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土中剪切带扩展机理研究和扩展过程模拟

喻葭临  
【摘要】: 土中剪切带萌生和扩展问题一直是岩土工程领域的研究热点和难点之一,并取得了大量的成果。但目前对已有剪切带扩展机理的研究较少,对剪切带等应变局部化现象的模拟也不十分理想。本文在前人研究成果的基础上,从土中剪切带扩展模型试验、扩展机理分析、数值实现到初步应用,探索了一条模拟和追踪土中剪切带扩展过程的合理途径。论文的主要新成果有: (1)初步探讨了人工制备结构性土中已有剪切带扩展的模型试验方法,自行研制了剪切带扩展模型试验装置,进行了多组模型试验。试验结果和对比分析表明,已有剪切带上的抗剪能力不足以提供实际所需抗剪能力时,尖端附近区域将存在应力集中和重分布,并导致尖端附近区域的应力主轴偏转现象。 (2)土中已有剪切带尖端的应力集中和重分布将表现为尖端两侧应力状态的差异性和不连续性,使得剪切带的进一步扩展具有区域选择性。提出了一种新的更一般的区域控制剪切带扩展分析方法,该方法较全面地考虑了尖端应力集中和重分布对扩展过程和方向的影响,并可结合传统强度理论合理地解释尖端附近区域的应力主轴偏转机理。 (3)提出了一种扩展有限元法(XFEM)中非连续区域的简易积分方法,保障了XFEM对于非线性材料本构的兼容性。构建了基于XFEM的界面接触算法,该算法合理地反映了摩擦接触的耗散机制,从而避免了零能耗散现象。改进后的扩展有限元法具备了描述土中剪切带等运动的不连续位移场的能力。 (4)通过构造适当的算法和判据,将区域控制扩展分析方法集成到改进的XFEM程序中构建了追踪土中剪切带扩展过程的扩展有限元模拟系统,对土中剪切带扩展模型试验进行了模拟并取得了合理的结果。 (5)应用此模拟系统对多个边值问题进行了模拟研究,取得了合理的结果,特别是较好地揭示了Carsington堤坝的失稳机理。这表明本文对土中剪切带扩展机理的分析是合理的,所提出的区域控制扩展分析方法实用可行。


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