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各向异性软岩的渗流耦合本构模型

张向霞  
【摘要】:岩土材料的本构理论是现代土力学的基础。采用先进的数值方法分析岩土工程问题时,正确建立并合理应用岩土介质本构模型,对于提高计算精度常是关键技术之一,具有重要的意义。在岩土材料渗透特性与应力耦合作用的研究中,最关键的问题之一是岩土材料本构模型的确定。由于试验手段和理论发展的阶段所限,目前有关渗流应力耦合的本构模型尚未见系统报导。本文以岩土工程中的各向异性渗流应力耦合分析问题为工程背景,在对岩土材料本构模型的建模理论及研究现状进行分析的基础上,结合由软岩渗流应力耦合试验研究得到的成果,建立软岩材料各向异性渗流应力耦合本构模型。 本文进行的工作及取得的创新成果主要有: (1) 以修正剑桥模型为基础,采用广义塑性位势理论,通过对由体应力和剪应力引起的应变分量引入不同的分配比例系数dλ_1和dλ_2(其值可分别由等向压缩与膨胀试验曲线以及剪切试验屈服曲线确定),建立了一个适用于软岩和软弱土体的新的岩土材料弹塑性本构模型,并给出了模型的应力—应变关系式及在平面应变和轴对称条件下的刚度矩阵,以及结合一具体实例,通过对典型应力路径下采用改进后的模型和修正剑桥模型的预测结果进行比较,验证了模型的合理性。 (2) 通过引入参考柔度矩阵和相当应力状态的概念,及借助矩阵转换的数学手段,对各向异性岩土材料本构模型柔度矩阵(或刚度矩阵)的描述给出了一种新的表述方法,使可把对各向异性岩土材料的分析转换为对等效各向同性材料的分析,从而使基于岩土各向同性假设的分析方法能够方便地应用于各向异性土体。文中并采用砂的平面应变试验资料,将计算结果与试验结果进行比较,验证了方法的可行性。 (3) 根据由软岩渗流应力耦合试验得出的全应力—应变试验曲线,采用宏观维象学的方法并基于广义Hooke定律和渗流应力耦合的力学机理,通过回归分析建立了各向异性软岩渗流应力耦合本构模型,使本构模型能够直接体现软岩强化阶段渗流与应力—应变之间的耦合作用。对已有的各向异性软岩渗流应力应变试验资料,将计算结果与试验结果进行比较分析,验证了模型的合理性。


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