结构性黄土的扰动状态本构模型研究及应用

论文摘要

随着西部大开发战略的逐步推进和深入开展，西北地区的各项建设工程已全面展开，工程项目也越来越朝着大规模、超规范以及复杂工况的方向发展，对土体的力学模型及计算方法的精度和可靠性的要求也越来越高，因此开展黄土的力学特性及其本构关系的研究，具有非常重要的理论价值与实践意义。在总结和汲取国内外研究成果的基础上，通过细致的试验研究、严谨的理论推导以及合理的数值分析等工作，取得了一些具有理论价值和实际意义的成果。一、针对黄土颗粒的联结和排列特点，进行了揭示黄土结构性及其扰动函数演化规律的系列室内试验研究。针对黄土的大孔隙、架空结构、镶嵌结构及颗粒接触点胶结物均是易溶解盐物质等特点，通过侧限压缩试验对五种不同含水量下原状黄土和重塑黄土的压缩性能、压缩回弹性能及回弹再压缩性能分别进行了研究，深入探讨了含水量对黄土颗粒的联结特征及排列特征的影响及黄土结构的扰动状态特征。并通过三轴剪切试验，对原状黄土和重塑黄土在四种围压和五种含水量下应力应变关系、体变与应变关系及抗剪强度指标等进行了研究，探讨了围压和含水量对黄土结构性、强度和变形的影响，为深入研究一维应力状态和三维应力状态下扰动因子的演化规律、含水量与围压对扰动函数参数的影响规律、构建结构性黄土的扰动状态本构模型及细观数值模拟试验提供了试验依据。二、进行了揭示黄土的结构性特征和扰动状态特征的细观数值模拟试验研究。基于颗粒流方法对黄土的结构性进行了细观数值模拟试验，分别设置三种不同颗粒间的初始法向接触刚度、初始切向接触刚度、摩擦系数及孔隙率等细观参数，探讨了黄土颗粒的联结特征和排列特征对强度和变形的影响，建立了细观颗粒接触、摩擦、联结、排列与宏观试验结果之间的联系，进一步揭示了黄土的结构性及其扰动状态的内在演化机理，为在宏观力学角度下构建扰动状态本构模型提供了依据。三、提出了一种推求原状黄土先期固结压力的新方法，进一步分析了含水量对结构屈服压力、先期固结压力和结构强度的影响。针对室内压缩试验与原位压缩试验的差异，基于取样扰动影响的考虑，通过消除结构强度的影响，采用重塑土压缩曲线还原原状土压缩曲线的思路，通过原状土在四种不同荷载下回弹再压缩性能的分析，提出了一种推求原状黄土的先期固结压力的新方法，为正确判定土层固结状态提供了一种新思路。利用Matlab软件编制程序实现了卡萨格兰德方法，进一步分析了含水量对结构屈服压力、先期固结压力及结构强度的影响规律。四、以孔隙比为参变量定义扰动函数，构建了一维扰动状态压缩模型。基于扰动状态理论，结合结构性对黄土压缩特性的影响，定义了以孔隙比为参变量的扰动函数，研究了扰动函数的演化规律，分析了含水量对扰动函数参数值的影响，构建了一种能够反映含水量对结构性黄土压缩特性影响的一维扰动状态压缩模型，并对模型进行了验证。五、提出了以割线模量为参变量的单参数扰动函数及以体积模量与剪切模量为参变量的双参数扰动函数，构建了三维应力状态下黄土的扰动状态本构模型。基于扰动状态理论，结合原状黄土和重塑黄土的应力应变关系特点，分别提出了以割线模量为参变量的单参数扰动函数及以体积模量与剪切模量为参变量的双参数扰动函数，并对单参数扰动函数和双参数扰动函数的演化规律进行了深入的研究，探讨了含水量和围压对扰动函数各参数的影响。基于双参数扰动函数演化规律的研究，分别选用弹性理论和临界状态理论描述相对完整状态和完全调整状态的本构关系，构建了黄土的扰动状态本构模型，该模型在特定条件下可以退化为修正剑桥模型。六、基于ABAQUS软件的二次开发功能，实现了结构性黄土的扰动状态本构模型子程序开发，并对模型的可行性和合理性进行了试验验证和算例验证。基于ABAQUS软件的二次开发平台，实现了结构性黄土扰动状态本构模型子程序开发,并通过试验验证了模型开发的有效性和可行性。通过黄土地区群桩基础模型试验的数值模拟，将本文模型与修正剑桥模型的计算结果进行了对比分析，证明了结构性黄土扰动状态本构模型的合理性和优越性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 论文研究背景和意义
• 1.2 土的结构性及本构模型的研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 黄土的结构性及本构模型的研究现状
• 1.3.1 基于细观形态学理论的黄土结构性研究
• 1.3.2 基于固体力学理论的黄土结构性研究
• 1.3.3 基于土力学理论的黄土结构性研究
• 1.4 本文的研究内容及主要技术路线
• 1.4.1 本文的研究内容
• 1.4.2 本文主要技术路线
• 1.5 论文的主要创新之处
• 参考文献
• 第二章 黄土的结构性力学特性的试验研究
• 2.1 前言
• 2.2 黄土的物理力学性质
• 2.2.1 试样的来源及基本性质
• 2.2.2 颗粒分析试验
• 2.3 黄土的结构性力学特性试验研究
• 2.3.1 试验设计
• 2.3.2 试样制备
• 2.3.3 试验设备
• 2.3.4 试验步骤
• 2.4 试验成果及分析
• 2.4.1 压缩试验成果及分析
• 2.4.2 三轴剪切试验结果及分析
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 结构性黄土力学特性的细观数值模拟试验研究
• 3.1 引言
• 3.2 颗粒流方法的基本理论
• 3.3 颗粒流方法的特点及解题途径
• 3.3.1 颗粒流方法的特点
• 3.3.2 颗粒流方法的解题途径
• 3.4 结构性黄土力学特性的细观数值模拟
• 3.4.1 黄土颗粒的接触本构模型
• 3.4.2 细观试验模型参数的确定
• 3.4.3 双轴试验模型的建立
• 3.4.4 模拟数据的记录
• 3.4.5 模拟结果分析
• 3.5 联结特征对结构性黄土强度和变形的影响
• 3.5.1 颗粒切向接触刚度对强度和变形的影响
• 3.5.2 颗粒法向接触刚度对强度和变形的影响
• 3.5.3 摩擦系数对强度和变形的影响
• 3.6 排列特征对结构性黄土强度和变形的影响
• 3.7 本章小结
• 参考文献
• 第四章 结构性黄土的压缩特性及一维扰动状态压缩模型研究
• 4.1 引言
• 4.2 结构屈服压力和先期固结压力的确定方法
• 4.3 结构性黄土的先期固结压力的确定
• 4.4 含水量对结构屈服压力的影响
• 4.5 含水量对先期固结压力的影响
• 4.6 含水量对结构强度的影响
• 4.7 结构性黄土的一维扰动状态压缩模型
• 4.7.1 结构性黄土的扰动状态压缩模型的建立
• 4.7.2 扰动函数的演化规律研究
• 4.7.3 模型验证
• 4.8 本章小结
• 参考文献
• 第五章 结构性黄土的扰动状态本构模型
• 5.1 引言
• 5.2 扰动状态理论
• 5.2.1 扰动状态理论的基本原理
• 5.2.2 扰动状态理论与其他理论的比较
• 5.3 结构性黄土的扰动状态本构模型
• 5.3.1 基本假定
• 5.3.2 相对完整状态本构模型
• 5.3.3 完全调整状态本构模型
• 5.3.4 单参数扰动函数及其演化规律研究
• 5.3.5 双参数扰动函数及其演化规律研究
• 5.3.6 扰动状态本构模型的建立
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 结构性黄土的扰动状态本构模型的应用
• 6.1 引言
• 6.2 黄土的扰动状态本构模型在 ABAQUS 软件中的实现
• 6.3 试验验证
• 6.4 算例验证
• 6.4.1 黄土地区大直径超长群桩基础室内模型试验
• 6.4.2 计算模型
• 6.5 本章小结
• 参考文献
• 第七章 结论
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 附录