基于最大能量耗散率原理的黄土弹塑性本构模型参数的研究

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黄土在我国广泛分布,应用在多类施工建设中,因具有不同于一般材料的特殊力学特性,其工程性质决定着施工设计和地基处理措施,数值模拟是分析黄土应力-应变关系的重要方法,并且本构模型的选择和本构参数的确定是数值分析中重要一环。目前应用广泛的黄土本构模型分为弹性和弹塑性本构模型两类,弹性本构模型对土体的假设过于简单,弹塑性本构模型则会出现不满足热力学定律的情况,而基于最大能量耗散率原理的黄土弹塑性本构模型更加严谨,因此确定该本构模型的参数对黄土地区的设计施工中具有重要的理论及实际工程意义。本文以泾阳南塬为研究区域,以Q3马兰黄土为研究对象,选用基于最大能量耗散率原理黄土本构模型,针对该本构模型的参数设计了系统的试验方案,分析了马兰黄土各项参数随含水率和干密度的变化规律,并通过Abaqus软件二次开发对黄土边坡进行数值模拟。论文取得的主要成果如下:(1)试验方案设计。根据基于最大能量耗散率原理的黄土弹塑性本构模型的特点,确定本构模型所需要的弹性参数和塑性参数,总结出一套确定基于最大能量耗散率原理的黄土弹塑性本构模型参数的试验方案。通过固结不排水三轴试验确定弹性参数泊松比v、初始弹性模量Ei、体积模量K、剪切模量G;通过固结不排水三轴加卸载试验确定塑性参数中塑性剪应变H(eip)的硬化函数;通过静水压缩加卸载试验确定塑性参数中塑性体应变V(εvp)的硬化函数。(2)本构参数取值范围及规律。通过一系列不同含水率、干密度、围压的试验,确定泾阳南塬地区基于最大能量耗散率原理的黄土弹塑性本构模型中参数的取值范围及变化规律。试验结果表明泊松比v为常数0.3;剪切模量G取值在20 MPa到155 MPa之间;体积模量K取值在44 MPa到337 MPa之间。体积模量K和剪切模量G随着含水率的增大而逐渐减小、随着干密度的增大而逐渐增大;硬化函数H(eip)呈双曲线形式,塑性剪应变随着含水率增大而增大、随着干密度增大而减小;硬化函数V(εvp)呈三次函数形式,呈“~”型,塑性体应变随着含水率增而增大、随着干密度而减小。(3)数值模拟应用。将基于最大能量耗散率原理的黄土弹塑性本构模型在Abaqus中进行二次开发,并通过模拟三轴试验进行测试,与莫尔—库伦模型的结果以及试验的结果相验证,结果表明用户自定义材料子程序的应力-应变曲线更吻合。以泾阳南塬的黄土边坡为例,将用户自定义材料子程序应用其中,对天然状态下的边坡进行模拟,确定边坡的稳定性,验证了基于最大能量耗散率原理的黄土弹塑性本构模型的可靠性及实用性。
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