学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

高填方路堤流变沉降本构模型及其计算方法研究

作　者: 王智超
导　师: 罗迎社；钟新谷
学　校: 湘潭大学
专　业: 一般力学与力学基础
关键词: 高填方路堤流变沉降本构模型分数阶微积分参数辨识粘弹性有限元
分类号: U416.12
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
下　载: 145次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

随着我国高速公路逐步向多丘多山的中西部地区延伸,在这些地区修筑高速公路不可避免地出现了大量填切高度在10～30米的高填方路基,如何有效计算和预测高填方路堤工后沉降,消除路堤沉降所带来的危害已成为中西部地区公路建设科技领域的一个重要课题。本文以粘弹性流变理论为基础,从对路基流变沉降的本构模型入手,主要开展以下研究工作:(1)结合已建和在建的高填方工程实例,就高填方问题产生的原因、表现形式以及导致其流变沉降的因素等问题进行了较为深入剖析,并通过对路基填土的流变性开展室内试验研究,从流变实验装置的设计、实验方案的制订到流变实验的实施,形成较为完整的岩土材料室内流变规程,获得了一系列实验数据,为高填方路基沉降计算提供参考。(2)在流变实验的基础上对岩土材料流变本构模型的建立进行深入探讨,通过对已有流变本构模型的优缺点的比较,本文最终选择了基于分数阶微积分的流变本构模型,并对该类模型中普遍存在的量纲问题进行了探讨。通过引入名义松弛时间不仅解决了本构关系中的量纲问题,而且结合流变学中Deborah数,更为深刻地揭示了岩土流变实验中时间尺度效应,并基于分数阶微积分理论和Mittag-Leffler函数建立了压实土的三参数和四参数类Maxwell以及四参数类Kelvin-Voigt流变本构模型,采用含权值的面积判定函数以及逐点搜索的方式,实现了本构模型参数的自动辨识。(3)在建立的流变本构模型的基础上对高填方路堤在填筑过程以及工后的沉降变形问题进行了力学模型抽象,利用弹性半空间在荷载作用应力分布的Boussineq-Flamant解析解,按照弹性-粘弹性对应原理,并采用基于分数阶微积分的流变本构得到了半无限粘弹性空间下的应力分布及位移变化的解析近似解,进而研究了高填方路堤自身的应力分布及变形的解析近似解,最终得到了较为完整的高填方路堤流变沉降的简化计算公式。(4)基于粘弹性有限元方法,借助大型通用非线性有限元软件ADINA,通过采用粘弹性材料模式,利用单元生死技术,着重探讨了高填方路堤在三维复杂边界条件下的流变性状,并模拟了地形、填筑速度以及路堤边坡等因素对其流变沉降量的影响。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第1章绪论  9-22
  1.1 高填方路堤流变沉降问题的提出  9-11
  1.2 国内外研究现状  11-19
    1.2.1 高填方路堤沉降计算及预测方法研究现状  11-17
    1.2.2 岩土材料流变本构模型在路基沉降问题中的应用现状  17-18
    1.2.3 岩土材料本构模型智能辨识研究现状  18-19
  1.3 本文的主要研究内容  19-20
  1.4 本文的主要创新性工作  20-22
第2章高填方路堤流变沉降机理及力学特点  22-43
  2.1 高填方路堤沉降的流变现象  23-28
  2.2 高填方地基的流变沉降影响因素  28-33
  2.3 高填方路堤的流变沉降机理  33-40
    2.3.1 填料压实度不足对沉降的影响  33-37
    2.3.2 施工速率和方式对沉降的影响  37-39
    2.3.3 路堤填筑高度对沉降的影响  39-40
  2.4 高填方路堤流变沉降的力学特点  40-41
  2.5 本章小结  41-43
第3章高填方路基压实土的流变实验方法研究  43-63
  3.1 引言  43
  3.2 岩土材料流变实验的基本理论  43-54
    3.2.1 蠕变全过程曲线及力学特性分析  43-45
    3.2.2 蠕变曲线与等时曲线的关系  45-47
    3.2.3 蠕变曲线与松弛曲线的关系  47-51
    3.2.4 蠕变实验的时间尺度效应  51-52
    3.2.5 陈氏加载法及原理  52-54
  3.3 高填方路基压实土的室内流变实验研究  54-62
    3.3.1 土样采集和试样制备  54-55
    3.3.2 路基压实土的剪切实验  55-56
    3.3.3 路基压实土的固结实验  56-57
    3.3.4 路基压实土的蠕变实验  57-61
    3.3.5 路基压实土蠕变实验数据处理  61-62
  3.4 本章小结  62-63
第4章岩土材料流变本构模型研究  63-95
  4.1 引言  63
  4.2 岩土材料传统流变本构模型  63-72
    4.2.1 流变元件本构模型  63-69
    4.2.2 屈服面流变本构模型  69-70
    4.2.3 流变内时本构模型  70-71
    4.2.4 流变经验本构模型  71-72
  4.3 基于分数阶微积分的流变本构模型  72-88
    4.3.1 分数阶微积分基本定义  72-73
    4.3.2 分数阶微积分的流变元件  73-74
    4.3.3 分数阶微积分的流变元件组合模型  74-78
    4.3.4 分数阶微积分流变本构模型参数辨识  78-88
  4.4 岩土材料本构模型的辨识  88-94
    4.4.1 岩土材料本构模型信息表征  88-91
    4.4.2 岩土材料本构模型辨识的基本原理  91-92
    4.4.3 基于岩土材料本构模型数据库的辨识  92-94
  4.5 本章小结  94-95
第5章高填方路堤流变沉降解析计算方法研究  95-113
  5.1 引言  95-96
  5.2 高填方路堤地基土的沉降量计算  96-106
    5.2.1 弹性半空间的变形解答  96-102
    5.2.2 弹性-粘弹性对应原理  102-104
    5.2.3 路堤地基土沉降量解析解  104-106
  5.3 高填方路堤自身变形沉降计算  106-111
  5.4 高填方路堤流变沉降简化计算  111-112
  5.5 本章小结  112-113
第6章高填方路堤流变沉降三维数值仿真分析  113-132
  6.1 引言  113
  6.2 三维粘弹性有限元基本理论  113-117
    6.2.1 有限元基本方程  113-116
    6.2.2 粘弹性分析的有限元格式  116-117
  6.3 高填方路堤流变沉降的数值模拟  117-131
    6.3.1 ADINA 软件概况  117-118
    6.3.2 建立有限元模型的关键问题  118-119
    6.3.3 流变沉降数值模拟的实现  119-131
  6.4 本章小结  131-132
第7章结论和展望  132-134
  7.1 结论  132-133
  7.2 展望  133-134
参考文献  134-141
致谢  141-142
附录A 攻读博士学位期间撰写和发表的论文  142-144
附录B 攻读博士学位期间主持和参与科研项目  144-145
附录C 攻读博士学位期间教学工作及获奖  145-146
附录D 部分编程代码及数值模拟命令流  146-155

高填方路堤流变沉降本构模型及其计算方法研究

内容摘要

全文目录

相似论文