粗粒土的本構理論及宏、細觀研究.pdf

1、隨著近年來大型工業(yè)與民用建筑建設的興起與大型土石壩的興建，粗粒土已被廣泛應用于交通、水利、港口等工程建設中，粗粒土的工程特性研究已經(jīng)成為許多專家研究的重點。粗粒土是由粒徑大小不等的顆粒彼此填充而呈粒狀結構的散粒體，顆粒間常為點接觸，因此，粗粒土在加載過程中一般會表現(xiàn)出應變軟化特性、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理論體系，并且利用離散

2、元理論從細觀角度對這些模型進行了驗證。本課題的研究成果無論是在理論上還是在工程應用上，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)細顆粒土本構模型的框架，建立了一個考慮應變軟化特性和剪脹性的粗粒土彈塑性本構模型。該模型在應變軟化描述方面，提出了一個利用殘余狀態(tài)應力比與峰值應力比的應變軟化公式，可以較為合理地反映粗粒土的應變軟化現(xiàn)象；在剪脹性描述方面，采用與初始有效圍壓有關的狀態(tài)轉(zhuǎn)換應力比，克

3、服了傳統(tǒng)模型的局限性，即：對于同一初始密實度不同初始有效圍壓的試樣采用同一狀態(tài)轉(zhuǎn)換應力比。最后，通過對多組試驗結果的模擬，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則和剪脹性的影響，提出了修正后的硬化準則和剪脹方程，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)大三軸試驗的數(shù)值模擬，對比分析表明：該模型計算結果與試驗結果更為一致，能較好地描述粗粒土的強度和變形特性，得出顆粒破碎導致粗粒土強度降低，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對該結論進行了驗證。
　　 3.以粗粒土為原材料的鐵路公路路基在交通荷載作用下，粗粒土的主應力軸將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，從而導致土體單元主應力方向和主應變率方向的非共軸現(xiàn)象，而傳統(tǒng)的彈塑性本構模型基本上是建立在大三軸試驗結果的基礎上，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模型，該模型對粗粒土的單剪試驗進行了數(shù)值模擬，預測了在單剪過程中主應力方向和主應變率方向的變化規(guī)律。最后，運用離散單元法對粗粒土的非共軸性進行驗證并進行了細觀分析。研究結果表明，本文模型的計算結果和試驗結果較為一致，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觀角度建立