土的拉-剪和压-剪联合强度模型及应用

发布时间：2020-03-29 10:33

【摘要】：土体的拉-剪耦合破坏和压剪破坏是土坡、堤防、路基及垃圾填埋场等边坡失稳破坏的主要破坏模式,边坡的稳定性受土的拉剪耦合强度和压剪强度的共同影响。而传统的压剪强度理论建立在土体受压-剪应力作用的基础上,不适用于分析土的拉剪耦合强度特性。目前还未形成完整的、工程界认可的、能够综合考虑拉剪耦合强度和压剪强度的联合强度理论。因此,开展土的拉-剪和压-剪联合强度理论研究具有重要的理论和实际工程应用意义。本文在前人研究成果的基础上,探讨建立了平面应力及三维应力条件下土的拉-剪和压-剪联合强度模型,并通过有限元实现研究了其在边坡稳定性分析中的适用性。本文的主要研究工作包括:(1)基于土的联合强度理论研究成果,分析了土中拉剪耦合强度作用机制,通过分别讨论土在拉-剪耦合应力作用和压-剪应力作用下的强度特征,提出并建立了一种饱和黏土的拉-剪和压-剪联合强度模型。经与已有的试验结果以及室内不同黏土的单轴拉伸试验、直剪试验和三轴剪切试验结果对比,所建立的强度模型能较好的描述饱和黏土的拉剪耦合强度及压剪强度特征。(2)基于基质吸力中的毛细部分和黏吸部分对土体强度的不同作用机制,分别建立了理想毛细强度公式和理想黏吸强度公式,并利用参与函数反映这两部分基质吸力对土体强度的贡献率,提出了一种非饱和黏土的压剪强度模型。模型预测与试验数据的对比表明,该模型能较好的描述土在广吸力范围的压剪强度特性。并基于压剪强度模型,建立了非饱和黏土的拉-剪和压-剪联合强度模型。经与试验数据的对比,模型能够较好的预测非饱和黏土的拉剪耦合强度及压剪强度。(3)通过综合考虑拉剪耦合强度作用机制和中主应力效应,将拉-剪和压-剪联合强度模型扩展到三维应力空间,分别建立π平面与三轴压缩子午面上的破坏函数,并采用线性变换方法建立了三维主应力空间的非线性强度模型。通过将模型预测结果与砂土、粉土和黏土等不同类型土的试验数据对比表明,土的三维非线性强度模型适用于多种土体类型,能够较好地描述其在三维应力作用下的拉剪耦合强度特性,并较好的体现中主应力效应的影响。(4)基于上述三维非线性强度模型,以ABAQUS软件为平台进行UMAT二次开发,采用隐式向后欧拉积分算法编制了UMAT本构程序,并通过数值试验对程序算法的准确性进行了验证。随后,将其应用到边坡稳定性分析中,采用有限元强度折减法,分析了一般边坡、未降雨及降雨条件下的非饱和土边坡的稳定性问题。对比M-C强度模型,数值计算结果体现了该模型在描述边坡的变形破坏机制、等效塑性区和临界滑裂面的渐进性发展过程以及稳定性评价等方面的优越性,具有一定的实用价值。
【图文】：

三轴拉伸试验,破坏模式

进行了压实黏土的三轴拉伸试验和拉压循环试验，压的应力应变关系曲线，并认为土体发生脆性断裂破坏。骆亚）邋［４２］通过对扰动黄土试样开展单轴拉伸试验，研究了黄土抗拉密度、饱和度以及基质吸力间的关系。党进谦等（２００１）邋［４３］在功研发了应变控制卧式单轴土工拉伸仪，并在此基础上研宄了和朱俊高（２００６）邋［４４］设计了一套能进行土体单轴拉伸试验的夹万能试验机上，采用应力控制或应变控制来对圆柱体形试样进了抗拉强度随着前期固结压力的增加而增加，固结压力较小时张琰（２００９）邋［８］研制了一种新型的卧式三轴拉压试验仪，采用应，对两种黏土进行了三轴拉伸试验，发现黏土试样的破坏可能张拉破坏、中围压时的张拉－剪切复合破坏以及高围压时的剪切图２－２中的破坏试样所示。逡逑

非饱和土,抗拉强度,保水,概念模型

毛细吸力等土颗粒间各种作用力的综合，与含水量、饱和度和基质吸力关［４９］。在实际应用中，经常有学者出于简化考虑采用Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ强延长直线段来预测土体的抗拉强度，但由于拉应力区强度的高度非线性，显著的高估土体的抗拉强度及拉剪耦合作用时的强度。逡逑Ｍｏｒｒｉｓ邋（１９９２）邋［４９］通过对非饱和土壤开裂的研宄，基于Ｆｒｅｄｌｕｎｄ型抗式［１８］将非饱和土的抗拉强度表示为有效黏聚力和基质吸力的函数，，其具为：逡逑＜ｔ，邋＝邋—ａＴｃ邋ｃｏｔ邋（ｐ邋＝邋－ａＴ邋＾ｃ＇邋＋邋（ｕａ邋—ｕｊ）邋ｔａｎ邋＜ｐｈ邋Ｊ邋ｃｏｔ邋ｃｐ＇逦（中：ａ；■为抗拉强度参数，取值为０．５￣０．７；邋ｔａｎ，为抗剪强度随基变化的速率。逡逑Ｖｅｓｇａ等（２００６）邋［５（）］采用单轴拉伸试验和巴西劈裂试验分别测试了非饱在不同含水量时的抗拉强度，结果表明非饱和高岭土的抗拉强度随含水呈现先增大后减小的现象。邢义川等（１９９９）邋［５１］、李晓军等（２００９）邋［５２］等（２０１３）邋［４７］针对不同非饱和土的拉伸试验也得到了相似结果。逡逑
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU41

【参考文献】