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非饱和土弹塑性本构模型数值实现及其在斜坡变形分析中的应用

程昊  
【摘要】:土由固体颗粒和孔隙组成,当土中孔隙被液体充满时为饱和土,而当土中孔隙未被液体充满即同时存在液体和气体时为非饱和土。自然界中,非饱和土广泛分布于地下潜水位以上的表层土体中。当发生降雨或地下水位升降等水文环境变化时,非饱和土含水量会随之发生变化,引起土饱和度的变化,进而导致土的力学特性发生改变,一方面土饱和度的增加会造成土有效应力减小导致土强度降低,另一方面土饱和度的增加会改变土的状态使其发生自身材料属性的改变例如屈服面的扩张或收缩等现象。在工程实践中斜坡变形破坏是无法回避的问题,而土质斜坡由于地形等条件的特殊性,造就了其表层大量分布非饱和土的现象。大量工程实践表明,降雨或地下水升降等水文环境变化是造成斜坡变形乃至失稳破坏的重要因素,因此研究斜坡在渗流应力耦合作用下的变形演化规律具有重要意义。目前,已有的研究渗流应力耦合作用下斜坡变形破坏规律多基于有效应力原理,而考虑饱和度变化导致的土材料属性的改变的文献较少,因此研究非饱和土的本构关系,特别是研究非饱和土材料力学属性随饱和度的变化规律即本构模型,并应用其研究斜坡变形演化规律具有重大理论意义和工程实践指导价值。而在非饱和土本构模型研究方面,研究非饱和土本构关系的文献较多,但研究非饱和土本构关系数值实现以及考虑非饱和土水力滞回效应的文献较少,因此研究考虑水力滞回效应的非饱和土本构模型数值实现方法具有更重要的基础研究意义。鉴于非饱和土应力应变关系在斜坡变形演化规律研究中的重要性,以及现有研究的不足,本文考虑饱和度对土材料属性的改变,结合非饱和土水力滞回效应,应用基于误差控制的子增量步显示积分算法对已有非饱和土扩展剑桥模型进行Abaqus有限元二次开发,编制模型Umat用户材料子程序。在此基础上基于非饱和土扩展剑桥模型对饱和度的响应原理,建立一种非饱和土扩展边界面模型,并同样应用基于误差控制的子增量步显示积分算法进行Abaqus有限元二次开发,编制了非饱和土扩展边界面模型的Umat用户材料子程序。随后应用非饱和土扩展剑桥模型和非饱和土扩展边界面模型对比模拟研究了理想斜坡模型在强降雨入渗条件下,在瞬态渗流应力耦合作用下斜坡变形演化规律,并与传统修正剑桥模型的模拟结果进行对比。获得了有限元模拟非饱和土质斜坡变形演化规律的新方法,并验证了模拟方法的可靠性。主要研究成果及结论如下:(1)非饱和土扩展剑桥模型的显式数值实现结合考虑水力滞回效应的非饱和土扩展剑桥弹塑性本构模型的屈服面方程、强化准则、流动和法则,利用塑性一致性条件,将饱和度视为一应变分量,推导得到扩展剑桥模型的一致性切线模量矩阵。在此基础上,应用基于误差控制的自动子增量步算法,每个子增量内部利用改进欧拉法一步显示求解本构常微分方程。以简洁明了的算法实现了非饱和土扩展剑桥模型Abaqus本构Umat子程序二次开发。应用非饱和土扩展剑桥模型进行多种条件下数值实验,验证了模型程序的正确性,并探究了模型适用性,最终得到该模型对非饱和土多项力学行为的模拟适用性良好的结论,而在干湿循环过程中由于模型考虑了水力滞回效应因此模拟干湿循环是非饱和土力学特性有较好的适用性。(2)非饱和土扩展剑桥模型的建立和显式数值实现以非饱和土扩展剑桥模型的强化准则为基础,建立一种适用于非饱和土的扩展边界面本构模型。为进行有限元数值实现,结合塑性一致性条件,将饱和度视为一应变分量,推导该模型一致切线模量。应用基于误差控制的自动子增量步显式积分算法,与非饱和扩展剑桥模型一样,无需进行迭代,在子增量步内部使用改进欧拉法对边界面本构常微分方程进行显示一步求解。从而实现非饱和土扩展边界面模型的Abaqus有限元二次开发。应用非饱和土扩展边界面模型Umat子程序进行多种条件下的数值试验,验证了模型程序的正确性,并探究了模型性质及适用性,非饱和土扩展边界面模型适用于模拟多种非饱和土力学特性,由于该模型考虑了边界面效应和水力滞回效应,因此对非饱和土在应力循环荷载和干湿循环荷载条件下力学响应的模拟有更强的适用性。(3)滑带土非饱和直剪试验参数拟合取三峡库区黄土坡滑坡滑带土进行非饱和定吸力直剪试验,应用非饱和土扩展剑桥模型及非饱和土扩展边界面模型对滑带土定吸力直剪试验进行拟合,并获取相应的模型参数。从拟合结果可以看出,扩展剑桥模型模拟结果有明显的弹性段,塑性段主要表现为应变硬化。而从扩展边界面模型模拟结果看,应力应变曲线没有纯弹性段,整个试验过程均为弹塑性变形,曲线形态初段为应变硬化,后段为应变软化,相比于扩展剑桥模型扩展边界面模型拟合结果更接近于实验曲线。(4)强降雨入渗条件下理想斜坡变形演化研究对理想斜坡模型,采用滑带土直剪试验拟合参数,应用非饱和土扩展剑桥模型和扩展边界面模型使用瞬态渗流应力耦合分析过程模拟强降雨入渗条件下的变形演化特征,并与传统饱和土修正剑桥模型应用渗流应力耦合分析的模拟结果进行对比。通过对比发现,由于受饱和度变化影响,在相同降雨时长非饱和土扩展边界面模型位移和扩展剑桥模型位移均明显大于传统修正剑桥模型,并且相对修正剑桥模型,应变分布明显受降雨入渗影响,在坡表更为集中。三种模型模拟斜坡变形结果均呈现出随时间呈阶段性演化的特点,即初始变形阶段、稳定变形阶段和加速变形阶段直至破坏。其中扩展剑桥模型模拟的位移结果演化阶段划分更为明显,而扩展边界面模型稳定变形和加速变形阶段分异不明显,主要是由于扩展边界面模型材料一直处于弹塑性变形,没有截然的弹塑性界面,因此该模型更适合模拟流动性强的粘土材料。


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