偏转机理。(3)提出了一种扩展有限元法(XFEM)中非连续区域的简易积分方法,保障了XFEM对于非线性材料本构的兼容性。构建了基于XFEM的界面接触算法,该算法合理地反映了摩擦接触的耗散机制,从而避免了零能耗散现象。改进后的扩展有限元法具备了描述土中剪切带等运动的不连续位移场的能力。(4)通过构造适当的算法和判据,将区域控制扩展分析方法集成到改进的XFEM程序中构建了追踪土中剪切带扩展过程的扩展有限元模拟系统,对土中剪切带扩展模型试验进行了模拟并取得了合理的结果。(5)应用此模拟系统对多个边值问题进行了模拟研究,取得了合理的结果,特别是较好地揭示了Carsington堤坝的失稳机理。这表明本文对土中剪切带扩展机理的分析是合理的,所提出的区域控制扩展分析方法实用可行。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 前言
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究目标及内容
• 第2章 土中剪切带问题研究综述
• 2.1 剪切带的试验研究
• 2.1.1 室内单元试样试验
• 2.1.2 离心模型试验
• 2.1.3 试验研究对比评价
• 2.2 剪切带的理论研究
• 2.2.1 Bjerrum 渐进扩展理论
• 2.2.2 Palmer-Rice 断裂力学方法
• 2.2.3 分叉理论
• 2.2.4 复合体理论
• 2.2.5 Cosserat 理论
• 2.2.6 非局部理论
• 2.2.7 弹塑性损伤理论
• 2.2.8 广义孔隙压力理论
• 2.3 剪切带等不连续位移场的数值模拟方法
• 2.3.1 广义弥散裂纹模型－剪切带理论与常规有限元结合
• 2.3.2 嵌入非连续有限元法（EFEM）
• 2.3.3 广义有限元法（GFEM）
• 2.3.4 扩展有限元法（XFEM）
• 2.3.5 其它方法
• 2.3.6 模拟方法综合分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 土中剪切带扩展的模型试验研究
• 3.1 剪切带扩展模型试验装置和方法
• 3.1.1 压力室模型箱
• 3.1.2 试样制备
• 3.1.3 试验方法
• 3.2 试样土体的基本力学特性
• 3.3 模型试验结果与分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 考虑尖端应力集中和重分布的剪切带扩展分析方法
• 4.1 Bjerrum 渐进扩展理论
• 4.2 尖端应力集中和扩展控制区域
• 4.3 剪切带尖端附近区域的应力主轴偏转机理
• 4.4 区域控制剪切带扩展分析方法
• 4.5 本章小结
• 第5章 土中不连续位移场的模拟
• 5.1 扩展有限元法的理论基础
• 5.1.1 单位分解（Partition of Unit）的基本概念
• 5.1.2 非连续富集位移场的构造
• 5.1.3 裂缝描述及富集结点的确定
• 5.1.4 控制方程与数值离散
• 5.2 非连续区域的积分方案
• 5.3 基于扩展有限元的界面接触算法
• 5.3.1 界面条件和本构关系的数学格式
• 5.3.2 张剪-粘聚裂纹模型（Cohesive Crack Model）
• 5.3.3 压剪-Willner 理论
• 5.3.4 接触算法流程
• 5.4 不连续位移场模拟技术的验证
• 5.4.1 算例1：三点弯梁开裂过程
• 5.4.2 算例2：纯摩擦接触界面
• 5.4.3 算例3：平面应变压剪试样中的剪切带
• 5.4.4 算例4：高面板堆石坝面板脱空模拟
• 5.5 本章小结
• 第6章 剪切带扩展分析方法的算法实现和验证
• 6.1 区域控制扩展分析方法的算法实现
• 6.1.1 扩展控制单元的选择
• 6.1.2 扩展准则
• 6.2 剪切带扩展模型试验的模拟研究
• 6.2.1 计算内容和计算参数
• 6.2.2 计算结果分析
• 6.3 本章小结
• 第7章 土中剪切带扩展过程模拟系统的应用
• 7.1 推移式滑坡的剪切带扩展过程模拟
• 7.2 砂土中圆形隧洞开挖离心模型试验模拟
• 7.3 多条裂缝扩展的土坡离心模型试验模拟
• 7.4 Carsington 堤坝失稳分析
• 7.4.1 Carsington 土堤坝滑坡的工程概况
• 7.4.2 已有研究及本文的分析要点
• 7.4.3 计算方法与计算参数
• 7.4.4 计算结果及分析
• 7.5 本章小结
• 第8章 结论
• 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