各向异性砂土的多尺度渐进破坏与亚塑性本构描述

发布时间：2020-06-07 08:07

【摘要】：砂土宏观连续、细微观离散、失稳和破坏都是渐进的过程,复杂的多尺度机理造成其稳定和变形分析长期单独、分开进行研究。传统弹塑性理论复杂及其模型参数多造成其渐进破坏的工程应用非常困难,同时渐进破坏涉及到剪切带产生后的局部化变形,多尺度研究无法避免。为此,本文用离散元模拟砂土真实三维空间的变形破坏过程,借助李学丰等在砂土细观组构定量测定方面的研究成果,将细微组构特性和宏观渐进破坏特性联系起来,基于新的建模思想——亚塑性理论,构建组构相关的各向异性模型,并考虑主应力轴旋转对宏观力学特性影响,最终借助离散元、有限元、微极理论在描述砂土渐进破坏的优势,利用双轴试验的应变局部化宏观现象,从多尺度结合的角度研究砂土的渐进破坏特性。主要工作和结论如下:(1)基于离散元法构建了不同颗粒形状的试样,模拟真三轴及双轴试验条件下应力应变关系,研究微观组构演化对宏观力学特性的影响。首先,将不同形状的颗粒进行定量描述,然后建立真三轴和双轴数值模型,在宏观尺度,研究了恒定平均应力下,中主应力系数对砂土的强度与变形特性的影响;在微观尺度探究了颗粒形状对砂土的强度与变形特性的影响,给出了加载过程中砂土组构的演化规律,利用偏组构的概念描述了颗粒形状对砂土各向异性程度的影响。(2)建立亚塑性本构模型研究砂土细观组构对其强度与变形特性的影响。采用宏细观相结合的方法,利用组构张量和应力张量的概念,建立了组构相关的各向异性状态变量,该变量的物理意义清晰,形式较为简单。将各向异性状态变量引入亚塑性本构模型中的临界状态方程中,推导了考虑砂土细观组构的亚塑性本构模型,使得亚塑性模型可考虑应力历史,并反映孔隙比及细观组构的影响。(3)建立了考虑主应力轴旋转的各向异性亚塑性本构模型。在组构张量中引入主应力轴的旋转效应,并将该组构张量和应力张量结合,构建了可考虑主应力轴旋转的各向异性状态变量,基于该变量推导了可考虑主应力轴旋转的各向异性亚塑性本构模型。探讨了平面应变条件下主应力轴旋转对各向异性状态变量、临界状态以及模型强度与变形特性的影响,并用平面应变试验结果进行了模型验证。(4)基于有限元法结合微极理论(Micropolar theory)与推导的可考虑细观组构的亚塑性本构模型,分析了砂土细观组构对于应变局部化的影响。将可考虑微观尺寸效应的微极理论与亚塑性本构模型相结合,在Abaqus软件中建立平面应变数值模型,一方面研究了微极理论中“特征长度”对剪切带宽度的影响,另一方面从剪切带形成的时刻、角度、初始形态及旋转速度等方面探究了细观组构对应变局部化的影响。
【图文】：

示意图,填充法,不规则形状,颗粒

形成新的集合。本文采用方法（丨）来生成三种不同形状的颗粒簇（椭球、三角体、正方体），此方法逡逑既可以反应颗粒形状对于砂土宏微观力学特性的影响，又保证了比较高效的计算效率。逡逑图２－１为两种不规则形状颗粒生成的示意图，图２－２为本文中所用到的几种颗粒形状。逡逑激赢逡逑⑷逦（ｂ）逡逑图２－１不规则形状颗粒生成示意图：⑷粘结法：（ｂ）填充法逡逑如图２－２所示，，在本文中一共用到了四种不同形状的颗粒，其中，椭球体、三角体、正方体逡逑－８－逡逑

示意图,颗粒形状,凹凸度,椭球

（ｃ）凹凸度Ｃ逦（ｄ）反应颗粒真实形状逡逑图２－３颗粒形状描述示意图：（ａ）长短轴比ＡＲ；邋（ｂ）球度Ｓ；邋（ｃ）凹凸度Ｃ；邋（ｄ）反应颗粒真实形状逡逑如图２－３（ａ）所示，ＡＲ指的是颗粒的最短轴ｄｍｉｎ和最长轴ｄｍａｘ之比；图２－３（ｂ）中，Ｓ指与颗逡逑－９－逡逑
【学位授予单位】：宁夏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU441

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