淺論基于狀態(tài)相關(guān)剪脹理論的堆石料強(qiáng)度與變形特性研究

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1、南京水利科學(xué)研究院博士學(xué)位論文基于狀態(tài)相關(guān)剪脹理論的堆石料強(qiáng)度與變形特性研究姓名：丁樹云申請學(xué)位級別：博士專業(yè)：巖土工程指導(dǎo)教師：酈能惠;蔡正銀20090701南京水利科學(xué)研究院博士學(xué)位論文摘要作為土石壩的主要筑壩材料，堆石料在剪切過程中具有明顯的剪脹特性。大量的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，堆石料在受剪時(shí)可能發(fā)生剪縮，也可能發(fā)生剪脹，其剪脹性取決于堆石料的當(dāng)前狀態(tài)，包括堆石料的密度和所處的應(yīng)力狀態(tài)。目前在土石壩計(jì)算分析過程中，一般采用的堆石料本構(gòu)模型都無法反映土體密度變化帶來的影響，對于具有不同密度的同一種堆石料，往往只能通過試驗(yàn)得到不同

2、的參數(shù)，當(dāng)成不同的材料進(jìn)行模擬，這給土石壩的應(yīng)力變形計(jì)算帶來了一定的問題。近來一些學(xué)者針對砂土提出了狀態(tài)相關(guān)剪脹理論，并建立了基于狀態(tài)相關(guān)剪脹理論的臨界狀態(tài)模型，成功地模擬了砂土的剪脹特性。堆石料與砂土都是顆粒集合而成的粒狀材料，其工程性質(zhì)類似?；诖吮疚脑陂喿x大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，通過室內(nèi)試驗(yàn)、理論分析、數(shù)值模擬等手段，對堆石料的變性特性與本構(gòu)理論進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，主要工作如下：(1)通過室內(nèi)試驗(yàn)系統(tǒng)地研究了兩河U心墻堆石壩壩體堆石料的變性特性和臨界狀態(tài)，揭示了堆石料變形的密度與應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)性：對具有不同密度和應(yīng)力狀態(tài)的堆石料

3、進(jìn)行大型三軸排水壓縮試驗(yàn)，研究了密度和應(yīng)力水平對堆石料變形特性的影響，得到了在較大剪切變形時(shí)該堆石料的臨界狀態(tài)線與臨界狀態(tài)參數(shù)。通過試驗(yàn)，還獲得了兩河口心墻堆石壩壩體堆石料的南水模型參數(shù)、鄧肯．張模型參數(shù)和基于狀態(tài)相關(guān)剪脹理論的臨界狀態(tài)模型參數(shù)。(2)基于堆石料大型三軸排水壓縮試驗(yàn)結(jié)果，采用基于狀態(tài)相關(guān)剪脹理論的臨界狀態(tài)模型以及獲得的一套模型參數(shù)，編寫了三軸排水試驗(yàn)研究程序(點(diǎn)模型程序)，對所有試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與南水模型和鄧肯．張模型的模擬結(jié)果進(jìn)行了對比。研究表明，對于處于不同密度不同應(yīng)力水平的同一種堆石料，基于狀態(tài)相

4、關(guān)剪脹理論的I

5、缶界狀態(tài)模型只需一套模型參數(shù)就能反映堆石料的各種特性，包括剪脹性與應(yīng)變軟化特性等，而南水模型和鄧肯．張模型對于不同密度的同一種堆石料需要多組參數(shù)來模擬，即將具有不同狀態(tài)的同一種堆石料當(dāng)成不同的材料來處理。這充分顯示了基于狀態(tài)相關(guān)剪脹理論的臨界狀態(tài)模型在模擬堆石料變性特性方面的合理性。(3)對SUMDES2D有限元程序進(jìn)行了二次開發(fā)，嵌入了鄧肯．張非線性模型和南水雙屈服面彈塑性模型程序，拓展了其應(yīng)用范圍；分別采用基于狀態(tài)相關(guān)剪脹理論的臨界狀態(tài)模型、南水模型和鄧肯．張模型，通過SUMDES2D有限元程序?qū)θS試驗(yàn)結(jié)果

6、進(jìn)行了模擬，并與點(diǎn)模型程序模擬結(jié)果進(jìn)行了對比。此外還對單元的敏感性進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了SUMDES2D軟件的可靠性：分別采用基于狀態(tài)相關(guān)剪脹理論的臨界狀態(tài)模型、南水模型和鄧肯．張模型，通過SUMDES2D有限元程序?qū)δ骋痪|(zhì)堆石壩進(jìn)行了模擬，并摘要與ABAQUS大型商業(yè)軟件模擬結(jié)果進(jìn)行了比較，進(jìn)一步驗(yàn)證了SUMDES2D程序在解決巖土工程問題上的適用性。(4)采用基于狀態(tài)相關(guān)剪脹理論的臨界狀態(tài)模型，通過SUMDES2D有限元程序?qū)﹂L河壩進(jìn)行了二維靜動(dòng)力有限元計(jì)算，得到了壩體施工期和蓄水期的水平位移、沉降以及壩體應(yīng)力分布情況，揭示了

7、堆石壩在地震作用下變形和破壞的機(jī)理。關(guān)鍵詞：堆石料；變性特性；狀態(tài)相關(guān)剪脹理論；臨界狀態(tài)模型南京水利科學(xué)研究院博士學(xué)位論文AbstractAstheprimarymaterialfortherock．filldams．therock．fillsubjectedtoshearexhibitssignificantdilatancy．Theresultsofmanylaboratorytestsshowthattherock．fillmayexhibiteithercontractionordilationdependingonit

8、sstate，includingthedensityofthematerialandtheeffectivemeannormalstress．Currently，inthenumericalanalysisoftherock．filldams．thegenerallyadoptedconstitutivemodeIsfortherock．fillcannotreflecttheinfluenceofdensityvariation．a(chǎn)ndtheonlysolutiontothisproblemistotreatthesamero

9、ck—fillwimdifferentdensitiesasdifferentmaterials．Itsparametersareobtainedthroughthelaboratorytests，resultingincertainproblemsinthec