往复循环荷载下冻土动力性能与弹塑性本构模型

1、往复循环荷载下冻土动力性能与弹塑性本构模型目前 , 我国重大基础设施工程建设的重心正逐步向寒冷地区转移, 作为寒区工程的基础承载主体 , 冻土构筑物在各类环境及运营条件下的动力设计方法和服役性能评价正逐步得到工程建设者及相关研究者的关注。冻土作为典型的特殊岩土材料 , 其力学性能包括动力学性能与未冻土存在显著的差异, 对温度、含水量等环境因素的变化极为敏感。优化寒区冻土工程动力设计方法, 系统发展冻土构筑物的动力稳定性能评价流程需要深入了解冻土动力学性能, 构建可以合理模拟冻土在各类动力荷载作用下变形特性的本构模型。鉴于此, 作者聚焦于工程中最为普遍的往复循环加载模式 , 通过开展冻土的低温循

2、环三轴试验 , 系统研究了冻土在高幅和长期低幅往复循环荷载下动力性能的变化规律 , 构建了相应的计算模型。进而开展冻土力学基本试验 , 研究了冻土的强度特性、塑性流动特性和硬化特性。基于边界面基本理论 , 发展了冻土动力边界面塑性模型。继而 , 利用伴随误差控制的显式子步积分算法完成了边界面塑性模型的积分求解 , 并对该模型进行了验证与参数标定。 同时 , 基于冻土在长期低幅往复循环荷载下塑性应变累积速率和塑性应变累积流动特性 , 结合经典弹塑性理论框架 , 构建了长期低幅往复循环荷载下冻土三维弹塑性本构模型 , 并利用试验结果完成模型验证及参数标定。本文的主要研究内容及其取得的主要成果如下

3、:(1) 系统开展了冻土在高幅和长期低幅往复循环荷载下低温循环三轴试验 , 研究了两类荷载模式下累积剪应变与累积体应变随着往复循环荷载振动次数的发展模式。 继而以动剪切模量和动体积模量作为反映冻土动力学性能的参数, 分别研究了高幅值和长期低幅往复循环荷载下动剪切模量和动体积模量在加载过程中的变化规律。基于试验结论 , 建立了动态模量与累积体应变之间的关系, 构建了动剪切模量和动体积模量的计算模型。最后, 通过开展不同温度和不同初始含水量冻土循环三轴试验 , 提出了不同温湿条件下冻土动力性能计算模型参数的获取方法。(2) 分别开展了冻土常规三轴压缩试验 , 冻土剪切加卸载试验和冻土各向同性加卸载

4、试验 , 研究了冻土的强度特性 , 塑性流动特性和硬化特性。 根据各自试验结果 , 结合边界面基本理论 , 分别构建了边界面方程 , 硬化准则和剪胀方程等 , 形成了冻土三轴试验条件下动力边界面塑性模型。利用广义的 von Mises 准则 , 对模型进行三维化 , 构建了三维条件下的边界面塑性模型。最后 , 对冻土动力边界面塑性模型的参数进行分析 , 研究了各个模型参数的作用机制及取值方法。(3) 针对目前求解增量型弹塑性本构模型的数值积分算法 , 分析了各类算法的优缺点。以广义的弹塑性本构模型为基础 , 系统的推导了伴随误差控制的显式子步积分算法的作用机制及应用流程。继而利用伴随误差控制的

5、显式子步积分算法对前文所构建的冻土边界面塑性模型的积分过程进行推导 , 并编制了计算程序。同时对该算法的性能进行了评估 , 结果表明了该算法在求解积分强非线性的复杂弹塑性本构模型的具有较大的优越性。最后 , 利用冻土循环三轴试验结果对边界面塑性模型的模拟能力及其参数取值进行了验证。 (4) 系统开展了长期低幅往复循环荷载作用下冻土的循环三轴试验 , 分别研究了初始应力比 , 初始体应力 , 往复循环荷载幅值 , 冻土温度和初始含水量对冻土应变累积强度和冻土应变累积方向的影响规律。补充研究了初始应力比对冻土动剪切模量和动体积模量的影响规律。前述试验结果为构建长期低幅往复循环荷载下冻土三维弹塑性本构模型奠定了基础。(5) 基于长期低幅往复循环荷载作用下冻土循环三轴试验结果 , 分别构建了冻土累积剪应变的经验公式和累积方向比的经验公式 , 结合前文中所构建的长期低幅往复循环荷载下动态模量的计算模型 , 在经典弹塑性理论框架下建立了模拟冻土在长期低幅往复循环荷载下弹塑性性变形特性的本构