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岩土材料应变局部化数值模拟研究

刘继国  
【摘要】:应变局部化是一种很普遍的现象,它一般与固体介质特别是岩土材料中的塑性流动和破损有关。在室内试验中,可以清楚地观察到岩土试样在失稳过程中常常伴随着宏观剪切带的产生。现场路堤和地基的滑动破坏以及山体运动的褶皱、断层等,均可视作局部化剪切带形成的现象。从前人研究成果中可以看出,岩土材料应变局部化的数值模拟方法很多,每种方法都有自己的特点。本论文也从岩土材料应变局部化的数值模拟方面入手,对岩土材料的应变局部化及其影响因素进行全面的研究。根据上述内容,本文的主要工作及成果如下: 第一,本文从物理试验、理论分析、数值模拟三个方面回顾了国内外关于岩土材料应变局部化的研究现状。在应变局部化数值计算方面,由于岩土体变形计算问题遇到的剪切带的形成,难以离散化,致使数值计算手段的发展曾经一时跟不上这种非连续变形计算的需要。人们必须在计算技术和本构关系上进行必要的处理,才能够对应变局部化剪切带进行模拟,这样就造成了应变局部化数值模拟的困难和不便。本文运用FLAC软件采用常用的本构模型实现了对应变局部化剪切带的数值模拟。 第二,在岩土材料应变局部化数值计算过程中,作者采用了修正剑桥模型和应变软化摩尔-库仑模型。修正剑桥模型是一种弹塑性模型,在许多情况下可以较好地反映正常固结和弱超固结粘土的变形特性。应变软化摩尔-库仑模型是摩尔-库仑模型的一种特殊形式。在这个模型中,部分或所有单元的屈服参数,如粘聚力、内摩擦角、剪胀角和拉伸强度都可以修正。通过模拟结果发现,两种模型都能很好地反映岩土材料的局部化特性,可以模拟局部化剪切带的形成。 第三,FLAC在模拟大变形方面具有优势,但也有其缺陷,那就是它的前后处理功能不是很强。本文部分模型采用ANSYS+CivilFEM建模并剖分网格;部分图形在作者自编接口程序的基础上利用Tecplot软件进行后处理,生成剪切带等值线图。 第四,对土体平面应变条件下的局部化剪切带进行了数值模拟,并且对影响土体剪切带的各种因素如固结状态、端部约束、单元网格、加载模式、内外缺陷、模型厚度等进行了研究。运用经典的剪切带倾角确定方法Mohr-Coulomb方法和Roscoe方法,对剪切带倾角进行理论分析,将分析结果与本文模拟结果进行比较,模拟结果与Mohr-Coulomb理论计算结果相近。 第五,对岩石试件平面应变、轴对称单轴压缩和常规三轴压缩条件下的局部化剪


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