土与结构接触面三维静动力变形规律与本构模型研究

论文摘要

土与结构接触面三维力学特性研究是对土与结构系统进行合理的三维化非线性分析中迫切需要解决的重点和难点问题之一。本文从研制设备入手,在材料试验、机理分析、模型建立、数值实现和工程应用等多个方面,着重对三维加载条件下接触面的静动力变形规律及其本构描述展开了较为系统而深入的探索,取得了如下的主要新成果:(1)成功研制了一台可进行三维加载的大型接触面力学特性试验机,并对其功能进行了扩展。该试验机加载能力高,可进行较大尺寸试样的接触面三维直剪和单剪试验,特别适于粗粒土与结构接触面的研究。试验机加载和测量精度高,可进行细观测量,同时还具有土的大型直剪、单剪和压缩试验功能。(2)系统地进行了多种加载条件下粗粒土与结构接触面三维静动力特性试验,得到了系列化的试验成果。将接触面的三维加载条件划分为直线型、旋转型和组合型三种不同加载类型,分别进行了单调和往返两类剪切试验,研究了法向边界条件、加载幅值、控制方式等因素对接触面力学特性的定量影响。(3)揭示了三维加载条件下粗粒土与结构接触面的基本静动力学规律及主要影响因素。研究发现,三维加载条件下接触面的强度受加载路径影响较小;循环加载引起接触面明显的硬化且在初始加载阶段发展较快;三维加载条件下接触面变形存在明显的非共轴现象;三维加载剪切引起的接触面法向位移可以划分成可逆性和不可逆性两部分;三维加载条件下接触面存在明显的物态演化,其对于接触面的力学特性有重要影响。(4)提出了合理的建模思路,在变形规律分析基础上建立了一个新的接触面三维弹塑性循环本构模型。将三维加载产生的塑性变形分为线性加载分量和旋转加载分量两部分,并对旋转加载分量提出了一种有效的描述方法。模型可有效模拟多种复杂加载路径下接触面从小变形到大变形的主要三维力学特性。(5)实现了基于新建立的接触面三维本构模型的数值计算方法并应用于边值问题分析。对面板堆石坝这一存在三维接触面问题的典型工程课题进行了三维有限元分析,验证了接触面三维本构模型数值实现的有效性和合理性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 前言
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 研究目标及内容
• 第2章 土与结构接触面研究进展
• 2.1 试验技术
• 2.1.1 试验设备
• 2.1.2 数值试验
• 2.2 力学特性
• 2.2.1 接触面强度
• 2.2.2 接触面剪应力-剪应变关系
• 2.2.3 接触面体变规律
• 2.3 本构模型
• 2.4 数值模拟
• 2.4.1 接触力学方法
• 2.4.2 接触面单元
• 2.5 小结
• 第3章 大型三维多功能接触面试验机的研制
• 3.1 概述
• 3.2 试验机机械组成
• 3.2.1 主机框架
• 3.2.2 水平加载平台
• 3.2.3 竖向加载平台
• 3.3 液压伺服控制加载系统
• 3.3.1 加载控制模块
• 3.3.2 测量模块
• 3.4 接触面试验容器
• 3.4.1 接触面直剪试验容器
• 3.4.2 接触面单剪试验容器
• 3.5 试验机功能扩展
• 3.5.1 土直剪试验容器
• 3.5.2 土单剪试验容器
• 3.5.3 土压缩试验容器
• 3.6 小结
• 第4章 土与结构接触面三维加载试验成果及分析
• 4.1 试验方案
• 4.1.1 直线型加载试验
• 4.1.2 旋转型加载试验
• 4.1.3 组合型加载试验
• 4.2 试验材料
• 4.2.1 试验土料
• 4.2.2 结构面特性
• 4.3 常应力法向边界条件直线型加载试验结果
• 4.3.1 典型试验结果
• 4.3.2 变形规律分析
• 4.4 常应力法向边界条件旋转型加载试验结果
• 4.4.1 典型试验结果
• 4.4.2 变形规律分析
• 4.4.3 加载过程中的物态演化
• 4.5 常应力法向边界条件组合型加载试验结果
• 4.5.1 椭圆形路径组合型加载
• 4.5.2 正交加载
• 4.5.3 变形规律分析
• 4.6 常刚度法向边界条件试验结果
• 4.6.1 直线型加载
• 4.6.2 旋转型加载
• 4.6.3 变形规律分析
• 4.7 常位移法向边界条件试验结果及变形规律分析
• 4.8 小结
• 第5章 接触面三维本构模型的建立与验证
• 5.1 建模思路
• 5.1.1 建模思路
• 5.1.2 基本变形规律
• 5.1.3 基本假设
• 5.2 基本变量
• 5.3 模型基本架构及本构方程
• 5.4 数学公式
• 5.4.1 弹性模量
• 5.4.2 线性加载描述
• 5.4.3 旋转加载描述
• 5.5 模型参数的确定
• 5.6 模型的初步验证
• 5.6.1 往返直线型试验
• 5.6.2 十字型加载试验
• 5.6.3 单调旋转型试验
• 5.6.4 往返旋转型试验
• 5.6.5 椭圆形加载试验
• 5.7 小结
• 第6章 接触面三维本构模型的数值实现与应用
• 6.1 工程概况
• 6.2 有限元分析模型
• 6.2.1 施工顺序
• 6.2.2 网格
• 6.2.3 材料本构模型及参数
• 6.3 计算结果及分析
• 6.3.1 坝体的应力变形特性
• 6.3.2 面板的应力变形特性
• 6.4 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