砂土的剪胀性及本构模型的研究

论文摘要

剪胀性和压硬性是岩土材料的基本特性,这是由岩土材料的颗粒性以及颗粒间摩擦性决定的。一个较成功的本构模型应当能够正确的反映剪胀性和压硬性这两个基本特性。对于压硬性的认识和利用已经比较成熟,而剪胀性由于其影响因素比较多,过程比较复杂,要恰当的描述剪胀性还要做许多工作。本文首先对剪胀机理进行研究,提出了一种能描述砂土剪胀剪缩特性的简单的微观模型,同时在已有试验结果基础上定义了相变线,并提出了以相变状态为参考的状态参量和剪胀指标;接着,将剪胀指标引入到剑桥模型中,建立了基于剑桥模型的剪胀性砂土本构模型,另外结合热力学理论和边界面理论,并引入本文提出的剪胀指标和状态参量分别建立了基于热力学的剪胀性砂土本构模型和剪胀性砂土的边界面模型;最后,通过试验验证了本文建立的剪胀性砂土的边界面模型。通过引入本文提出的以相变线为参考的状态参量和剪胀指标来描述剪胀性砂土的变形特性是本论文最显著的特点。本文的主要研究结果如下:①利用本文提出的微观模型并与已有的变形机制相结合,解释了砂土的一系列变形特性:松砂只发生剪缩,而密砂则先剪缩后剪胀;对于剪胀性砂土,初始孔隙比越小(或者说越密实),峰值应力比越高,而相变应力比越低;同时也可以解释卸载体缩、相变状态以及临界状态,等等。与已有的以临界状态为参考的状态参数相比,本文提出的以相变状态为参考的状态参量和剪胀指标能够反映初始孔隙比对砂土变形过程中所处状态的影响,更适合描述剪胀性砂土的剪胀剪缩特性。②以传统弹塑性理论为基础的剑桥模型简单实用,但不能恰当的描述剪胀性材料的变形特性。本文通过在剑桥模型的塑性势函数中引入以相变线为参考的剪胀指标,建立了一个基于剑桥模型的弹塑性本构模型,该模型能够较好的反应密实砂土先剪缩后剪胀的变形特性,并且对于松砂该模型能很自然的退化为剑桥模型。③热力学理论能够从本质上解释传统弹塑性力学无法解释的一些岩土材料的变形特性,并使得传统弹塑性模型中的关联和非关联流动法则得到统一的描述。本文将热力学理论引入到本构模型中,同时针对密实砂土先剪缩后剪胀的变形特性,将本文所提出的剪胀指标引入到耗散空间的屈服函数中,建立了一个基于热力学的砂土本构模型,该模型的一个显著特点是能够很自然的运用非关联流动法则,而且能够描述密实砂土先剪缩后剪胀的变形特性,比较真实的反映砂土的变形特征。④边界面理论引入到本构模型后,使得本构模型能够描述一些经典塑性理论无法描述的土的真实特性,例如循环荷载下砂土的变形特性,但在描述密砂由剪缩到剪胀的过程中遇到困难。本文把以相变线作为参考的状态参量以及剪胀指标引入到塑性模量和剪胀函数中,建立了一个基于边界面模型的剪胀性砂土本构模型,该模型能较好的描述密砂在循环荷载作用下的剪胀剪缩特性,并且能很自然的退化为比较简单的可以描述松砂变形特点的经典的边界面模型。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 土的本构模型研究方法概述
• 1.3 土的本构模型的研究进展综述
• 1.3.1 静荷作用下土的本构模型
• 1.3.2 动荷作用下土的本构模型
• 1.3.3 基于边界面理论的弹塑性模型
• 1.3.4 应力剪胀理论研究概况
• 1.4 小结
• 1.5 本文的主要工作
• 2 砂土剪胀理论的研究与应用
• 2.1 状态参量与剪胀方程在砂土本构模型中的应用概况
• 2.1.1 状态参量
• 2.1.2 引入状态参量的剪胀方程
• 2.2 砂土剪胀机理的研究
• 2.2.1 剪胀机理研究概况
• 2.2.2 砂土变形微观模型的提出
• 2.2.3 砂土变形特性微观模型的讨论
• 2.3 临界状态线、相变状态线及状态参量
• 2.3.1 采用相变状态为参考状态的意义
• 2.3.2 临界状态线
• 2.3.3 相变状态线及状态参量
• 2.4 本章小结
• 3 基于剑桥模型的剪胀性砂土本构模型
• 3.1 弹塑性本构模型的基本理论
• 3.1.2 硬化规律
• 3.1.3 流动法则
• 3.2 修正剑桥模型的提出
• 3.2.1 剪胀指标的引入
• 3.2.2 塑性势函数的修正
• 3.2.3 硬化参量的修正
• 3.2.4 弹性体应变及弹性模量
• 3.2.5 塑性变形
• 3.2.6 模型参数分析及数值计算分析
• 3.3 本章小结
• 4 基于热力学的剪胀性砂土本构模型
• 4.1 研究背景
• 4.2 热力学本构模型研究概况
• 4.3 基于热力学原理建立本构模型的基本理论
• 4.3.1 热力学的基本定律及其推论
• 4.3.2 Zeigler正交假定
• 4.3.3 自由能函数
• 4.3.4 耗散函数、屈服函数和非关联流动
• 4.4 基于热力学原理的本构模型的建立
• 4.4.1 基本理论
• 4.4.2 剪胀指标和硬化参数
• 4.4.3 弹性体应变及弹性模量
• 4.4.4 塑性变形
• 4.4.5 模型参数标定
• 4.4.6 模型计算及分析
• 4.5 本章小结
• 5 剪胀性砂土的边界面模型
• 5.1 边界面模型的基本理论
• 5.2 边界面模型的具体描述
• 5.2.1 临界状态线、相变线、剪胀指标以及状态参数
• 5.2.2 边界面的定义
• 5.2.3 塑性偏应变增量与塑性体应变增量
• 5.2.4 映射规则及应力转折
• 5.2.5 弹性模量
• 5.2.6 塑性模量与剪胀函数
• 5.3 模型参数的标定及其对计算结果的影响分析
• 5.3.1 模型参数的标定
• 5.3.2 参数对计算结果的影响
• 5.4 本章小结
• 6 砂土试验研究及基于边界面理论的弹塑性本构模型的验证
• 6.1 试样制备
• 6.2 试验内容及各种指标
• 6.3 试验仪器及数据采集
• 6.4 试验过程
• 6.4.1 煮透水石
• 6.4.2 试样安装
• 6.4.3 试样饱和
• 6.4.4 试样固结
• 6.4.5 加载剪切
• 6.5 模型参数标定
• Γ以及临界应力比M_c'>6.5.1 临界状态线斜率λ、纵轴截距e_Γ以及临界应力比M_c
• 6.5.2 参数n和m的确定
• 1和d₂的确定'>6.5.3 参数d₁和d₂的确定
• 1的确定'>6.5.4 参数h₁的确定
• 6.5.5 其它参数的确定
• 6.6 基于边界面理论的弹塑性本构模型的验证及试验结果分析
• 6.7 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 附录 A
• Legendre转换
• 附录 B
• 热力学基本概念及其与力学概念的比较
• 作者简历
• 学位论文数据集