非饱和土SFG弹塑性本构模型的改进与验证

论文摘要

土体在自然状态下受到温度、大气降雨等自然环境的影响,其饱和度时常处于变化的状态,这使得天然状态下构成土壤的固、液、气三相物质之间的比例并非是恒定不变的。土在湿化或者干燥过程中均会产生变形,土体湿化是诱发地基沉降、边坡失稳、路基沉陷等一系列严重工程事故的重要原因。人们要找到更加安全、经济、可靠的方式预防或处理地基土体中因饱和度的变化而在实际工程产生的工程事故,首先要做的工作就是深入认识非饱和土体的应力变形现象随饱和度变化的规律。因此进行非饱和土弹塑性本构模型的研究对于预防或处理土体因饱和度变化而造成的工程事故具有深远的意义。本文对SFG模型的屈服面进行改进后推导出其相应的弹塑性本构关系,并将改进的模型编制成程序。通过对南昌某地红土进行试验,测定了模型验证所需的计算参数。将参数输入模型程序运算,并将运算所得结果与非饱和三轴试验数据进行对比。验证模型模拟非饱和土应力-应变行为的正确性,具体工作内容如下:（1）本文在SFG模型的加载湿陷屈服面的基础上,把联合型屈服面的改进方法引入其中,得到一种新的改进屈服面。新的改进的屈服面在拥有光滑连续性的基础上,既具有SFG模型中的加载湿陷屈服面（LC屈服面）的特性,也能够反应BBM模型中提出的吸力增加屈服面（SI屈服面）的特性。在改进屈服面的基础上,基于弹塑性理论框架,推导出相应的弹塑性本构关系。改进后的模型克服了原模型中单一LC屈服面无法描述吸力大于临界饱和吸力值ssat后,吸力增加会产生塑性变形的问题。也简化了双屈服面模型中屈服面的耦合分析,拓宽了SFG模型的适用性。（2）基于弹塑性本构关系的推导成果,利用Matlab数值计算软件对轴对称应力状态下非饱和土弹塑性本构关系的计算过程进行编程,为模型的可靠性验证计算提供了便捷的方法。（3）使用非饱和土固结直剪仪对南昌某地区的红土进行了模型参数试验,得到了模型计算所需的十一个参数:λvp、κvp、ssat、G、M、m、sc、e0、py0、pyn0、s0,为模型的验证提供了数据保障。（4）通过试验得到了南昌某地区的红土土样的压缩系数λ、回弹系数κ随基质吸力s的变化规律,并与模型预测的参数规律进行对比,两者较为吻合,验证了SFG模型模拟非饱和状态下的红土应力-应变行为的可行性。（5）将试验所得到的红土计算参数输入模型程序进行运算,模拟非饱和土样在多种应力路径下的应变行为,并将计算所得到的应力-应变关系曲线与课题组中成员对同种红土在相同应力路径下的非饱和三轴试验所得应力-应变关系曲线进行对比,发现两者所得关系曲线较为吻合。使用模型程序模拟Cunningham等人对重塑粉质黏土进行的非饱和三轴试验,并将计算结果与已发表文献中的试验结果进行比较,发现模型的模拟结果与试验所得应力-应变关系曲线较为接近。验证了模型对非饱和土的应力-应变行为模拟的可靠性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景
•   1.2 国内外研究现状及发展趋势
•     1.2.1 非饱和土应力变量研究现状及发展趋势
•     1.2.2 土-水特征曲线研究现状及发展趋势
•     1.2.3 非饱和土本构模型的研究现状及发展趋势
•   1.3 课题研究的主要内容
•   1.4 本文创新点
•   1.5 技术路线
• 第2章 SFG模型介绍及评价
•   2.1 研究背景
•   2.2 SFG模型的建立
•     2.2.1 体应变与应力关系式的建立
•     2.2.2 加载湿陷屈服面方程的建立
•     2.2.3 SFG模型弹塑性本构关系的建立
•   2.3 SFG模型的评价
•     2.3.1 SFG模型的特点
•     2.3.2 SFG模型的局限
•   2.4 本章小结
• 第3章 SFG弹塑性本构模型改进
•   3.1 概述
•   3.2 基本假设
•   3.3 本构模型的建立
•     3.3.1 屈服面的改进
•     3.3.2 弹塑性本构关系的推导
•       3.3.2.1 弹性应力-应变关系
•       3.3.2.2 在P-Q-S空间中的破坏准则与屈服准则
•       3.3.2.3 加载准则
•       3.3.2.4 硬化定律
•       3.3.2.5 流动法则
•       3.3.2.6 一致性条件
•       3.3.2.7 弹塑性应力-应变关系
•   3.4 模型参数的确定
•   3.5 模型程序化
•   3.6 本章小结
• 第4章 模型参数试验
•   4.1 概述
•   4.2 土料性质
•     4.2.1 基本物理力学性质指标
•     4.2.2 土-水特征曲线
•   4.3 恒定吸力下的非饱和红土压缩回弹试验
•     4.3.1 试验仪器
•     4.3.2 试样制备
•     4.3.3 试验方案
•     4.3.4 试验结果与分析
•   4.4 恒定固结应力下的红土脱湿试验
•     4.4.1 试验方案
•     4.4.2 试验结果与分析
•   4.5 恒定吸力与固结应力下的红土直剪试验
•     4.5.1 试验方案
•     4.5.2 试验结果与分析
•   4.6 本章小结
• 第5章 模型验证
•   5.1 模型对红土试验结果的模拟与验证
•     5.1.1 模型对红土压缩回弹系数试验的验证
•     5.1.2 非饱和红土三轴固结排水剪切试验简介
•     5.1.3 模型计算与非饱和土三轴固结排水剪切试验数据对比
•     5.1.4 红土部分浸水湿化试验简介
•     5.1.5 模型计算结果与部分湿化附加体应变数据对比
•   5.2 模型对重塑粉质黏土试验结果的模拟与验证
•     5.2.1 Cunningham试验简介
•     5.2.2 模型计算与试验数据对比
•   5.3 本章小结
• 第6章 结论与展望
•   6.1 结论
•   6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 邓子千

导师: 刘小文

关键词: 模型,屈服面改进,参数试验,模型验证

来源: 南昌大学

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: 南昌大学

基金: 国家自然科学基金(项目批准号:51268046)

分类号: TU43

DOI: 10.27232/d.cnki.gnchu.2019.000540

总页数: 98

文件大小: 4832K

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