粗粒土的本構(gòu)理論及宏、細(xì)觀研究.pdf

1、隨著近年來大型工業(yè)與民用建筑建設(shè)的興起與大型土石壩的興建，粗粒土已被廣泛應(yīng)用于交通、水利、港口等工程建設(shè)中，粗粒土的工程特性研究已經(jīng)成為許多專家研究的重點(diǎn)。粗粒土是由粒徑大小不等的顆粒彼此填充而呈粒狀結(jié)構(gòu)的散粒體，顆粒間常為點(diǎn)接觸，因此，粗粒土在加載過程中一般會表現(xiàn)出應(yīng)變軟化特性、剪脹性、顆粒破碎以及非共軸性。本文通過完善的理論框架和先進(jìn)的離散元理論對粗粒土的以上四大主要特性展開研究，分別建立考慮這些主要特性的本構(gòu)理論體系，并且利用離散

2、元理論從細(xì)觀角度對這些模型進(jìn)行了驗(yàn)證。本課題的研究成果無論是在理論上還是在工程應(yīng)用上，都具有重要的參考價值。
　　 本文主要的研究工作包括：
　　 1.基于傳統(tǒng)細(xì)顆粒土本構(gòu)模型的框架，建立了一個考慮應(yīng)變軟化特性和剪脹性的粗粒土彈塑性本構(gòu)模型。該模型在應(yīng)變軟化描述方面，提出了一個利用殘余狀態(tài)應(yīng)力比與峰值應(yīng)力比的應(yīng)變軟化公式，可以較為合理地反映粗粒土的應(yīng)變軟化現(xiàn)象；在剪脹性描述方面，采用與初始有效圍壓有關(guān)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換應(yīng)力比，克

3、服了傳統(tǒng)模型的局限性，即：對于同一初始密實(shí)度不同初始有效圍壓的試樣采用同一狀態(tài)轉(zhuǎn)換應(yīng)力比。最后，通過對多組試驗(yàn)結(jié)果的模擬，表明該模型描述粗粒土在低圍壓和相對中高圍壓下的應(yīng)變軟化特性和剪脹性方面具有一定的優(yōu)勢。
　　 2.首先研究了顆粒破碎對硬化準(zhǔn)則和剪脹性的影響，提出了修正后的硬化準(zhǔn)則和剪脹方程，并基于有效塑性功的概念，建立了一個考慮顆粒破碎的粗粒土臨界狀態(tài)彈塑性本構(gòu)模型。將所提出的模型與未考慮顆粒破碎的模型用于不同圍壓下粗粒土

4、室內(nèi)大三軸試驗(yàn)的數(shù)值模擬，對比分析表明：該模型計算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果更為一致，能較好地描述粗粒土的強(qiáng)度和變形特性，得出顆粒破碎導(dǎo)致粗粒土強(qiáng)度降低，壓縮變形增大。最后，利用離散元模擬一維壓縮顆粒破碎試驗(yàn)對該結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　 3.以粗粒土為原材料的鐵路公路路基在交通荷載作用下，粗粒土的主應(yīng)力軸將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致土體單元主應(yīng)力方向和主應(yīng)變率方向的非共軸現(xiàn)象，而傳統(tǒng)的彈塑性本構(gòu)模型基本上是建立在大三軸試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，并不能考慮粗粒

5、土的非共軸性。本文將傳統(tǒng)的彈塑性本構(gòu)模型三維化，引入三維非共軸塑性流動理論，建立了粗粒土的非共軸本構(gòu)模型，該模型對粗粒土的單剪試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，預(yù)測了在單剪過程中主應(yīng)力方向和主應(yīng)變率方向的變化規(guī)律。最后，運(yùn)用離散單元法對粗粒土的非共軸性進(jìn)行驗(yàn)證并進(jìn)行了細(xì)觀分析。研究結(jié)果表明，本文模型的計算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果較為一致，并能較好地描述粗粒土的非共軸現(xiàn)象。
　　 4.基于能量守恒原理和Rowe(1962)提出的最小能比原理從細(xì)觀角度建立