非饱和土的三剪统一弹塑性本构模型研究

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在天然状态下大多数土体处于非饱和状态,土的非饱和特性对于土体的力学性质有很大的影响。本文首先采用单应力变量法和双应力变量法将三剪统一准则应用于非饱和土,得到非饱和土的三剪统一屈服准则;然后从非饱和土体的实际受力状态出发,将基质吸力引入至修正剑桥模型,得到考虑基质吸力修正的剑桥模型,但是该模型的破坏应力比M是一个固定值,就不能反映应力状态的变化,也不能反映非饱和土中基质吸力的影响,为解决这一难题,将非饱和土的三剪统一屈服准则作为新本构模型的破坏准则,建立了非饱和土的三剪统一弹塑性本构模型,单应力变量法和双应力变量法的非饱和土三剪统一准则都考虑了非饱和土体中基质吸力的影响,更加符合非饱和土的力学特性。为得到非饱和土的三维应力应变特性,对模型进行了三维化的处理。试验土样采用南昌地区非饱和重塑红土,通过基本土工试验和非饱和土的三轴试验,获得基本的土性参数和模型参数。得到了非饱和红土的剪应力与轴向应变、体积应变与轴向应变关系曲线,着重说明了非饱和性对土体的强度和变形的影响。使用Fortran程序语言,编写了非饱和土三的剪统一本构模型的子程序。分别模拟了非饱和土体在非饱和三轴试验和真三轴试验下,土体的应力应变之间的关系曲线及变化规律。将试验值分别同单应力变量法本构模型和双应力变量法本构模型的模拟值进行对比,本构模型的适用性和正确性将得到验证,还通过改变中主应力影响系数b值,探讨其对本构模型的影响。本文主要研究工作及成果如下:第一,对于非饱和土的本构模型的国内外现状及研究方法进行评价和总结,重点在于关注怎样对非饱和土的非饱和性进行处理,如采用基质吸力考虑,含水率考虑,饱和度考虑等。第二,将Bishop非饱和土的单应力变量理论和Fredlund等非饱和土的双应力变量理论分别与三剪统一强度理论结合,使三剪统一强度理论应用到非饱和土中,并得到用全应力状态p,q,?表示的非饱和土的单应力变量法破坏应力比M1(p,?,s)和非饱和土的双应力变量法破坏应力比M2(p,?,s)。最后通过相关的真三轴试验对两种方法建立的非饱和土的三剪统一理论进行了验证。第三,为了将修正剑桥模型应用于非饱和土中,将修正剑桥模型中的饱和土的屈服应力px用非饱和土的屈服应力p?y进行替代,把基质吸力当作有效净水压力和考虑基质吸力对于土体粘聚力的影响,并采用单应力变量法和双应力变量法三剪统一屈服准则作为破坏准则,结合单应力变量法三剪统一破坏应力比,从而得到考虑应力状态和基质吸力变化影响的单应力变量法和双应力变量法非饱和土的三剪统一弹塑性本构模型。进一步提出了对本构模型三维化的处理方法,能够表达出非饱和土体在六维应力状态下的应力应变关系,最后推导出该本构模型具体的弹塑性刚度矩阵。第四,以江西重塑红土为试验研究对象,为得到红土基本的力学指标参数,进行一系列的物理力学实验。得到新建立的本构模型数值计算所需的模型参数。第五,使用Fortran语言对新建立的本构模型理论解进行程序的编写。用来模拟非饱和土在三轴排水实验中,不同基质吸力和不同净围压条件下的土体的剪应力与轴向应变关系曲线和体应变与轴向应变关系曲线。并将单应力变量法和双应力变量法得到的模型理论解与非饱和三轴实验结果进行对比,通过各种力学特性模拟的对比可知,双应力变量法模型较单应力变量法模型更加符合非饱和土体的力学特性实际。通过模拟值与试验值对比,证明单应力变量法模型和双应力变量法模型在模拟非饱和土的力学特性有较好的效果,验证了两种方法建立的本构模型合理性,并分析了基质吸力对于非饱和土三剪统一本构模型的力学特性的影响。还对非饱和土三剪统一本构模型的真三轴试验进行模拟,并将单应力变量法和双应力变量法的模拟值进行对比,分析非饱和土体在真三轴试验条件下的力学特性,在不同基质吸力条件下的非饱和土应力应变关系曲线图,两种不同方法建立的本构模型模拟值变化规律都基本一致,通过改变中主应力影响系数b来研究其对本构模型的影响。
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