粗粒土真三轴试验与本构模型研究

论文摘要

粗粒土是土石坝的主要坝体材料,鉴于目前200甚至300m级高土石坝的修建,对粗粒土在三维应力状态下的强度变形特性以及各向异性特性进行研究已经非常迫切。真三轴试验是进行这方面研究的重要手段,国内外不少学者都曾对砂土及粘土进行过真三轴试验研究,然而由于试验仪器等原因的限制,对于包括砾石料在内的粗粒土,很少有人进行这方面的研究。本文利用河海大学两台真三轴仪分别对砾石料、粗粒土进行了真三轴试验,并在此基础上提出一个粗粒土三维破坏准则及双屈服面三维弹塑性模型。探讨了使用河海大学ZSY-1型真三轴仪对砾石料进行真三轴试验的具体操作方法,并对砾石料试样进行了不同围压下的等σ3等b加载试验,研究了中主应力对砾石料应力应变关系、主应变之间关系及强度参数φ、M的影响。对河海大学最新研制成功的TSW-40型真三轴仪进行调试,考察可能影响试验结果的各种因素,包括:试样端部约束的影响、试样帽与水囊盒之间摩擦的影响、复合加压块及水囊盒的影响。并且对该仪器的变形量测以及应力传感器进行率定。使用TSW-40型真三轴仪对粗粒土进行了一系列真三轴试验,包括:等σ3等b试验、等p等b试验、平面应变试验、单向加荷试验以及等p等q试验。研究了粗粒土在三维应力状态下的变形和强度特性。根据砾石料和粗粒土的真三轴试验结果,提出了一个粗粒土三维破坏准则。推导了该准则的φbb关系,研究了该准则在π平面上的破坏轨迹形态,并对该准则进行了验证。提出了一个双屈服面三维弹塑性模型,包括弹性部分、屈服函数、硬化准则和塑性势函数;建议了根据常规三轴压缩试验结果确定模型参数的方法;用该模型计算了等σ3等b加载应力路径下的变形,并与粗粒土的真三轴试验结果进行比较,对模型的合理性进行了初步验证;将模型加入三维有限元计算程序,应用于土石坝工程计算,并与邓肯E-B模型进行比较,验证了模型的适用性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 土体真三轴仪的发展现状
• 1.3 土体真三轴试验的研究现状
• 1.4 粗粒土变形和强度特性的研究现状
• 1.5 土体三维强度理论的研究现状
• 1.6 土体三维弹塑性模型的研究现状
• 1.7 本文主要研究内容
• 第二章 砾石料真三轴试验及结果分析
• 2.1 两台真三轴仪的比较
• 2.1.1 硬件
• 2.1.2 软件
• 2.2 本章试验仪器、土料、步骤及方法
• 2.2.1 试验仪器
• 2.2.2 试验土料
• 2.2.3 操作步骤
• 2.2.4 试验方法
• 2.3 应力路径研究
• 2.3.1 加载方法
• 2.3.2 在三维应力空间中的应力路径
• σ2 坐标系中的应力路径'>2.3.3 在σ1^σ2 坐标系中的应力路径
• 2.4 中主应力对应力应变关系的影响
• 2.5 中主应力对主应变之间关系的影响
• 2.5.1 中主应变与大主应变之间的关系
• 2.5.2 小主应变与大主应变之间的关系
• 2.6 中主应力对强度参数的影响
• b'>2.6.1 内摩擦角φ_b
• b'>2.6.2 破坏应力比M_b
• 2.7 本章小结
• 第三章 粗粒土真三轴试验及结果分析
• 3.1 仪器、土料及操作步骤
• 3.1.1 试验仪器
• 3.1.2 试验土料
• 3.1.3 操作步骤
• 3.2 新型真三轴仪的调试和率定
• 3.2.1 试样端部约束的影响
• 3.2.2 试样帽与水囊盒摩擦的影响
• 3.2.3 复合加压块及水囊盒的影响
• 3.2.4 变形误差的率定
• 3.2.5 应力传感器的率定
• 3 等b 试验'>3.3 等σ₃ 等b 试验
• 3.3.1 试验方法
• 3.3.2 中主应力对应力应变关系的影响
• 3.3.3 中主应力对主应变之间关系的影响
• b 的影响'>3.3.4 中主应力对内摩擦角φ_b的影响
• b 的影响'>3.3.5 中主应力对破坏应力比M_b的影响
• 3.4 等p 等b 试验
• 3.4.1 试验方法
• 3.4.2 应力路径
• 3.4.3 试验结果与常用准则的比较
• b 的影响'>3.4.4 b 对破坏应力比M_b的影响
• 3.5 平面应变试验
• 3.5.1 试验方法
• 3.5.2 变形特性
• 3.5.3 内摩擦角φ与破坏应力比Mf
• 3.6 单向加荷试验
• 3.6.1 试验方法
• 3.6.2 大主应力方向单向加荷的变形特性
• 3.6.3 中主应力方向单向加荷的变形特性
• 3.6.4 小主应力方向单向加荷的变形特性
• 3.6.5 粗粒土的各向异性分析
• 3.7 等p 等q 试验
• 3.7.1 试验方法
• 3.7.2 应力路径
• 3.7.3 试验结果
• 3.8 本章小结
• 第四章 粗粒土三维破坏准则
• 4.1 本文准则的提出及检验
• 4.1.1 本文准则的表达式
• 4.1.2 砾石料真三轴试验检验
• 4.1.3 粗粒土真三轴试验检验
• b^b 关系'>4.2 本文准则的φ_b^b关系
• b^b 关系式推导'>4.2.1 φ_b^b关系式推导
• b 关系曲线'>4.2.2 φb^b关系曲线
• b^b 关系的检验'>4.3 φ_b^b关系的检验
• 4.3.1 砾石料真三轴试验
• 4.3.2 粗粒土真三轴试验
• 4.4 本文准则在π平面上的破坏轨迹
• 4.4.1 破坏轨迹推导
• 4.4.2 破坏轨迹形状
• 4.5 π平面上破坏轨迹的检验
• 4.6 本章小结
• 第五章 粗粒土双屈服面三维弹塑性模型
• 5.1 双屈服面模型的优点
• 5.2 弹性部分
• 5.3 屈服函数及硬化函数
• 5.4 塑性势函数
• 5.5 模型弹塑性柔度矩阵
• 5.5.1 计算公式
• 5.5.2 具体表达式
• 5.6 参数的确定方法
• 5.6.1 强度参数
• 5.6.2 弹性部分参数
• 5.6.3 塑性部分参数
• 5.7 试验结果对模型的验证
• 5.8 模型在有限元计算中的应用
• 5.8.1 工程概况
• 5.8.2 三维有限元网格剖分
• 5.8.3 计算程序及荷载分级
• 5.8.4 计算参数
• 5.8.5 计算结果及分析
• 5.9 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的主要论文
• 攻读博士期间参加主要科研情况
• 致谢