考虑扰动影响的土体性状研究

论文摘要

随着城市化进程的加快,隧道、桩基和基坑等工程的施工日益频繁,由此带来的环境问题越来越引起人们的重视。在工程施工过程中,不可避免地会对土体产生扰动,使得土体性状不断发生变化。而室内试验测定的物理力学参数只能反映土体在特定状态下的性状,无法描述其在工程施工全过程中的动态变化。于是,本文在前人研究基础上,探讨了扰动对土体性状的影响。主要工作和研究成果如下：（1）以中国ISO标准砂和福建中级砂为试验材料,分别进行了干砂三轴压缩试验和饱和砂三轴排水剪切试验。试验结果表明：随着密实度的增加,饱和砂和干砂的应力-应变曲线斜率逐渐增大；干砂主应力差的峰值以及饱和砂主应力比的峰值也均呈增大的趋势。在试验基础上,基于扰动状态概念理论,以相对密实度为扰动参量,建立了统一扰动函数。（2）基于统一扰动函数并结合干砂的三轴压缩试验结果对Duncan-Chang模型中的参数K和（σ1-σ3）f进行修正,建立了考虑扰动影响的修正Duncan-Chang模型。在给定砂土材料参数d、g以及初始状态的Duncan-Chang模型参数的基础上,可通过本文修正模型预测任意扰动度下的砂土应力-应变关系。模型预测与试验结果对比表明：修正Duncan-Chang模型可以更好地反映扰动状态下砂土的应力-应变关系。（3）基于Lade-Duncan模型,以SMP准则构建势函数,建立了一种新的砂土弹塑性模型——SMP-Lade模型。试验资料表明：与Lade-Duncan模型相比,SMP-Lade模型的预测值更接近于试验结果。同时,新模型所需的10个参数可通过常规的三轴试验测得,利于模型应用。（4）根据统一扰动函数并结合饱和砂的三轴排水剪切试验结果对SMP-Lade模型参数K和（κf-ft）进行修正,建立了考虑扰动影响的SMP-Lade模型。算例分析表明：SMP-Lade模型无法对扰动状态下砂土性状进行准确预测,而只要给定材料参数χ、ψ以及初始状态下的SMP-Lade模型参数,采用考虑扰动影响的SMP-Lade模型可以预测任意扰动状态下的砂土强度和变形特性。因此,本文考虑扰动影响的SMP-Lade模型可在考虑施工扰动的弹塑性有限元分析中推广应用。（5）基于统一扰动函数,对已有的隧道周围土体变形计算公式进行了改进,建立了考虑扰动影响的土体变形弹性计算方法,并在ABAQUS平台上,开发了修正Duncan-Chang模型的相应UMAT子程序。该模型的数值预测结果与常规三轴试验结果具有较好的一致性。最后,将修正Duncan-Chang模型引入盾构施工的有限元分析中,并与考虑扰动影响的土体变形弹性计算结果进行了对比,结果表明：模拟结果与弹性预测值比较一致。因此,采用本文开发的修正Duncan-Chang模型对实际工程问题进行有限元模拟是可行的。（6）根据扰动状态概念理论,通过引入刚性挡土墙位移与墙后填土相对密实度之间的比例系数,将本文提出的统一扰动函数应用到土压力计算领域,以平动模式下刚性挡土墙位移作为扰动参量,建立了能反映墙后土体从静止状态到极限平衡状态（包括被动和主动极限状态）变化全过程的位移扰动函数（Ds）。并将其应用到墙后填土为无粘性土的刚性挡土墙土压力计算中,建立了能求解任意扰动状态下土压力的修正朗肯计算方法。最后,本文提出了扰动摩擦角概念及其计算公式,参照库伦土压力理论,分析了任意扰动状态下土楔的最不利受力情况,建立了求解任意扰动状态下土压力的修正库伦计算方法。通过比较,本文提出的两种土压力计算方法所预测的土压力分布以及土压力系数与模型试验实测结果及有限元模拟结果均吻合良好。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 土体扰动研究
• 1.2.1.1 扰动函数
• 1.2.1.2 施工扰动
• 1.2.1.3 土体扰动本构模型
• 1.2.2 盾构施工引起周围土体变形研究
• 1.2.2.1 理论方法
• 1.2.2.2 数值分析方法
• 1.2.3 非极限状态土压力研究
• 1.2.3.1 模型试验
• 1.2.3.2 数值分析方法
• 1.2.3.3 理论方法
• 1.3 目前存在的问题
• 1.4 本文主要工作
• 第2章 扰动度定义及确定
• 2.1 引言
• 2.2 考虑相对密实度影响的砂土三轴试验
• 2.2.1 试验目的
• 2.2.2 试验材料
• 2.2.3 试验方案
• 2.2.4 不同相对密实度下干砂三轴压缩试验
• 2.2.5 不同相对密实度下饱和砂三轴排水剪切试验
• 2.3 扰动状态概念理论
• 2.3.1 扰动状态概念及其基本原理
• 2.3.2 扰动状态概念与损伤理论区别
• 2.4 统一扰动函数
• 2.5 本章小结
• 第3章 考虑扰动影响的非线性弹性模型
• 3.1 引言
• 3.2 干砂变形与强度特性
• 3.2.1 干砂三轴压缩试验结果分析
• 3.2.2 砂土密实度对初始模量影响规律
• 3.2.3 砂土密实度对峰值强度影响规律
• 3.3 考虑扰动影响的修正Duncan-Chang模型
• 3.4 模型预测
• 3.4.1 算例1
• 3.4.2 算例2
• 3.5 本章小结
• 第4章 考虑扰动影响的弹塑性模型
• 4.1 引言
• 4.2 SMP-Lade模型
• 4.2.1 Lade-Duncan模型简介
• ij^e'>4.2.1.1 弹性应变增量dε_ij^e
• v^p'>4.2.1.2 塑性应变增量dε_v^p
• 4.2.2 SMP准则
• 4.2.3 SMP-Lade模型
• ij^e'>4.2.3.1 弹性应变增量dε_ij^e
• v^p'>4.2.3.2 塑性应变增量dε_v^p
• 4.2.4 模型验证
• 4.3 考虑扰动影响的弹塑性模型
• 4.3.1 饱和砂三轴排水剪切试验成果分析
• 4.3.2 考虑扰动影响的SMP-Lade模型
• 4.3.3 模型验证
• 4.3.3.1 算例1
• 4.3.3.2 算例2
• 4.4 本章小结
• 第5章 考虑扰动影响的盾构周围土体性状分析
• 5.1 引言
• 5.2 考虑扰动影响的土体变形弹性计算方法
• 5.2.1 计算模型及假定
• 5.2.2 考虑扰动影响的土体模量计算方法
• 5.2.3 正面附加推力引起的土体变形计算公式
• 5.2.4 摩擦力引起的土体变形计算公式
• 5.2.5 工程算例
• 5.2.5.1 算例1
• 5.2.5.2 算例2
• 5.3 考虑扰动影响的土体变形有限元计算方法
• 5.3.1 修正Ducan-Chang模型UMAT的二次开发
• 5.3.1.1 模型数学表达式
• 5.3.1.2 子程序编程概要
• 5.3.2 修正Ducan-Chang模型UMAT的算例验证
• 5.3.2.1 两种不同的应力积分算法
• 5.3.2.2 算例验证
• 5.3.3 工程算例
• 5.3.3.1 有限元解
• 5.3.3.2 有限元解与弹性解对比
• 5.4 本章小结
• 第6章 基于DSC理论的挡土墙土压力研究
• 6.1 引言
• 6.2 墙后填土位移扰动函数
• 6.2.1 相对完整状态
• 6.2.2 完全调整状态
• 6.2.3 位移扰动函数
• 6.3 基于DSC理论的修正朗肯土压力计算模型
• 6.3.1 计算公式推导
• 6.3.2 算例验证1
• 6.3.2.1 算例
• 6.3.2.2 讨论
• 6.3.3 算例验证2
• 6.3.3.1 主动情况
• 6.3.3.2 被动情况
• 6.4 基于DSC理论的修正库伦土压力计算模型
• 6.4.1 计算公式推导
• 6.4.1.1 扰动摩擦角概念
• 6.4.1.2 扰动摩擦角计算
• 6.4.1.3 基于DSC理论修正库伦土压力计算公式推导
• 6.4.2 算例
• 6.5 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 主要成果与结论
• 7.2 进一步研究的建议与展望
• 参考文献
• 作者简历
• 博士期间发表（或录用）的论文及专利
• 浙江大学岩土工程研究所历届博士学位论文目录