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冻土断裂力学应力强度因子的数值模拟计算

孙卓  
【摘要】:本论文基于冻土断裂力学,有限元分析的基本理论,针对典型的实验室模型——冻土三点弯曲模型和冻土四点弯曲模型进行了数值模拟计算,主要对冻土的Ⅰ型裂纹的应力强度因子(K_Ⅰ)和Ⅱ型裂纹的应力强度因子(K_Ⅱ)进行数值计算。并且在分析实验室模型的基础上,对实际的工程问题——桩基础冻拔稳定性评价分析,进行了数值模拟计算。 在二维模型中,分别建立了冻土三点弯曲试样和四点弯曲试样的有限元分析模型。对于三点弯曲试样,考虑其对称性,建立了对称的二分之一裂纹模型。针对不同的试样尺寸以及不同的试样温度,分别进行数值计算,得到各自的应力强度因子(K_Ⅰ)与不同参数直接的关系。结果与文献中的结论相一致。对于四点弯曲试样,采用了完整的裂纹模型进行数值计算。同样分别计算了不同尺寸以及不同温度的试样,得到了各自的应力强度因子(K_Ⅱ)与不同的参数直接的关系。结果与已有文献中的结果一致。 在三维模型中,选取已有的测定冻土三点弯曲试样Ⅰ型断裂韧度K_(IC)的尺寸数据,建立对称的四分之一模型,对试样的临界应力强度因子,即断裂韧度(K_(IC)进行数值模拟计算,并将得到的有限元分析结果与实测的冻土试样的理论断裂韧度相比较。通过这一测试实例,验证了有限元数值模拟方法在求解冻土断裂韧度方面的有效性。 文中对实际的工程问题,通过分析系统的受力情况,将桩基础的冻拔问题转化成为冻土层的(Ⅰ+Ⅱ)复合型的断裂力学问题。以简化的冻土断裂力学模型为依据,建立完整的裂纹模型进行数值计算,与利用理论公式计算分析得到的结果进行了比较。说明了在解决冻土断裂力学的问题中采用有限元数值模拟技术是可行的、有效的,计算结果为建立冻土广义强度理论的进一步研究提供了理论依据。并将对桩基稳定性评价的断裂力学方法与传统的方法进行比较,说明断裂力学方法是传统方法的补充和发展。


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