土体变形的多尺度模型分析及有限元二次开发

论文摘要

土体是由不同尺度的矿物颗粒、水和空气以一定方式集聚而成的非连续、非均匀颗粒介质,土体变形具有显著的颗粒性和结构性的多尺度特征。然而,经典连续介质理论仅建立在宏观尺度上,缺乏对土颗粒尺度及其转动的描述;离散力学方法则多适用于单一尺度的均匀颗粒体系,且存在海量计算的问题;应变梯度理论最初是针对金属材料研究提出的,能否应用于离散的多尺度颗粒介质有待深入研究。由于上述理论在分析土体多尺度性质时均存在不足,本文在经典连续本构关系中引入内禀尺度和转动变量,基于Drucker-Prager屈服准则,建立土体多尺度模型。利用ABAQUS二次开发出有限单元子程序UPE8W嵌入计算,阐述了内禀尺度及颗粒转动对于土体宏观变形行为的作用机制。本文开展的研究工作和取得的成果有以下几方面:（1）利用土体胞元结构模型,在经典本构关系中引入内禀尺度和颗粒转动,基于Drucker-Prager屈服准则,建立考虑颗粒尺度及转动效应的土体多尺度模型。（2）借助ABAQUS的二次开发平台,自编有限单元子程序UPE8W嵌入建模INP文件中进行计算。模拟圆孔应力集中问题,验证了程序的正确性,解释了应力集中现象与土体的内禀尺度及颗粒转动相关。（3）利用土体多尺度模型及其有限元方法,模拟土体变形局部化现象。通过与Alshibli平面应变试验结果对比,验证土体多尺度模型的正确性和有效性。通过不同网格划分模型的对比,说明多尺度模型能较好解决经典连续力学的数值计算困难和单元敏感性问题,并分析内禀尺度对局部化区域的剪切带厚度及应力-应变关系的影响。（4）对具有工程尺寸的边坡滑动和地基承载力问题进行数值模拟,实现土体软化非线性变形的全过程计算,解决经典连续力学中的单元敏感性问题。探讨了颗粒内禀尺度对土体强度和变形特性的影响,为指导实际工程应用提供理论参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 论文研究背景和意义
•   1.2 土体介质的多尺度性质
•     1.2.1 土的微观力学特性
•     1.2.2 土的细观力学特性
•     1.2.3 土的宏观力学特性
•   1.3 土体强度变形尺度效应的研究现状
•     1.3.1 理论及试验分析
•     1.3.2 离散力学理论
•     1.3.3 偶应力及应变梯度理论
•   1.4 本文的研究思路和内容
•     1.4.1 研究思路
•     1.4.2 主要内容
• 第二章 基于三轴压缩试验的土体细观参数分析
•   2.1 引言
•   2.2 尺度模型的土体细观参数
•     2.2.1 平均应变梯度
•     2.2.2 内禀尺度
•   2.3 三轴压缩试验
•     2.3.1 试样方案
•     2.3.2 试验结果分析
•     2.3.3 土体细观参数分析
•   2.4 本章小结
• 第三章 多尺度模型及有限元二次开发
•   3.1 引言
•   3.2 土体胞元结构的多尺度模型
•     3.2.1 弹性本构关系
•     3.2.2 弹塑性本构关系
•   3.3 多尺度理论的有限元自编程序
•     3.3.1 Abaqus二次开发
•     3.3.2 基于多尺度模型的有限元方法
•   3.4 圆孔应力集中算例验证分析
•     3.4.1 经典连续力学的有限元解
•     3.4.2 多尺度模型的有限元解
•   3.5 本章小结
• 第四章 应变局部化的尺度效应有限元分析
•   4.1 引言
•   4.2 应变局部化现象的软化分岔
•   4.3 平面应变试验结果验证多尺度有限元解
•   4.4 局部化区域的单元敏感性
•   4.5 内禀尺度对局部化的影响
•   4.6 本章小结
• 第五章 岩土工程实例的尺度效应分析
•   5.1 引言
•   5.2 边坡滑动尺度效应分析
•     5.2.1 经典连续力学有限元分析
•     5.2.2 多尺度模型有限元分析
•   5.3 地基承载力尺度效应分析
•     5.3.1 经典连续力学有限元分析
•     5.3.2 多尺度模型有限元分析
•   5.4 本章小结
• 结论与展望
•   1 研究结论
•   2 未来展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 魏炜波

导师: 房营光

关键词: 多尺度模型,内禀尺度,有限单元子程序,变形局部化,单元敏感性,边坡滑动,地基承载力

来源: 华南理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 华南理工大学

分类号: TU43

DOI: 10.27151/d.cnki.ghnlu.2019.002151

总页数: 86

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