饱和黏土热—力耦合本构模型研究

作     者：林志远 

作者单位：福州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：熊传祥;谢永宁

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 080104[工学-工程力学] 0815[工学-水利工程] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：饱和黏土 热力耦合 广义塑性 二次开发 能量桩 

摘      要：随着热技术改良软土地基与能源桩(或地源热泵技术)等工程应用的出现与推广,岩土体力学特性与温度之间的关系逐渐成为研究的焦点。受制于热作用对土体力学特性影响的复杂性,对能源结构物与地基土之间的热力耦合机理的认识仍较为欠缺。为探究热作用对土体特性的影响以及结构物与地基之间的热力耦合作用关系,开展了饱和黏土的热力耦合模型研究。基于黏性土广义塑性模型,提出了一个半经验性的热-变形模型。该模型能够反映饱和黏土的热收缩变形随超固结比增大逐渐减小的特点,还能刻画热体积变形随温度循环次数逐渐累积的特征。成功构建能够反映饱和黏土热力特性的热-剪切模型。热-剪切模型仅额外引进2个热相关的模型参数,既能刻画等温、非等温条件下不同应力历史饱和黏土的硬化、软化以及剪胀特性,又能模拟非等温条件下土体剪胀性和剪切强度随温度升高而增大的岩土特性。热-力耦合本构模型(简称:TMGPM,Thermo-mechanical Coupled Generalized Plasticity for Clays)易于数值实现,借助岩土有限差分数值软件开展热-力耦合本构模型二次开发研究,并通过单元试验验证二次开发的可靠性。为了便于模型的数值实现推导了热-力耦合本构模型的差分方程,给出模型的数值积分算法步骤,以及阐述了二次开发开发过程中的技术难点与解决方案。热-力耦合本构模型的工程应用价值通过能量桩的数值模拟得以验证。数值模拟探究了长期温度循环作用下不同应力历史地基土的热变形对能量桩热力特性的影响,研究结果表明:桩顶位移与地基土应力历史相关,长期温度循环作用下的桩顶累积位移随着超固结比增大而减小,且主要受土体的热塑性变形控制,与桩身热变形和地基土热弹性变形关系不大。