应力主轴循环旋转条件下砂土的变形规律与本构模型研究

论文摘要

应力主轴循环旋转条件下土的应力应变特性及本构模型研究是已得到国内外广泛重视但仍然没解决好的热点和难点研究课题。本文从试验研究、规律分析、数学建模和工程应用四个方面,对应力主轴循环旋转条件下砂土的变形特性进行了较为深入的研究,取得了如下主要研究成果:(1)基于对饱和砂土进行的主轴固定单调剪切、纯应力主轴循环旋转以及主应力幅值与应力主轴耦合循环变化的三类完全排水试验成果,分析和揭示了应力主轴循环旋转条件下砂土的基本变形规律,并探讨了其受力变形的内在机理。具有初始各向异性的砂土在纯应力主轴循环旋转排水条件下的主要变形规律为:①纯应力主轴循环旋转可产生与应力主轴固定单调剪切处于同一数量级的塑性变形;②纯应力主轴循环旋转引起的剪切体变包含可逆性剪切体变分量和不可逆性剪切体变分量两部分,其中可逆性剪切体变分量在一周内可完全恢复,基本与应力历史无关;不可逆性剪切体变分量随循环周数的增加呈单调增加,且增加速率随其自身累积值的增大呈减小趋势;③应变增量主轴与应力主轴之间的非共轴现象显著,且在一周内具有分段性;④中主应力对应力主轴循环旋转条件下砂土的变形特性有重要影响,不可逆性剪切体变分量的累积速率随中主应力系数的增加而增加。在主应力幅值与应力主轴耦合循环变化条件下,初始剪应力水平以及剪应力变化幅度对砂土的变形有显著影响。(2)基于对应力主轴循环旋转条件下砂土的基本变形规律的认识,吸收和借鉴已有弹塑性本构模型研究成果中的合理概念和建模方法,建立了一个可合理描述应力主轴循环旋转效应及主应力幅值大小与应力主轴方向循环耦变效应的砂土弹塑性本构模型,并对该模型在包含应力主轴旋转的复杂循环应力路径下的有效性进行了验证。该模型具有可较好地考虑应力主轴循环旋转效应以及对不同条件下各应变分量及体应变的发展过程进行合理模拟的能力。(3)基于大型通用有限元计算程序MSC.Marc实现了新本构模型的数值算法,并对典型堤防在波浪荷载作用下的响应规律进行了分析,结果表明:相比不考虑应力主轴旋转的情况,计算中考虑应力主轴旋转效应将增大堤防的变形。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 概述
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 研究目标及研究内容
• 第2章 应力主轴旋转问题研究综述
• 2.1 试验设备
• 2.1.1 方向剪切仪盒
• 2.1.2 空心圆柱扭剪仪
• 2.2 试验研究进展
• 2.2.1 纯应力主轴旋转试验研究成果
• 2.2.2 耦合的应力主轴旋转试验研究成果
• 2.3 理论研究进展
• 2.4 小结
• 第3章 试验设备及试验方法
• 3.1 试验目的
• 3.2 试验设备及其工作原理
• 3.2.1 压力室
• 3.2.2 加载系统
• 3.2.3 控制及数据采集系统
• 3.3 试验方法
• 3.3.1 试样制备
• 3.3.2 试验过程
• 3.4 应力应变参数
• 3.5 试验方案
• 3.5.1 主轴固定单调剪切排水试验
• 3.5.2 纯应力主轴循环旋转排水试验
• 3.5.3 耦合的应力主轴循环旋转排水试验
• 3.6 实现的应力路径
• 3.7 小结
• 第4章 试验成果及规律分析
• 4.1 主轴固定单调剪切排水试验规律分析
• 4.2 纯应力主轴循环旋转排水试验规律分析
• 4.2.1 正应变分量的发展规律
• 4.2.2 剪应力剪应变关系曲线
• 4.2.3 偏应变平面的应变路径
• 4.2.4 流动规律
• 4.2.5 体应变的发展规律
• 4.3 耦合的应力主轴循环旋转排水试验规律分析
• 4.3.1 正应变分量的发展规律
• 4.3.2 剪应力剪应变关系曲线
• 4.3.3 体应变的发展规律
• 4.4 小结
• 第5章 考虑应力主轴循环旋转效应的砂土本构模型的建立及验证
• 5.1 问题描述及变量说明
• 5.2 模型的基本架构
• 5.2.1 主应力幅值循环变化部分模型的基本架构
• 5.2.2 应力主轴循环旋转部分模型的基本架构
• 5.2.3 应力应变模量张量
• 5.3 模型的具体描述
• 5.3.1 弹性模量的具体描述
• 5.3.2 主应力幅值变化部分模型的具体描述
• 5.3.3 应力主轴循环旋转部分模型的具体描述
• 5.4 模型的参数确定
• 5.5 模型的初步验证
• 5.5.1 纯应力主轴循环旋转排水试验模拟
• 5.5.2 耦合的应力主轴循环旋转排水试验模拟
• 5.5.3 应力主轴循环旋转不排水试验模拟
• 5.6 小结
• 第6章 本构模型的边值问题应用
• 6.1 有限元基本原理
• 6.2 应用背景
• 6.3 有限元模型
• 6.4 初始应力场
• 6.5 计算结果及分析
• 6.6 小结
• 第7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