考慮結(jié)構(gòu)性的土體小應(yīng)變本構(gòu)模型研究.pdf

1、在巖土工程中絕大部分土體的變形都在小應(yīng)變范圍內(nèi)；而在小應(yīng)變范圍內(nèi)土體具有較高的剛度、逐漸屈服和結(jié)構(gòu)性等變形特性。以劍橋模型為代表的傳統(tǒng)土體本構(gòu)模型難以描述土體的小應(yīng)變特性。在這種情況下,采用傳統(tǒng)土體本構(gòu)模型分析基坑開(kāi)挖、地鐵施工等巖土工程問(wèn)題時(shí),預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果將與實(shí)際情況相差較大。同時(shí)土體是天然地質(zhì)體,土體結(jié)構(gòu)對(duì)包括小應(yīng)變?cè)趦?nèi)的整個(gè)變形過(guò)程有強(qiáng)烈的影響。因此,建立考慮結(jié)構(gòu)性的土體小應(yīng)變本構(gòu)模型具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。論文以國(guó)家自然科

2、學(xué)基金項(xiàng)目“土體的小應(yīng)變本構(gòu)模型研究”(50309017)和重慶市自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于結(jié)構(gòu)擾動(dòng)的土體本構(gòu)模型研究”(CSTC2005BB6114)為依托,從土體小應(yīng)變變形特性的本質(zhì)因?yàn)?土體的結(jié)構(gòu)性入手,對(duì)土體的小應(yīng)變本構(gòu)模型進(jìn)行研究。
　　 論文的主要研究工作與結(jié)論如下:
　　 ①對(duì)土體小應(yīng)變情況下的變形特性及其本構(gòu)模型、土體結(jié)構(gòu)性及其本構(gòu)模型和修正劍橋模型等研究進(jìn)展進(jìn)行分析,提出了論文研究思路--基于土體的結(jié)構(gòu)性,

3、對(duì)修正劍橋模型進(jìn)行擴(kuò)展,從而建立土體的小應(yīng)變本構(gòu)模型。
　　 ②基于非連續(xù)介質(zhì)細(xì)觀力學(xué),采用理論分析和數(shù)值試驗(yàn)兩種手段,分別對(duì)土體的小應(yīng)變變形的結(jié)構(gòu)性機(jī)理進(jìn)行分析。
　　 建立了土體的細(xì)觀模型,利用彈性接觸力學(xué)理論討論了膠結(jié)結(jié)構(gòu)對(duì)土體小應(yīng)變特性的影響規(guī)律。研究表明:在土體的整個(gè)變形過(guò)程中存在一個(gè)由膠結(jié)結(jié)構(gòu)控制的變形區(qū)域；在該變形區(qū)域內(nèi),微量的膠結(jié)結(jié)構(gòu)(膠結(jié)厚度為土體顆粒直徑的萬(wàn)分之一)也會(huì)使土體宏觀的模量增加10余倍。<

4、br>　　 在顆粒流PFC2D平臺(tái)上,建立了土體及其三軸試驗(yàn)的顆粒流模型。分別討論了接觸剛度、粘結(jié)強(qiáng)度、粘結(jié)剛度與半徑等細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)小應(yīng)變條件下變形特性影響。研究表明:在小應(yīng)變范圍內(nèi)細(xì)觀顆粒滑動(dòng)趨勢(shì)較小,摩擦力還未得到充分發(fā)揮,土體細(xì)觀顆粒間的摩擦對(duì)小應(yīng)變特性影響較小。細(xì)觀顆粒間的膠結(jié)厚度、膠結(jié)半徑和膠結(jié)模量等對(duì)小應(yīng)變特性影響較大；隨著細(xì)觀顆粒間的膠結(jié)厚度、膠結(jié)半徑和膠結(jié)模量的增加,土體宏觀變形模量將增大。
　　 在小應(yīng)變條

5、件,微量膠結(jié)也可以使土體顆粒間點(diǎn)接觸轉(zhuǎn)換為面接觸,從而使土體表現(xiàn)出較高的宏觀模量；而當(dāng)應(yīng)變進(jìn)一步增加時(shí),膠結(jié)破損,土體細(xì)觀顆粒間的面接觸轉(zhuǎn)換為點(diǎn)接觸,從而使土體宏觀模量迅速降低。
　　 土體宏觀強(qiáng)度參數(shù)的粘聚力和摩擦系數(shù)兩個(gè)方面,在小應(yīng)變范圍內(nèi)主要是粘聚力發(fā)揮作用,而摩擦力相對(duì)影響較小。
　　 ③土體結(jié)構(gòu)的模型及其本構(gòu)關(guān)系研究
　　 對(duì)土體的物理結(jié)構(gòu)、宏觀變形特性等進(jìn)行調(diào)查,提出了土體結(jié)構(gòu)的材料結(jié)構(gòu)模型和分布結(jié)構(gòu)

6、模型。
　　 將土體變形表現(xiàn)出的超固結(jié)劃分為材料結(jié)構(gòu)超固結(jié)與應(yīng)力超固結(jié)這兩種不同性質(zhì)的超固結(jié)；從而使材料結(jié)構(gòu)與應(yīng)力超固結(jié)統(tǒng)一起來(lái)。然后對(duì)修正劍橋模型進(jìn)行擴(kuò)展,模型屈服面的尺寸由材料結(jié)構(gòu)超固結(jié)參數(shù)和應(yīng)力超固結(jié)參數(shù)兩者之和共同決定,而屈服面尺寸大小的變化由塑性體積硬化與材料結(jié)構(gòu)損傷共同描述；從而建立了一個(gè)可以統(tǒng)一考慮超固結(jié)和結(jié)構(gòu)性的土體本構(gòu)模型。該模型對(duì)于描述土體結(jié)構(gòu)性,特別是在大應(yīng)變范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)性具有較高的適用性。
　　

7、基于土體的分布結(jié)構(gòu)模型概念,假設(shè)土體的一維塑性硬化元件的摩擦滑動(dòng)元件啟動(dòng)應(yīng)力參數(shù)、塑性模量相互獨(dú)立,并分別服從某種形式的統(tǒng)計(jì)分布；利用統(tǒng)計(jì)學(xué)和塑性力學(xué)理論,推導(dǎo)了基于分布結(jié)構(gòu)模型概念的土體一維彈塑性本構(gòu)模型。該一維彈塑性模型能夠反映土體小應(yīng)變時(shí)的逐漸屈服特征。
　　 ④考慮土體的材料結(jié)構(gòu),利用復(fù)合體損傷理論,提出了彈性變形部分的計(jì)算方法。在塑性變形部分模型基于土體的分布結(jié)構(gòu)模型,認(rèn)為塑性變形的內(nèi)變量不是單一、固定的值,而是在一定

8、區(qū)間上遵循統(tǒng)計(jì)分布密度函數(shù)分布的；擴(kuò)展修正劍橋模型單一內(nèi)變量的單個(gè)屈服面至尺寸連續(xù)的屈服面場(chǎng),并采用相關(guān)聯(lián)的流動(dòng)法則,從而提出了可以反映土體小應(yīng)變特性的土體本構(gòu)模型。
　　 ⑤在有限差分FLAC2D平臺(tái)上,對(duì)論文小應(yīng)變本構(gòu)模型進(jìn)行了fish語(yǔ)言程序化,然后對(duì)天府基坑工程案例進(jìn)行了數(shù)值分析。分析表明,基坑開(kāi)挖工程中絕大部分土體都處于小應(yīng)變變形情況,土體小應(yīng)變本構(gòu)模型有利于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)巖土工程的變形；相比修正劍橋模型,本文小應(yīng)變本構(gòu)模型