往復(fù)循環(huán)荷載下凍土動力性能與彈塑性本構(gòu)模型.pdf

1、目前，我國重大基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)的重心正逐步向寒冷地區(qū)轉(zhuǎn)移，作為寒區(qū)工程的基礎(chǔ)承載主體，凍土構(gòu)筑物在各類環(huán)境及運(yùn)營條件下的動力設(shè)計方法和服役性能評價正逐步得到工程建設(shè)者及相關(guān)研究者的關(guān)注。凍土作為典型的特殊巖土材料，其力學(xué)性能包括動力學(xué)性能與未凍土存在顯著的差異，對溫度、含水量等環(huán)境因素的變化極為敏感。優(yōu)化寒區(qū)凍土工程動力設(shè)計方法，系統(tǒng)發(fā)展凍土構(gòu)筑物的動力穩(wěn)定性能評價流程需要深入了解凍土動力學(xué)性能，構(gòu)建可以合理模擬凍土在各類動力荷載作用下

2、變形特性的本構(gòu)模型。
　　鑒于此，作者聚焦于工程中最為普遍的往復(fù)循環(huán)加載模式，通過開展凍土的低溫循環(huán)三軸試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了凍土在高幅和長期低幅往復(fù)循環(huán)荷載下動力性能的變化規(guī)律，構(gòu)建了相應(yīng)的計算模型。進(jìn)而開展凍土力學(xué)基本試驗(yàn)，研究了凍土的強(qiáng)度特性、塑性流動特性和硬化特性?；谶吔缑婊纠碚?，發(fā)展了凍土動力邊界面塑性模型。繼而，利用伴隨誤差控制的顯式子步積分算法完成了邊界面塑性模型的積分求解，并對該模型進(jìn)行了驗(yàn)證與參數(shù)標(biāo)定。同時，基于凍

3、土在長期低幅往復(fù)循環(huán)荷載下塑性應(yīng)變累積速率和塑性應(yīng)變累積流動特性，結(jié)合經(jīng)典彈塑性理論框架，構(gòu)建了長期低幅往復(fù)循環(huán)荷載下凍土三維彈塑性本構(gòu)模型，并利用試驗(yàn)結(jié)果完成模型驗(yàn)證及參數(shù)標(biāo)定。本文的主要研究內(nèi)容及其取得的主要成果如下：
　　(1)系統(tǒng)開展了凍土在高幅和長期低幅往復(fù)循環(huán)荷載下低溫循環(huán)三軸試驗(yàn)，研究了兩類荷載模式下累積剪應(yīng)變與累積體應(yīng)變隨著往復(fù)循環(huán)荷載振動次數(shù)的發(fā)展模式。繼而以動剪切模量和動體積模量作為反映凍土動力學(xué)性能的參數(shù)，分

4、別研究了高幅值和長期低幅往復(fù)循環(huán)荷載下動剪切模量和動體積模量在加載過程中的變化規(guī)律?；谠囼?yàn)結(jié)論，建立了動態(tài)模量與累積體應(yīng)變之間的關(guān)系，構(gòu)建了動剪切模量和動體積模量的計算模型。最后，通過開展不同溫度和不同初始含水量凍土循環(huán)三軸試驗(yàn)，提出了不同溫濕條件下凍土動力性能計算模型參數(shù)的獲取方法。
　　(2)分別開展了凍土常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)，凍土剪切加卸載試驗(yàn)和凍土各向同性加卸載試驗(yàn)，研究了凍土的強(qiáng)度特性，塑性流動特性和硬化特性。根據(jù)各自試驗(yàn)

5、結(jié)果，結(jié)合邊界面基本理論，分別構(gòu)建了邊界面方程，硬化準(zhǔn)則和剪脹方程等，形成了凍土三軸試驗(yàn)條件下動力邊界面塑性模型。利用廣義的 von Mises準(zhǔn)則，對模型進(jìn)行三維化，構(gòu)建了三維條件下的邊界面塑性模型。最后，對凍土動力邊界面塑性模型的參數(shù)進(jìn)行分析，研究了各個模型參數(shù)的作用機(jī)制及取值方法。
　　(3)針對目前求解增量型彈塑性本構(gòu)模型的數(shù)值積分算法，分析了各類算法的優(yōu)缺點(diǎn)。以廣義的彈塑性本構(gòu)模型為基礎(chǔ)，系統(tǒng)的推導(dǎo)了伴隨誤差控制的顯式子

6、步積分算法的作用機(jī)制及應(yīng)用流程。繼而利用伴隨誤差控制的顯式子步積分算法對前文所構(gòu)建的凍土邊界面塑性模型的積分過程進(jìn)行推導(dǎo)，并編制了計算程序。同時對該算法的性能進(jìn)行了評估，結(jié)果表明了該算法在求解積分強(qiáng)非線性的復(fù)雜彈塑性本構(gòu)模型的具有較大的優(yōu)越性。最后，利用凍土循環(huán)三軸試驗(yàn)結(jié)果對邊界面塑性模型的模擬能力及其參數(shù)取值進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　(4)系統(tǒng)開展了長期低幅往復(fù)循環(huán)荷載作用下凍土的循環(huán)三軸試驗(yàn)，分別研究了初始應(yīng)力比，初始體應(yīng)力，往復(fù)循環(huán)

7、荷載幅值，凍土溫度和初始含水量對凍土應(yīng)變累積強(qiáng)度和凍土應(yīng)變累積方向的影響規(guī)律。補(bǔ)充研究了初始應(yīng)力比對凍土動剪切模量和動體積模量的影響規(guī)律。前述試驗(yàn)結(jié)果為構(gòu)建長期低幅往復(fù)循環(huán)荷載下凍土三維彈塑性本構(gòu)模型奠定了基礎(chǔ)。
　　(5)基于長期低幅往復(fù)循環(huán)荷載作用下凍土循環(huán)三軸試驗(yàn)結(jié)果，分別構(gòu)建了凍土累積剪應(yīng)變的經(jīng)驗(yàn)公式和累積方向比的經(jīng)驗(yàn)公式，結(jié)合前文中所構(gòu)建的長期低幅往復(fù)循環(huán)荷載下動態(tài)模量的計算模型，在經(jīng)典彈塑性理論框架下建立了模擬凍土在長