非饱和土MGCM与拉-剪耦合强度模型的数值实现及在土质边坡工程中的应用
发布时间：2020-10-08 20:54
随着我国基础设施建设的不断推进,大量工程在其修建过程中不可避免的会遇到边坡稳定性问题。同时由于地下水位线的影响,绝大部分边坡是处于非饱和状态的。而当前非饱和土边坡的失稳破坏主要是通过强度与水-力耦合两个方面考虑,但都存在一些问题。如强度方面只是考虑了边坡的压剪破坏,而忽略了其顶部拉应力的作用,但在实际工程中,边坡的稳定性往往会受到土体拉-剪耦合强度与压-剪耦合强度的共同影响;而水-力耦合方面大都是以某一时刻的渗流场为初始条件,通过考虑吸力的变化来影响土体的变形,但这是一种与时间相关的假耦合计算方法,会忽略流体流动过程与土骨架变形过程中的耦合作用。因此,本文以南方某一实际边坡为工程实例背景,通过ABAQUS软件中的二次开发接口,分别考虑了降雨入渗过程中的水力和力学耦合效应和坡顶拉应力对非饱和土质边坡渗流与稳定性的影响。取得以下成果:(1)基于已有的可以考虑土体微观结构的非饱和土水-力耦合模型(Modified Glasgow Coupled Model,简称 MGCM)理论,使用 Fortran 语言,编写了 MGCM模型计算程序,并通过对已有试验进行模拟,验证了程序的正确性;随后又利用ABAQUS软件中的UMAT子程序接口,将MGCM模型扩展到了 ABAQUS软件中,而对三轴试样进行的干湿循环试验模拟,则证明了程序的合理性。(2)以南方某一实际边坡为工程实例,在考虑不同降雨强度与不同降雨时长的情况下,通过利用所开发的符合MGCM模型的UMAT子程序,对极端降雨条件下的非饱和土质边坡渗流场与位移场的演化规律进行了数值研究。而对模拟结果中的孔压分布、流速矢量、水平位移变化及特征点数据进行的分析,则证明了该程序能很好的给出降雨过程中边坡内部渗流场的变化规律,同时由于考虑了降雨过程中流体与土骨架变形间的耦合效应,因此获得的边坡位移场更加真实有效。(3)通过采用向后欧拉完全隐式积分算法,开发了符合拉-剪耦合强度模型的UMAT子程序,由此解决了传统的Mohr-Coulomb强度准则会过高地估计土体抗拉强度的问题,并对黏土的抗拉强度进行了模拟,验证了程序的正确性。(4)根据相同的边坡计算模型,在考虑不同降雨时长的情况下,通过利用所开发的符合拉-剪耦合强度准则的UMAT子程序,采用强度折减系数法,对非饱和土质边坡稳定性进行了模拟研究。其数值结果表明:针对于边坡滑裂面的发展过程以及降雨条件下的边坡稳定性等问题,该程序能够给出很好的描述。
【学位单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TU43
【部分图文】：
向等压状态下的试验研宄，在（户，ｄ应力空间内分别定义了加载－坍塌（Ｌｏａｄｉｎｇ逡逑Ｃｏｌｌａｐｓｅ，简称ＬＣ）屈服线和吸力增加（Ｓｕｃｔｉｏｎ邋Ｉｎｃｒｅａｓｅ，简称ＳＩ）屈服线，由此逡逑构成了一个弹性区域，如图１－１所示＾逦逡逑Ｓ邋Ｓ邋—邋Ｓｑ逡逑Ａ个邋Ｐｏ逡逑＜逦逦？逡逑，－ｋｓ＼邋弹性区邋Ｊ－逦逡逑＼逦ｙ邋Ｐ0＿邋＿邋（尸。）办逡逑＼逦Ｘ邋Ｐｃ邋Ｐｃ逡逑逦＾——＾逡逑0邋＾0＝＾0（0）逦ｐ逡逑图１－１各向等压状态下ＬＣ、ＳＩ屈服曲线逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋ＬＣ邋ａｎｄ邋ＳＤ邋ｙｉｅｌｄ邋ｃｕｒｖｅｓ邋ｆｏｒ邋ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ邋ｓｔｒｅｓｓ邋ｓｔａｔｅｓ逡逑通过假定非饱和土的临界状态线斜率与饱和土相同，在饱和土的修正剑桥模逡逑型基础上，对（ｐ，Ｗ应力空间内的模型进行了推导，得到了邋ＬＣ方程表达式：逡逑ＬＣ邋：邋Ｍｐ，ｑ，ｓ，ｐ０）邋＝邋ｑ２－Ｍ＼Ｐ＋Ｐｓ）（Ｐ０－Ｐ）邋＝邋０逦（１－１）逡逑通过假定ＳＩ屈服线为一条直线，得到了相应的ＳＩ方程表达式：逡逑Ｓ’邋：邋，２邋（夕，夕０）邋＝邋￥邋－邋￥０邋二邋0逦（１－２）逡逑５逡逑
逑三维状态下ＢＢＭ模型的方程表达式，即是上述ＬＣ方程与ＳＩ方程组成的联合方逡逑程组，其对应的（／？，＋邋ｄ应力空间内的完整屈服面如图１－２所示。逡逑９逡逑Ｐｏ逡逑图１－２三维应力下的屈服面【２５］逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｔｈｅ邋ｙｉｅｌｄ邋ｃｕｒｖｅｓ邋ｆｏｒ邋ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ邋ｓｔｒｅｓｓ邋ｓｔａｔｅｓ１２５１逡逑ＢＢＭ模型可以对诸多的非饱和土问题进行解释，如：湿化过程中产生的湿陷逡逑现象；吸力变化引起不可恢复的塑性体积变形等。ＢＢＭ模型作为非饱和土本构模逡逑型研究的开端，为后续更加复杂的模型建立提供了强有力的理论支撑。逡逑②ＧＣＭ邋（Ｇｌａｓｇｏｗ邋Ｃｏｕｐｌｅｄ邋Ｍｏｄｅｌ）模型逡逑在ＢＢＭ模型建立后的十几年中，以吸力作为独立应力变量的本构模型迅猛发逡逑展，但是随着试验研究的不断进行，人们发现：同一土体，在相同的吸力、不同逡逑的饱和度条件下，也会表现出完全不同的力学特性，而且土体的固相变形也会引逡逑起非饱和土的ＳＷＣＣ发生移动［３Ｇ，３１］。这让研究人员意识到，除了吸力变化会对非逡逑饱和土的力学性质产生影响外，饱和度变化也会对土颗粒之间的毛细连接数目和逡逑连接强度产生影响
建立了非饱和土的体积变化方程。随后又以体积变化方程为基础，推导出逡逑了非饱和土屈服应力和剪切强度随吸力变化的方程表达式，其各向等压状态下（ｐ，逡逑ｄ应力空间内的屈服曲线如图１－４所示。逡逑７逡逑
【学位单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TU43
【部分图文】：
向等压状态下的试验研宄，在（户，ｄ应力空间内分别定义了加载－坍塌（Ｌｏａｄｉｎｇ逡逑Ｃｏｌｌａｐｓｅ，简称ＬＣ）屈服线和吸力增加（Ｓｕｃｔｉｏｎ邋Ｉｎｃｒｅａｓｅ，简称ＳＩ）屈服线，由此逡逑构成了一个弹性区域，如图１－１所示＾逦逡逑Ｓ邋Ｓ邋—邋Ｓｑ逡逑Ａ个邋Ｐｏ逡逑＜逦逦？逡逑，－ｋｓ＼邋弹性区邋Ｊ－逦逡逑＼逦ｙ邋Ｐ0＿邋＿邋（尸。）办逡逑＼逦Ｘ邋Ｐｃ邋Ｐｃ逡逑逦＾——＾逡逑0邋＾0＝＾0（0）逦ｐ逡逑图１－１各向等压状态下ＬＣ、ＳＩ屈服曲线逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋ＬＣ邋ａｎｄ邋ＳＤ邋ｙｉｅｌｄ邋ｃｕｒｖｅｓ邋ｆｏｒ邋ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ邋ｓｔｒｅｓｓ邋ｓｔａｔｅｓ逡逑通过假定非饱和土的临界状态线斜率与饱和土相同，在饱和土的修正剑桥模逡逑型基础上，对（ｐ，Ｗ应力空间内的模型进行了推导，得到了邋ＬＣ方程表达式：逡逑ＬＣ邋：邋Ｍｐ，ｑ，ｓ，ｐ０）邋＝邋ｑ２－Ｍ＼Ｐ＋Ｐｓ）（Ｐ０－Ｐ）邋＝邋０逦（１－１）逡逑通过假定ＳＩ屈服线为一条直线，得到了相应的ＳＩ方程表达式：逡逑Ｓ’邋：邋，２邋（夕，夕０）邋＝邋￥邋－邋￥０邋二邋0逦（１－２）逡逑５逡逑
逑三维状态下ＢＢＭ模型的方程表达式，即是上述ＬＣ方程与ＳＩ方程组成的联合方逡逑程组，其对应的（／？，＋邋ｄ应力空间内的完整屈服面如图１－２所示。逡逑９逡逑Ｐｏ逡逑图１－２三维应力下的屈服面【２５］逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｔｈｅ邋ｙｉｅｌｄ邋ｃｕｒｖｅｓ邋ｆｏｒ邋ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ邋ｓｔｒｅｓｓ邋ｓｔａｔｅｓ１２５１逡逑ＢＢＭ模型可以对诸多的非饱和土问题进行解释，如：湿化过程中产生的湿陷逡逑现象；吸力变化引起不可恢复的塑性体积变形等。ＢＢＭ模型作为非饱和土本构模逡逑型研究的开端，为后续更加复杂的模型建立提供了强有力的理论支撑。逡逑②ＧＣＭ邋（Ｇｌａｓｇｏｗ邋Ｃｏｕｐｌｅｄ邋Ｍｏｄｅｌ）模型逡逑在ＢＢＭ模型建立后的十几年中，以吸力作为独立应力变量的本构模型迅猛发逡逑展，但是随着试验研究的不断进行，人们发现：同一土体，在相同的吸力、不同逡逑的饱和度条件下，也会表现出完全不同的力学特性，而且土体的固相变形也会引逡逑起非饱和土的ＳＷＣＣ发生移动［３Ｇ，３１］。这让研究人员意识到，除了吸力变化会对非逡逑饱和土的力学性质产生影响外，饱和度变化也会对土颗粒之间的毛细连接数目和逡逑连接强度产生影响
建立了非饱和土的体积变化方程。随后又以体积变化方程为基础，推导出逡逑了非饱和土屈服应力和剪切强度随吸力变化的方程表达式，其各向等压状态下（ｐ，逡逑ｄ应力空间内的屈服曲线如图１－４所示。逡逑７逡逑
【参考文献】
相关期刊论文 前9条
1 汤连生;桑海涛;罗珍贵;孙银磊;;土体抗拉张力学特性研究进展[J];地球科学进展;2015年03期
2 陈正汉;;非饱和土与特殊土力学的基本理论研究[J];岩土工程学报;2014年02期
3 李荣建;刘军定;郑文;闫蕊;邵生俊;;基于结构性黄土抗拉和抗剪特性的双线性强度及其应用[J];岩土工程学报;2013年S2期
4 王惠敏;张云;鄢丽芬;;粘性土试样高度对抗拉强度的影响[J];水文地质工程地质;2012年01期
5 朱丽娟;王铁行;胡p
本文编号：2832746
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