土与结构接触面三维静动力变形规律与本构模型研究

【摘要】： 土与结构接触面三维力学特性研究是对土与结构系统进行合理的三维化非线性分析中迫切需要解决的重点和难点问题之一。本文从研制设备入手,在材料试验、机理分析、模型建立、数值实现和工程应用等多个方面,着重对三维加载条件下接触面的静动力变形规律及其本构描述展开了较为系统而深入的探索,取得了如下的主要新成果: (1)成功研制了一台可进行三维加载的大型接触面力学特性试验机,并对其功能进行了扩展。该试验机加载能力高,可进行较大尺寸试样的接触面三维直剪和单剪试验,特别适于粗粒土与结构接触面的研究。试验机加载和测量精度高,可进行细观测量,同时还具有土的大型直剪、单剪和压缩试验功能。 (2)系统地进行了多种加载条件下粗粒土与结构接触面三维静动力特性试验,得到了系列化的试验成果。将接触面的三维加载条件划分为直线型、旋转型和组合型三种不同加载类型,分别进行了单调和往返两类剪切试验,研究了法向边界条件、加载幅值、控制方式等因素对接触面力学特性的定量影响。 (3)揭示了三维加载条件下粗粒土与结构接触面的基本静动力学规律及主要影响因素。研究发现,三维加载条件下接触面的强度受加载路径影响较小;循环加载引起接触面明显的硬化且在初始加载阶段发展较快;三维加载条件下接触面变形存在明显的非共轴现象;三维加载剪切引起的接触面法向位移可以划分成可逆性和不可逆性两部分;三维加载条件下接触面存在明显的物态演化,其对于接触面的力学特性有重要影响。 (4)提出了合理的建模思路,在变形规律分析基础上建立了一个新的接触面三维弹塑性循环本构模型。将三维加载产生的塑性变形分为线性加载分量和旋转加载分量两部分,并对旋转加载分量提出了一种有效的描述方法。模型可有效模拟多种复杂加载路径下接触面从小变形到大变形的主要三维力学特性。 (5)实现了基于新建立的接触面三维本构模型的数值计算方法并应用于边值问题分析。对面板堆石坝这一存在三维接触面问题的典型工程课题进行了三维有限元分析,验证了接触面三维本构模型数值实现的有效性和合理性。