筑坝堆石料应力路径本构关系研究

论文摘要

堆石料作为一种常用的工程建筑材料,由于具有强度高、压实性好、成本低和性质稳定等优点已在土石坝工程中得到广泛应用。随着土石坝设计坝高的不断增加,筑坝堆石料的受力情况变得更为复杂,而坝料的应力应变关系也已成为工程设计中所必须了解和掌握的基本性质之一。目前的室内试验通常是在围压不变条件下进行三轴剪切使试样达到破坏状态,其应力路径与堆石料在坝体施工和蓄水过程的实际应力路径有所不同,而采用三轴试验结果整理得到的本构计算模型进行坝体应力应变分析时其结果与实测数据仍存在一定差距,其主要原因就是所用的本构模型通常不能很好地反映应力路径的影响。基于上述问题,本文进行了筑坝堆石料应力路径本构关系研究,主要内容如下:（1）研究了粗粒土的工程特性。在对土体应力路径最新研究成果进行总结评述的基础上,论述了堆石料应力路径本构模型研究的必要性。针对坝体堆石料的实际应力路径,介绍了模拟坝体填筑期的等应力比路径,以及蓄水期转折应力路径下的三轴排水试验。根据试验结果整理了应力应变关系曲线,分析了堆石料在不同形式应力路径下的应力与变形特性。（2）采用应变解耦分析的办法,分别考虑p、q应力对体应变和剪应变的影响,在兼顾实际应用的前提下,提出了等应力比路径四模量增量非线性模型和三模量增量非线性模型,两模型都适于描述堆石料在等应力比路径下的应力应变关系。（3）根据堆石料应力路径试验结果,分析了经典的邓肯-张模型的应力路径适用性问题,并提出了一个新的应力路径本构模型。该模型根据堆石料在不同应力路径下的变形规律性,对应力路径进行合理分区,构建了不同路径分区下合适的本构柔度矩阵。新模型构造简单,能充分考虑应力路径的影响。（4）对Gudehus-Bauer亚塑性本构模型进行了适当改进,使之适于描述堆石料复杂应力路径下的应力应变关系。采用变异粒子群优化算法确定了模型参数,并取得了较好的效果。为了考虑应力路径的影响,分析了Gudehus-Bauer亚塑性模型参数与瞬时应力路径之间的关系,将应力路径影响引入亚塑性本构模型。计算结果表明,改进的Gudehus-Bauer亚塑性模型能够较好地模拟堆石料的主要力学特性,适于堆石坝的应力应变分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 选题的背景与意义
• 1.3 粗粒土的工程特性
• 1.3.1 粗粒土的基本特征
• 1.3.2 粗粒土的强度与变形特性
• 1.4 土的应力路径研究概况
• 1.4.1 应力路径的定义
• 1.4.2 应力路径试验研究现状
• 1.4.3 应力路径本构模型研究进展
• 1.5 论文组织结构
• 2 堆石料复杂应力路径试验研究
• 2.1 试验堆石料基本物理力学性质
• 2.2 试验仪器和试验方法
• 2.3 试验内容
• 2.3.1 等向压缩固结试验
• 2.3.2 等应力比三轴试验
• 2.3.3 转折应力路径试验
• 2.4 应力路径试验成果分析
• 2.4.1 等向压缩固结试验成果分析
• 2.4.2 等应力比三轴试验成果分析
• 2.4.3 转折应力路径试验成果分析
• 2.5 本章小结
• 3 堆石料等应力比路径非线性弹性模型研究
• 3.1 以压缩为主的幂函数模型形式
• 3.2 等应力比路径四模量增量非线性模型
• 3.2.1 p、q应力交叉效应的分解
• 3.2.2 模型四个模量的函数表达式
• 3.2.3 四模量模型的参数确定及试验验证
• 3.3 等应力比路径三模量增量非线性模型
• 3.3.1 K、G、J三模量的推导
• 3.3.2 三模量模型的参数分析
• 3.3.3 基于粒子群优化的模型参数确定方法
• 3.3.4 三模量模型的试验验证
• 3.4 本章小结
• 4 堆石料复杂应力路径非线性弹性模型研究
• 4.1 邓肯-张模型的应力路径适用性分析
• 4.1.1 等应力比路径试验验证
• 4.1.2 转折应力路径试验验证
• 4.1.3 模拟结果比较分析
• 4.2 堆石料应力路径增量非线性模型
• 4.2.1 p～q面内应力路径的分区
• ur、G_ur'>4.2.2 回弹模量K_ur、G_ur
• 4.2.3 不同路径分区的模量表达式
• 4.3 应力路径增量非线性模型的参数确定
• 4.4 应力路径增量非线性模型的拟合验证
• 4.5 本章小结
• 5 考虑应力路径影响的堆石料改进Gudehus-Bauer亚塑性模型
• 5.1 亚塑性本构建模理论
• 5.1.1 亚塑性材料的定义
• 5.1.2 亚塑性本构方程的一般形式
• 5.1.3 亚塑性模型与传统弹塑性模型的区别
• 5.2 Gudehus-Bauer亚塑性模型
• 5.2.1 Gudehus-Bauer亚塑性模型的函数表示
• 5.2.2 Gudehus-Bauer亚塑性模型的参数确定
• 5.2.3 Gudehus-Bauer亚塑性模型的性能展示
• 5.3 适用于堆石料的体变关系改进
• 5.4 考虑应力路径影响的Gudehus-Bauer模型改进
• 5.5 改进的Gudehus-Bauer亚塑性模型验证
• 5.5.1 等应力比路径试验验证
• 5.5.2 转折应力路径试验验证
• 5.6 本章小结
• 6 结论和展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录主要符号及说明
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢
• 作者简介