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《大连理工大学》 2008年
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无粘性土亚塑性本构模型研究

熊保林  
【摘要】: 基于亚塑性理论研究了无粘性土的力学特性。在对亚塑性理论最新研究成果及最新进展进行总结评述的基础上,介绍了亚塑性理论的基本原理,同时对两类亚塑性模型——Wu-Bauer亚塑性模型和Gudehus-Bauer亚塑性模型进行了深入研究。重点研究了Gudehus-Bauer亚塑性模型在复杂应力状况下的模拟情况以及所作的改进工作。具体研究工作如下: (1)介绍了亚塑性理论的基本概念,探讨了亚塑性模型和传统弹塑性模型的不同点,研究了亚塑性理论的分类,分析了亚塑性本构理论从无粘性土到粘性土演化进程。归纳了亚塑性理论在剪切带、砂土液化、地基承载力确定方面的应用情况,提出了亚塑性理论有待进一步研究的如干问题。 (2)介绍了Wu-Bauer亚塑性模型和Gudehus-Bauer亚塑性模型本构参数的实验确定方法。探讨了Wu-Bauer亚塑性模型参数确定方法存在的问题。根据单形调优法,对模型参数确定方法进行了改进,并通过三轴固结排水实验、侧限压缩实验和加卸载实验进行了验证。分析表明,该方法可有效确定模型参数。同时分析了Wu-Bauer亚塑性模型的优点和不足之处。 (3)无粘性土的应力-应变关系可以用Gudehus-Bauer亚塑性本构模型来模拟,该模型强调应力增量的大小和方向不仅与当前应力状态有关,而且还取决于当前应变增量的大小和方向。为分析其与传统弹塑性理论的不同之处,对Gudehus-Bauer理论的线性项和非线性项进行了研究。并对不同初始孔隙比下Gudehus-Bauer亚塑性模型的应力-应变关系进行了探讨。结果表明Gudehus-Bauer亚塑性模型不用把应变分为弹性和塑性部分就能考虑不可逆变形,并能体现密砂的剪胀特性和应变软化特性以及松砂的剪缩特性和应变硬化特性。Gudehus-Bauer亚塑性模型还能够考虑一些砂土的应力路径和应变路径的影响。 (4)借助于Gudehus提出的响应包络线理论,对Gudehus-Bauer亚塑性模型不能考虑中主应力影响进行了分析。针对不能考虑中主应力这一缺点,提出了三种简单的改进方法,其中前两种是在Duncan-Zhang模型考虑中主应力影响的修正方法的基础上提出的,后一种是在模型的非线性项乘以一个考虑中主应力的因子进行改进。这三种改进都增加了土的强度,改变了土的变形。同时将改进后的模型与中主应力参数为常量的真三轴实验进行了比较。结果表明改进后的三种模型可以一定程度的模拟中主应力对砂土强度和变形特性的影响,能够近似预测由于中主应力影响产生的体积应变。 (5)基于非线性连续介质力学的基本原理,提出了一个考虑主应力轴旋转的改进的Gudehus-Bauer亚塑性模型。新改进的Gudehus-Bauer亚塑性模型强调应力增量的大小和方向不仅与当前主应力大小有关,而且还取决于主应力旋转增量的方向。同时通过算例把改进后模型数值模拟结果与有关实验资料作了比较,结果表明改进的Gudehus-Bauer亚塑性模型可以考虑主应力轴旋转对砂土强度和变形特性的影响。 (6)针对Gudehus-Bauer亚塑性模型不能考虑砂土的横观各向同性效应,提出了在模型中引入一个考虑横观各向同性的矩阵进行改进。改进的Gudehus-Bauer亚塑性模型以沉积方向角来区分砂的横观各向同性,以当前孔隙比来控制密实度的变化。同时用改进的Gudehus-Bauer亚塑性模型模拟计算了三轴固结排水情况下砂土的横观各向同性,并与相关实验进行了比较。结果表明改进的Gudehus-Bauer亚塑性模型能够模拟砂土的横观各向同性,能够定量区分初始孔隙比对横观各向同性砂土的强度特性和变形特性的影响。 (7)对于亚塑性模型在模拟考虑循环荷载作用产生伪造的棘轮效应,引入了考虑颗粒之间接触变形的粒间应变张量的进行改进。相比原亚塑性模型而言,改进的亚塑性模型能够反映循环荷载下砂土的力学特性,包括变形的累积效应,孔隙水压力的累积效应以及有效应力的降低等。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:TU441

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【引证文献】
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