收藏本站
《华中科技大学》 2007年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

黏土本构建模理论与试验研究

周葆春  
【摘要】: 土体是一类地质材料,它包含大量的空隙,因此在较低的压力下土体塑性体积变形就可以发生。根据岩土塑性体应变与塑性剪应变的相互作用原理,土体塑性体应变的出现将引发塑性体应变与塑性剪应变之间的相互作用,从而导致土体复杂的变形性状。然而,在金属中,塑性体应变近似为零,故不存在这种相互作用;因此,金属的塑性变形是一个纯粹剪切变形过程。传统的土体本构建模方法来源于金属塑性势理论,本构建模的基本途径是寻找塑性势的解析表达式。显然,如上所述,金属塑性变形是一个纯粹剪切变形,容易找到塑性势的解析表达式,而对土体这是非常困难的。 基于反问题理论,反其道行之,在一定的理论框架内,直接从试验结果提取本构规律。这样一来,所获得的本构模型能够准确地反映出土体基本的力学响应特征。另外,借助于计算机,这种数值本构建模也容易实现。 本文在进行了大量黏土力学性质试验的基础上,将岩土本构关系的数值建模方法拓展到黏性土领域,在弹塑性理论的框架内,探讨黏土本构建模、本构关系和强度特性问题,主要包括3方面的工作:黏土本构关系的数值建模研究,应力历史与应力路径对黏土本构关系与强度特性的影响研究,黏土经典本构模型的参数研究与模型评价,取得了以下主要成果: (1)将岩土本构关系的数值建模方法拓展到黏性土领域,进行了增p排水剪切、等p排水剪切、常规三轴不排水剪切和减p排水剪切应力路径下正常固结土的三轴压缩试验,建立了这4种应力路径下黏土的弹塑性本构模型,给出了整个应力场中的应力应变关系,通过可视化显示为应力场中的空间应变曲面。特别是建立了减p路径和不排水条件下黏土的弹塑性本构模型,为土体挖方工程和不排水条件下的相应土体工程提供了符合实际的本构模型。通过应力应变关系可视化和数值模拟,表明数值建模方法能够比较全面地描述不同应力路径下的土体变形特征。此外,从模型的理论基础、基本框架和预测结果等方面将数值建模方法与传统方法进行对比,显示出数值建模方法优越于传统建模方法。 (2)对比4种应力路径下正常固结土的变形结果发现,无论在应力范围、应变峰值、应变曲面的形状和体积屈服轨迹的变化趋势上都存在显著差别,而剪切屈服轨迹相似,这些差别都是由应力路径相关性造成的。同时说明,土体本构关系中应力路径相关性不可忽视;而数值建模方法是描述土体应力路径相关性的有效方法。 (3)由不同应力路径下正常固结土的剪切与体积屈服轨迹的对比,表明应力路径对黏土应变硬化的演变过程有显著影响;同时说明,在土体弹塑性本构模型的传统建模方法中,通过假设屈服面的固定形式来描述土体应力应变关系是不准确的。 (4)基于正常固结土和超固结土的三轴压缩试验,根据塑性体应变与塑性剪应变的相互作用原理阐明,土体变形过程中,塑性体应变的变化控制了剪切抗力的升降,从而决定了土体应力应变关系曲线的类型;临界状态实际上是一个纯粹剪切变形过程,其中不发生塑性体应变与塑性剪应变之间的相互作用,压硬性、剪胀性、应力路径相关性统统消失,因此它与以前所经历的应力历史无关。 (5)基于不同应力路径下黏土的三轴压缩试验,根据塑性体应变与塑性剪应变的相互作用原理证明,土体塑性变形过程与应力路径相关和这种相关性是塑性体应变与塑性剪应变相互作用的综合表现,旋转硬化实际上是应力路径相关性在屈服面上的反映。 (6)为探讨应力路径对黏土有效抗剪强度参数的影响,在确保试样的初始状态、应力历史、排水条件、加荷速率、试验仪器、破坏取值标准均一致的前提下,进行了不同应力路径下同种重塑黏土的排水剪切三轴压缩试验,试验结果证实不同应力路径下重塑黏土有效抗剪强度参数有较大差异,并对此进行了定性分析。 (7)针对Duncan E-μ模型基于轴向应变与侧向应变关系为双曲线关系假设,而实际试验曲线常常偏离理想的双曲线关系,造成泊松比参数拟合的困难,提出利用通过应力水平为70 %与95 %对应点的直线拟合轴向应变与侧向应变之间关系,从而确定泊松比参数的改进方法,通过数值模拟体现出该方法与试验结果有更好的一致性。 (8)为解决《土工试验规程》建议的K-G模型未考虑土体剪缩性的问题,建议了一个3模量7参数K-G-D模型,给出了完整的应力应变关系式,该模型并未在规程模型的基础上增加试验工作,概念清晰、形式简单、便于实际应用;通过试验和数值模拟验证了模型的合理性与有效性,并对模型的适用范围进行了探讨。 (9)为解决修正剑桥模型应用中正常固结线与临界状态线拟合出的对数硬化模量不一致问题,基于修正剑桥模型的基本框架,从正常固结线与临界状态线的概念出发,推导出对数硬化模量与平均正应力之间的关系表达式,从而将两者统一起来,并通过数值模拟体现出该方法的合理性与有效性。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TU43

【引证文献】
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 刘辉;基于LS-DYNA的旱地旋耕刀工作机理研究[D];西南大学;2012年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 潘小青,潘琳,罗嗣海;应力路径对正常固结饱和粘土 φCU 的影响[J];大坝观测与土工测试;1997年04期
2 王靖涛;;论岩土塑性体应变与剪应变的相互作用原理[J];中国工程科学;2006年09期
3 王靖涛;;非饱和土的塑性体应变与剪应变的相互作用原理[J];中国工程科学;2007年11期
4 刘熙媛,闫澍旺,窦远明,顾杰;基坑开挖卸荷对土体抗剪强度指标的影响[J];河北工业大学学报;2004年04期
5 何世秀,余益贤,吴刚刚;应力路径对抗剪强度指标影响的试验研究[J];湖北工学院学报;2004年01期
6 杨林德;张向霞;;岩土本构模型研究的回顾和讨论[J];河北建筑科技学院学报;2005年04期
7 曾静,王靖涛;饱和粘土本构关系的神经网络模型[J];华中科技大学学报(自然科学版);2002年03期
8 常银生,王旭东,宰金珉,徐建龙;粘性土应力路径试验[J];南京工业大学学报(自然科学版);2005年05期
9 宋磊,温庆博;基坑支护结构上的水土压力试验及计算[J];清华大学学报(自然科学版);2003年11期
10 魏汝龍;;正常压密粘土的塑性势[J];水利学报;1964年06期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 张吉园,张志勇,邢仲星;多模型Biot固结有限元分析[J];四川建筑科学研究;2000年01期
2 罗嗣海,黄松华,胡火旺;部分排水剪切时土的抗剪强度[J];四川建筑科学研究;2000年04期
3 郑颐,程才渊;新型耗能体系在抗震结构中的应用[J];四川建筑科学研究;2001年03期
4 张凡,曹振,黄羽中;桩桥墩下土钉支护的土钉内力有限元分析[J];四川建筑科学研究;2003年03期
5 周亦唐,钟国强,俞进,赵惠敏,葛晓旭;塑料土工格栅加筋土结构的振动台试验研究[J];四川建筑科学研究;2004年02期
6 马明江;某泵站边坡土质特性研究[J];四川建筑科学研究;2005年03期
7 王皆伟,王汝恒;土动力本构模型初探[J];四川建筑科学研究;2005年05期
8 周斌;张可能;许晶菁;阮永芬;;稳定渗流时基坑侧向水土压力计算[J];四川建筑科学研究;2007年01期
9 李辉;曾月进;曾明顺;姜建华;杨彩虹;裴寒蕊;;土的弹塑性与先期固结压力的试验研究[J];四川建筑科学研究;2008年03期
10 聂重军;雷鸣;夏力农;;预应力混凝土管桩挤土效应理论分析[J];四川建筑科学研究;2009年02期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 梁冰;金佳旭;张春梅;;浑水入渗对尾矿坝孔隙压力分布的影响分析[A];渗流力学与工程的创新与实践——第十一届全国渗流力学学术大会论文集[C];2011年
2 丁德民;马凤山;张亚民;王杰;郭捷;;高层建筑物荷载与地下水开采叠加作用下的地面沉降特征[A];中国科学院地质与地球物理研究所第11届(2011年度)学术年会论文集(中)[C];2012年
3 杨永涛;张建海;王慧娟;徐元金;张志雄;项庆伟;;隘口沥青心墙坝坝基溶洞处理措施研究[A];2011四川省水文、工程、环境地质学术交流会论文集[C];2011年
4 谢欣;张家生;刘聪聪;;尾矿料的力学性试验研究[A];第四届全国尾矿库安全运行技术高峰论坛论文集[C];2011年
5 邓安福;李端文;曾祥勇;周常春;;土的本构模型的应用与分析[A];第十届全国结构工程学术会议论文集第Ⅱ卷[C];2001年
6 张明义;周伟;;静压桩贯入地基的模拟计算[A];第十一届全国结构工程学术会议论文集第Ⅱ卷[C];2002年
7 黄小兰;刘建军;杨春和;何翔;;考虑泥岩软化特性的油藏渗流场与地应力场耦合分析[A];第九届全国渗流力学学术讨论会论文集(一)[C];2007年
8 武科;范庆来;王志云;;ABAQUS用户子程序在分析大型海洋结构物地基承载力特性中的应用[A];第三届中国CAE工程分析技术年会论文集[C];2007年
9 程展林;吴良平;丁红顺;;粗粒土组构之颗粒运动研究[A];第九届全国岩土力学数值分析与解析方法讨论会特邀报告[C];2007年
10 杨光华;;地基沉降计算的新方法[A];第九届全国岩土力学数值分析与解析方法讨论会特邀报告[C];2007年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 杨敬源;井壁稳定性若干力学问题的研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
2 王猛;煤矿深部开采巷道围岩变形破坏特征试验研究及其控制技术[D];辽宁工程技术大学;2010年
3 刘浜葭;冻融和渗流耦合作用下风积土路基结构性演变规律的研究[D];辽宁工程技术大学;2009年
4 胡光海;东海陆坡海底滑坡识别及致滑因素影响研究[D];中国海洋大学;2010年
5 柳飞;模型试验中地基材料粒径与基础尺寸效应研究[D];中国海洋大学;2010年
6 王德广;金属粉末高致密化成形及其数值模拟研究[D];合肥工业大学;2010年
7 徐玉胜;大能量强夯置换法处理深圳地区软土地基的应用研究[D];中国铁道科学研究院;2009年
8 江辉煌;砂井处理超软地基的固结计算[D];中国铁道科学研究院;2009年
9 孙书伟;微型桩结构加固边坡受力机制和设计计算理论研究[D];中国铁道科学研究院;2009年
10 刘灿;横向预应力混凝土梁的抗剪性能及预应力损失研究[D];华南理工大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 刘根保;基于邓肯—张模型的垃圾土强度特性及边坡稳定性研究[D];南昌航空大学;2010年
2 何寿迎;黄岛LPG地下储库稳定性分析及支护设计优化[D];山东科技大学;2010年
3 李静涛;煤矿开采岩层与地表变形数值模拟分析[D];山东科技大学;2010年
4 冯银银;隧道围岩应力与位移数值模拟与分析[D];山东科技大学;2010年
5 赵通阳;基于ABAQUS的混凝土面板堆石坝三维应力应变分析[D];郑州大学;2010年
6 李亚帮;膨胀性充填裂隙水力特性实验研究[D];郑州大学;2010年
7 胡志超;箱型钢筋混凝土倒虹吸非线性有限元分析[D];郑州大学;2010年
8 王士革;填方路基下长短桩复合地基沉降特性研究[D];郑州大学;2010年
9 滕彦磊;塑性混凝土防渗墙应力变形有限元分析[D];郑州大学;2010年
10 秦道天;耐特龙柔性生态围堤变形与稳定性能研究[D];郑州大学;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 陆怀民;切土部件与土壤相互作用的粘弹塑性有限元分析[J];土木工程学报;2002年06期
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 程涛;粘土的数值建模与固结问题研究[D];华中科技大学;2006年
2 文立阁;灭茬刀辊仿生减阻研究[D];吉林大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前3条
1 李良晶;基于SPH法的板结土壤深耕技术研究[D];浙江工业大学;2010年
2 陈永继;甘蔗—土壤系统仿真模型的研究[D];广西大学;2008年
3 周明;基于有限元法的螺旋型旋耕刀辊横刀工作机理研究[D];华中农业大学;2009年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 潘小青,潘琳,罗嗣海;应力路径对正常固结饱和粘土 φCU 的影响[J];大坝观测与土工测试;1997年04期
2 袁聚云,王新波,董建国,杨熙章;K_0固结条件对上海粘性土强度和变形的影响[J];大坝观测与土工测试;1999年04期
3 施斌;粘性土微观结构研究回顾与展望[J];工程地质学报;1996年01期
4 王靖涛;;论岩土塑性体应变与剪应变的相互作用原理[J];中国工程科学;2006年09期
5 陆培炎;土力学中的弹塑性问题[J];广东水电科技;1983年01期
6 沈珠江;软土地基固结变形的弹塑性分析[J];中国科学(A辑 数学 物理学 天文学 技术科学);1985年11期
7 俞茂鋐 ,何丽南 ,宋凌宇;双剪应力强度理论及其推广[J];中国科学(A辑 数学 物理学 天文学 技术科学);1985年12期
8 王英;土体卸载与加载的差异性[J];佳木斯大学学报(自然科学版);2001年01期
9 程玉梅;卸载粘性土体膨胀程度与抗剪强度的关系[J];青岛建筑工程学院学报;2001年03期
10 黄文熙;土的弹塑性应力──应变模型理论[J];清华大学学报(自然科学版);1979年01期
中国重要会议论文全文数据库 前1条
1 高莲士;宋文晶;;非线性解耦K-G模型及其特点[A];土石坝与岩土力学技术研讨会论文集[C];2001年
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 任青阳;膨胀土和砂土弹塑性本构关系数值建模研究[D];华中科技大学;2005年
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 罗汀;高智伟;万征;姚仰平;;土剪胀性的应力路径相关规律及其模拟[J];力学学报;2010年01期
2 李连志;王佳;;浅谈土的变形特性[J];黑龙江交通科技;2010年04期
3 周葆春;王靖涛;卫军;;应力路径对重塑粘土本构关系影响的试验研究[J];重庆建筑大学学报;2006年06期
4 钱坤;尹新生;;几种不同地基沉降量计算方法的分析[J];山西建筑;2005年24期
5 陈兰;;粘土的各向异性研究[J];森林工程;2007年04期
6 路德春;姚仰平;;黏土的应力路径本构模型[J];岩土力学;2007年04期
7 刘之葵,黄志芳;略论深基坑土体c、φ值的某些影响因素[J];广西地质;2000年02期
8 曾静;王靖涛;;土的本构关系的数值建模方法[J];岩石力学与工程学报;2002年S2期
9 程涛;王靖涛;晏克勤;;基于数值建模方法的弹塑性固结问题解耦研究[J];岩土力学;2007年03期
10 张嘎;张建民;;粗粒土与结构接触面三维本构关系及数值模型[J];岩土力学;2007年02期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 方岱宁;;压电与铁电材料的本构关系研究进展[A];材料科学与工程技术——中国科协第三届青年学术年会论文集[C];1998年
2 江见鲸;贺小岗;;混凝土本构关系的现状与展望[A];第二届全国结构工程学术会议论文集(上)[C];1993年
3 杨锡武;欧阳仲春;;不同筋材的加筋土的本构关系研究[A];第九届全国结构工程学术会议论文集第Ⅲ卷[C];2000年
4 何伟;张若京;;纤维增强粘弹性复合材料的本构关系[A];钱学森技术科学思想与力学论文集[C];2001年
5 王嵩;卢子兴;;聚氨酯复合泡沫塑料的经验型压缩本构关系[A];北京力学会第11届学术年会论文摘要集[C];2005年
6 阴可;张永兴;;拉剪条件下节理岩体的应力和变形[A];新世纪岩石力学与工程的开拓和发展——中国岩石力学与工程学会第六次学术大会论文集[C];2000年
7 李术才;朱维申;李树忱;王书法;邱祥波;;三维断裂损伤模型在某地下厂房围岩稳定性分析中的应用[A];新世纪岩石力学与工程的开拓和发展——中国岩石力学与工程学会第六次学术大会论文集[C];2000年
8 董毓利;樊承谋;潘景龙;;钢纤维砼本构关系的研究[A];纤维水泥与纤维混凝土全国第四届学术会议论文集(一)[C];1992年
9 栾广博;王水林;那景新;;橡胶材料本构关系的矩阵展开[A];庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会’2007论文摘要集(下)[C];2007年
10 陈明;;一种考虑材料非线性的计算方法[A];第二届全国结构工程学术会议论文集(上)[C];1993年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 记者 康维海;青海厅保障玉树重建用砂石黏土需求[N];中国国土资源报;2010年
2 记者 张大鹏 通讯员 江凰翠;六安关停黏土砖瓦企业[N];安徽日报;2009年
3 王宇;院企合作开发无黏土生产瓷砖技术获成功[N];中国建材报;2009年
4 记者 李欣瑶;我省与江苏共同探讨凹凸棒黏土应用与发展[N];甘肃日报;2010年
5 本报记者 刘晓星;环境敏感区禁建黏土企业[N];中国环境报;2010年
6 特约记者 林争斌;辽河油田结束特种黏土稳定剂外购历史[N];中国石油报;2009年
7 主讲人 葛昌纯 整理 嘉星一族;先进陶瓷改变生活[N];北京科技报;2009年
8 驻江苏记者杜小卫 特约记者徐黎峰;江苏无锡连续两年黏土实心砖“零”产量[N];中国建材报;2011年
9 孙彬;“万土之王”期待高效综合开发[N];中国国土资源报;2009年
10 邓丽萍 刘春平;江苏淮安上调非黏土实心砖抗压强度等级标准[N];中国建材报;2010年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 周葆春;黏土本构建模理论与试验研究[D];华中科技大学;2007年
2 程涛;粘土的数值建模与固结问题研究[D];华中科技大学;2006年
3 张远高;钢筋混凝土结构的本构关系及有限元模式[D];清华大学;1990年
4 任青阳;膨胀土和砂土弹塑性本构关系数值建模研究[D];华中科技大学;2005年
5 吕炜;铁电材料与形状记忆合金的宏细观本构研究[D];清华大学;1998年
6 仲政;多晶滑错体的细观变形过程与本构关系[D];清华大学;1990年
7 刘海松;考虑沉积环境和应力历史的黄土力学特性研究[D];长安大学;2008年
8 侯日立;高温高压环境下金属材料的本构关系研究[D];武汉理工大学;2010年
9 由广明;岩土弹塑性通用数值平台及其应用研究[D];同济大学;2007年
10 金泉林;金属细晶超塑本构方程及应用[D];清华大学;1991年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 张如林;模拟大坝实际应力路径下堆石料本构关系研究[D];大连理工大学;2008年
2 罗承昌;等主应力比路径砂土的弹塑性本构方程[D];华中科技大学;2006年
3 陈晓琳;K_0固结-CTC路径下砂土弹塑性本构模型[D];华中科技大学;2005年
4 王欣;多年冻土地区钻孔灌注桩竖向承载力研究[D];东北林业大学;2005年
5 陈建英;响应面有限元法在既有混凝土桥梁可靠度分析中的应用[D];长沙理工大学;2005年
6 王旭;高压压实砂型回弹的研究及其机理的探讨[D];沈阳工业大学;2006年
7 丁学忠;形状记忆合金的三维本构模型[D];哈尔滨工程大学;2006年
8 田栋仍;钢筋(劲性)混凝土低剪力墙承载力计算分析[D];西南交通大学;2007年
9 杨明;钢管约束下核心轻集料混凝土基本力学性能研究[D];河海大学;2006年
10 刘霞;基于ANSYS的钢筋混凝土简支梁桥极限承载力分析研究[D];河北工业大学;2006年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026