剪胀软化本构的拟静力计算适用性及效应评价

作     者：宋家庆 

作者单位：苏州科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：顾欢达

授予年度：2019年

学科分类：081803[工学-地质工程] 08[工学] 080104[工学-工程力学] 0818[工学-地质资源与地质工程] 0815[工学-水利工程] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：弹塑性 显式计算 拟静力 波动比 

摘      要：在自然灾害以及工程灾害中,山体滑坡、基坑塌方等一直以来对人们造成了重大经济损失甚至对生命构成威胁。许多灾害的产生多数是由于原本处于稳定状态的岩土系统受到外界的干扰,例如:地震、洪水、车辆超载、过度开采地下资源的影响等,从而导致地下土体发生渐进破坏,产生剪切带(滑动面,界面层),导致土体沿着剪切带滑动脱落造成事故。剪切带的产生,多数是土体在剪切过程中软化造成的。因此在岩土工程中,采用能够综合反应土体硬化、软化特性及体变特性的本构,对探索岩土工程变形破坏过程的力学行为,应变局部化剪切带、界面层的形成和发展显得尤为重要。本文基于剪胀软化、剪缩硬化统一模型,采用动力学显式算法解决软化岩土材料计算时静力学隐式算法迭代不收敛的问题。为将此方法应用到岩土等非线性材料的计算中,考虑到显式算法中动能的影响会导致结果波动,分析动力学显式算法在模拟计算中的拟静力加载速度的选取十分必要,如何在缩短模拟消耗时间与结果准确性之间寻求平衡是本文研究重点之一。研究中提出以加载-位移曲线的波动比来评价拟静力计算效果,首先开展弹性材料的平面应变模拟试验以分析弹模、密度、泊松比、围压4个参数对拟静力加载速度取值的影响,结果表明:弹模、泊松比、围压的增大会提高拟静力加载速度;密度的增大则会减小拟静力加载速度。通过对各影响因素与拟静力加载速度的相关性分析给出了拟静力加载速度取值的经验公式。然后以调整系数将该公式扩展应用至剪胀软化、剪缩硬化统一模型材料,为后续非线性材料的显式拟静力模拟计算提供参考。通过拟静力模拟计算,对剪胀软化、剪缩硬化统一模型本构进行工程效应评价。本文通过LS-DYNA对挡土墙土压力、地基承载力两个典型问题进行模拟。在模拟中,分别采用摩尔库伦本构和自定义本构软化、硬化情况下的三种砂土进行模拟计算,并将朗肯土压力理论和太沙基地基极限承载力理论的解进行对比。结果表明:剪胀软化本构的拟静力计算方法能够合理的应用到具有软化特性的工程模拟中,采用动力学显式算法解决了软化本构在静力学隐式算法求解中的不收敛问题,降低了动力学显式算法解决静力学问题带来的结果波动影响,优化了结果准确性与计算资源消耗之间的平衡;该模型能够较好的反应土体硬化、软化特性以及体变特性,满足了实际岩土工程模拟中的综合需求;采用该本构进行拟静力法模拟,突破了传统理论分析基于破坏面上的点同时达到极限状态假设条件的局限性,能够反映土体应变局部化至整体破坏的过程即渐进破坏的过程,更符合工程实际。研究成果对于岩土工程稳定分析与控制有着重要指导意义。