砂土數(shù)值建模和有限元分析.pdf

1、巖土本構關系是巖土工程設計和計算的基礎.巖土介質的力學特性是復雜的,具有非線性的,剪脹性,各向異性,同時應力狀態(tài)和應力路徑均對其本構模型具有影響.為了認識它們,必須通過試驗、觀察及測量來獲取巖土力學響應的數(shù)據(jù),然后在理論指導下從這些測量數(shù)據(jù)中提煉出巖土介質變形和破壞的規(guī)律.傳統(tǒng)的土力學研究方法是通過對試驗數(shù)據(jù)進行分析,根據(jù)塑性勢理論和一些經(jīng)驗假設歸納出土的本構關系的數(shù)學表達式.在這些建模方法中,模型的參數(shù)大都是根據(jù)特定的應力路徑的實驗確

2、定出來的,因而不能體現(xiàn)出應力路徑對土的本構關系的影響.本文基于反問題理論的思想,利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡高度非線性關系和自學習能力的特點,利用巖土本構關系的數(shù)值建模方法,建立了砂土的彈塑性本構關系模型.通過對一組8個飽和砂樣進行了常規(guī)壓縮三軸試驗,即在圍壓σ<,3>等于常數(shù)的固結排水剪切實驗(CTC),獲得了 ε<,v>~q, ε<,s>~q試驗曲線.利用數(shù)值建模的方法將砂土的應力應變關系直接從試驗曲線中提煉出來的,并對其進行了可視化,繪制出了

3、整個(p,q)應力場中應力應變關系的三維曲面和相應的屈服軌跡.對三種不同的應力路徑把建立的本構模型嵌入到軸對稱有限元程序中去計算三軸試樣的應力應變關系,并與試驗的曲線進行了對比,證明了數(shù)值建模方法的可行性和有效性.為了該模型在實際工程中的應用,文中推導了有限元數(shù)值計算的平面問題的彈塑性矩陣,編制了平面問題的等參元有限元程序,將本構模型嵌入到有限元程序中,對三種常規(guī)應力路徑下條形基礎的地基沉降變形進行了比較分析,驗證了應力路徑對巖土本構關

4、系的影響不可忽視.本文提出的數(shù)值建模的方法與傳統(tǒng)的數(shù)學力學建模方法不同,它通過神經(jīng)網(wǎng)絡的方法反演出一個顯式的高斯函數(shù)來描述巖土的應力應變關系,取代了傳統(tǒng)塑性理論中建模方法所采用的假設或猜測屈服面和塑性勢函數(shù)表達式的方法,能夠更有效地反映巖土材料復雜的本構關系.(1)建立巖土彈塑性本構模型的方法克服了尋找塑性勢函數(shù)的困擾,從試驗中直接提煉巖土的彈塑性應力應變關系.(2)數(shù)值建模方法可以任意選擇應力路徑,并能夠定量地把應力路徑的影響反映到本