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基于复合材料力学理论的冻土本构模型探索

作　者: 陈立杰
导　师: 王正中
学　校: 西北农林科技大学
专　业: 水工结构工程
关键词: 冻土复合材料夹杂理论 Mori-Tanaka方法本构模型
分类号: P642.14
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

冻土是一种由土骨架、冰、未冻水和气体组成的复杂的复合材料,因其内含有极具流变性的冰而与常规土的力学性质有很大的差异。自从崔托维奇的著名著作《冻土力学》问世以来,冻土力学有了很大发展。前苏联于上世纪30年代,北美于上世纪50年代就开始进行冻土力学性质的研究,我国在上世纪60年代初也开展了冻土力学的试验研究,并在70年代对冻土的强度和蠕变进行了系统研究。特别是作为中国新世纪四大工程之一的青藏铁路的修建,为冻土工作者提供了新的契机。但是在以往对冻土力学性质的研究过程中,国内外学者基本上都是从热力学、混合物理论等角度出发建立冻土的各种力学模型,从细观角度对冻土的力学本构关系的研究并不多。研究冻土的本构模型不仅对丰富和发展冻土力学有意义,而且对准确预报冻土地基的冻胀和融沉及冻土结构物的应力-应变状态具有十分重要的意义。本课题在系统阐述复合材料的发展过程和理论方法的基础上,针对冻土的组构特点和关键技术问题,提出开展冻土本构模型研究的一个技术路线,即将冻土视为复合材料,应用复合材料细观力学中的夹杂理论研究冻土的本构关系。从而大幅降低室内外实验数据次数,为冻土工程数值计算奠定了基础,为进一步了解冻土力学特性提供了理论依据。主要包括以下两个方面的内容:(1)宏观强度理论和细观力学研究。介绍了各向异性强度理论及交互作用理论,包括最大应力理论、最大应变理论,蔡-希尔准则、霍夫曼准则及蔡-吴应力张量多项式理论。讨论了如何利用单夹杂问题的解来近似得到复合材料代表单元的局部化关系,进而对复合材料有效模量进行估计。对这个问题求解作不同的假设形成了许多细观力学近似方法,为冻土弹性本构关系的推导提供帮助。(2)在冻土横观各向同性模型实验研究的基础上,总结了冻土强度特性及基于Sevostianov夹杂理论本构模型的研究现状及成果,并提出了将夹杂理论引入到冻土本构模型的研究中,简述了夹杂理论中的最基本的等效夹杂理论的原理,并用Mori-Tanaka方法推导了冻土最简单的弹性本构关系,给出了冻土的模量,干硬密实土及冰颗粒的平均应力与其细观结构的关系,实现了将冻土弹性本构模型表征为含冰率( R *)的函数关系。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第一章绪论  10-19
  1.1 冻土本构研究背景及意义  10-14
  1.2 冻土本构研究现状  14-15
  1.3 复合材料力学理论简介  15-17
    1.3.1 复合材料宏观力学  16-17
    1.3.2 复合材料细观力学  17
  1.4 论文主要研究内容及技术路线  17-19
    1.4.1 研究的主要内容及创新点  17-18
    1.4.2 研究方法及技术路线  18-19
第二章复合材料力学理论简介  19-28
  2.1 复合材料宏观强度理论  19-23
    2.1.1 引言  19
    2.1.2 各向异性强度理论  19-23
  2.2 复合材料细观力学  23-27
    2.2.1 Eshelby 张量  23
    2.2.2 Mori-Tanaka 方法  23-24
    2.2.3 椭球型夹杂问题  24-27
  2.3 小结  27-28
第三章基于细观力学的横观各向同性冻土弹性常数及强度预测  28-31
  3.1 问题的提出  28-29
  3.2 冻土弹性常数的预测  29-30
  3.3 小结  30-31
第四章基于夹杂理论的冻土本构模型研究  31-45
  4.1 基于复合材料力学的横观各向同性本构模型  31-43
    4.1.1 基于Sevostianov 夹杂理论的冻土弹性本构模型模型  31-38
    4.1.2 基于Mori-Tanaka 方法的冻土弹性本构关系模型  38-43
  4.2 结论  43-45
第五章结论与展望  45-46
  5.1 结论  45
  5.2 展望  45-46
参考文献  46-49
致谢  49-50
作者简介  50

基于复合材料力学理论的冻土本构模型探索

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