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考虑颗粒破碎的粗粒土本构关系研究

贾宇峰  
【摘要】: 粗粒土具有压实性能好、填筑密度大、沉陷变形小、透水性强以及抗剪强度高等工程特性,广泛应用于土石坝、公路、铁路、机场、堤坝、房屋地基等建筑工程中。粗粒土在高应力水平下容易发生颗粒破碎,颗粒破碎直接改变土体结构,对土体的峰值强度、内摩擦角、剪胀性、渗透系数等工程特性均产生影响。随着高土石坝坝高的不断增加,作为主要筑坝材料的粗粒土承受的应力也越来越大,粗粒土的颗粒破碎现象则愈加显著。而传统的粗粒土本构模型并不考虑土体的颗粒破碎,已经不适合描述高应力水平下粗粒土的应力应变关系。本文在土体的能量平衡方程中引入颗粒破碎耗能,进而根据能量方程建立了考虑颗粒破碎的粗粒土本构模型。 论文根据堆石料的三轴试验成果,研究了粗粒土三轴剪切过程中的颗粒破碎规律和破碎耗能,提出了相关计算公式。并结合三轴试验,根据剪切过程中的能量平衡关系,建立了考虑颗粒破碎影响的摩擦系数公式,确定了模型参数,验证了模型的有效性。 论文研究了破碎参量的合理表达方式,并拟合试验数据,计算得到了破碎耗能与破碎参量的关系式。将破碎耗能引入剪切过程中的能量平衡方程,采用关联流动法则,推导得到了考虑颗粒破碎的屈服函数。研究确定了硬化规律,建立了本构模型。采用变异粒子群优化算法拟合试验数据,确定了模型参数。通过与试验曲线比较,认为提出的模型能够很好地反映粗粒土的应力-应变-体变关系。 粗粒土剪切特性不仅受颗粒破碎的影响,而且受其内部状态的影响。针对粗粒土的这一特点,论文建立了非相关联流动法则本构模型。采用Pender建立的等应力比屈服函数描述粗粒土的剪切屈服特性,并根据考虑颗粒破碎耗能的能量平衡方程推导流动法则。采用Chavez提出的v-p平面的临界状态线,定义当前孔隙比与当前应力对应的临界孔隙比之差作为状态参量。在Wood建立的硬化规律中引入破碎耗能参量和状态参量,描述土体的应变软化现象,建立同时考虑颗粒破碎和内部状态影响的粗粒土本构关系。 为了弥补相关联流动法则本构模型无法描述粗粒土状态依赖特性的不足,通过建立模型参数与初始状态参量之间的联系,将内部状态对剪切特性的影响引入所建立的相关联流动法则本构模型。采用Ishihara提出的临界状态线,计算初始状态参量。建立初始状态参量与破碎参量的参数关系式,以及初始状态参量与硬化规律参数的关系式,并拟合三轴试验曲线确定关系式参数。计算不同初始状态下的三轴曲线,验证模型的有效性。计算结果表明,修正后的本构模型,可以描述粗粒土在不同初始条件下的剪切特性。


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