基于能量耗散原理的土与结构接触面模型研究及应用

论文摘要

土与结构接触面的力学行为是土与结构相互作用的微观反映,其主要以土与混凝土接触面为代表,它涉及到岩土工程的诸多领域。详细研究接触面的力学行为并建立相应的本构模型具有重要的理论意义和实用价值。本文从基础试验、接触面单元、接触面本构模型等方面对土与混凝土接触面的力学行为进行了系统的研究;建立了基于能量耗散假定的3参数应力应变模型,进而建立了接触面正反向剪切本构模型;最后在岩土工程中推广了新3参数应力应变模型的应用,并通过数学严格证明了新3参数应力应变模型与传统模型的关系,主要内容如下: (1) 通过多种接触面直剪试验,分析了接触面抗剪强度参数随接触类型和土体含水率变化的规律,指出了接触面的力学行为与结构的亲水性密切相关。 (2) 进行了土与混凝土接触面4个含水率、4个正向剪切比的正反向单剪试验,研究了不同含水率与正向剪切比对接触面反向抗剪强度的影响规律,观察了接触面剪切破坏的位置。 (3) 分析试验数据,基于热力学原理和能量耗散假定,得到了接触面应力～应变曲线的控制微分方程,建立了更为适用的接触面3参数应力～应变新模型;给出了其相应的拟合评价体系,通过多种试验数据对3参数模型进行了验证;从能量耗散和微分方程的角度,分析了本文3参数模型与2参数模型的关系,引用数学特征“半值收敛指数”指出了传统模型在理论和数学上的不足。 (4) 基于能量耗散的接触面应力应变3参数模型,建立了接触面正向剪切模型。 (5) 在接触面正反向单剪试验的基础上,明确提出了“临界正向剪切比”的概念;建立了基于能量耗散原理的接触面正反向剪切本构模型。 (6) 从能量耗散的机理出发,将本文3参数应力应变模型推广到土体本构模型和膨胀土的膨胀变形、桩极限承载力的增长、垃圾填埋封顶沉降、软土地基工后沉降等一类岩土工程课题的表征中;最后统一了这类课题的本质:具有相同的基于能量耗散的控制微分方程,并从理论上证明了其各自传统模型的缺陷。 (7) 从数学上严格证明了2参数双曲线模型、指数曲线模型均是3参数模型的特例;采用2种方法证明了初始导数、极限值对应相等的情况下,指数曲线模型、2参数双曲线模型分别是3参数模型的上界、下界;采用3种方法证明了指数曲线模型数值大于对应的2参数双曲线模型数值。

论文目录

• 前言
• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出与研究意义
• 1.2 土与结构相互作用理论研究进展
• 1.3 土与结构接触面力学行为研究进展
• 1.4 本文主要工作
• 1.5 技术路线
• 1.6 本章小结
• 第二章 土与结构接触界面直剪试验
• 2.1 引言
• 2.2 改进直剪试验
• 2.3 试验数据
• 2.4 试验数据分析
• 2.5 接触界面抗剪强度交叉的讨论
• 2.6 本章小节
• 第三章 土与混凝土接触面正反向单剪试验
• 3.1 引言
• 3.2 试验准备
• 3.3 正向单剪试验
• 3.4 反向单剪试验
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于能量耗散原理的接触面3参数应力应变模型
• 4.1 引言
• 4.2 2参数双曲线模型分析
• 4.3 能量耗散基本原理
• 4.4 新模型的建立
• 4.5 模型数学性质分析
• 4.6 参数求解及精度评价
• 4.7 试验曲线拟合验证
• 4.8 模型的进一步讨论
• 4.9 本章小结
• 第五章 接触面正反向剪切模型
• 5.1 引言
• 5.2 基于能量耗散的接触面正向剪切模型
• 5.3 基于能量耗散的接触面反向剪切模型
• 5.4 双向剪切模型的讨论
• 5.5 本章小结
• 第六章 能量耗散原理及3参数新模型的推广应用
• 6.1 引言
• 6.2 基本耗散假定的简化与传统模型的关系
• 6.3 在土体本构关系中的推广应用
• 6.4 在膨胀土膨胀时程曲线中的推广应用
• 6.5 在桩极限承载力的增长中的推广应用
• 6.6 在垃圾填埋封顶沉降中的推广应用
• 6.7 在软土地基工后沉降中的推广应用
• 6.8 软土基础全过程沉降的探讨
• 6.9 本章小结
• 第七章 3参数模型对传统模型统一的数学证明
• 7.1 引言
• 7.2 2参数双曲线是3参数曲线特例的证明
• 7.3 指数曲线是3参数曲线特例的证明
• 7.4 极限函数法比较3种曲线
• 7.5 数学特征方程的比较
• 7.6 收敛指数法比较3种曲线
• 7.7 直接相减法比较指数曲线和2参数双曲线
• 7.8 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A: 攻读博士学位期间（待）发表的论文
• 附录B: 攻读博士学位期间参加的科研项目
• 附录C: 攻读博士学位期间的获奖