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砂土应变局部化的数值分析

作　者: 宁加星
导　师: 张义同
学　校: 天津大学
专　业: 桥梁与隧道工程
关键词: 应变局部化剪切带砂土 FLAC3D 数值模拟
分类号: TU43
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

应变局部化(strain localization)是土体破坏时其变形集中于某局部区域内的一种现象。应变局部化现象很普遍,在小到毫米量级大到千米量级的不同尺寸上都可以观察到地质材料的应变局部化现象。由于应变局部化及其扩展而导致盾构掘进界面土体失稳有特别重要的研究价值。本文的主要工作及成果如下:1、通过FLAC3D分析砂土试件在平面应变条件下的剪切带形成、发展的过程,并将数值模拟结果与实验结果进行对比分析。2、研究由于初始缺陷位置引起的对平面应变条件下的砂土试件上的剪切带形成的影响,并观察总结剪切带形成规律。3、将砂土材料看成应变软化材料,通过极限支护压力比,横向地表沉降、塑性区发展云图、竖向位移云图及纵向地表沉降几个方面分析砂土在应变软化条件下对隧道开挖面稳定性的影响,并与硬化条件下的隧道开挖面稳定性的模拟进行比较分析。4、通过极限支护压力比,横向地表沉降、塑性区发展云图、竖向位移云图及纵向地表沉降几个方面研究三个软化参数(内摩擦角、剪胀角、粘聚力)对隧道开挖面稳定性的影响。本文的研究模拟了在干砂中观察到应变局部化现象,并通过分析研究了剪切带的演化规律及影响因素,在最后对软化材料条件下的盾构隧道开挖面稳定性进行了分析,分析表明应变软化对开挖面稳定有重要的影响。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-17
  1.1 应变局部化研究背景  8-9
  1.2 应变局部化的研究方法及现状  9-15
    1.2.1 理论分析  9-10
    1.2.2 数值模拟  10-13
    1.2.3 物理实验  13-15
  1.3 隧道开挖面稳定性研究背景与现状  15-16
    1.3.1 隧道开挖面稳定性研究背景  15
    1.3.2 隧道开挖面研究现状  15-16
  1.4 本论文主要工作  16-17
第二章数值模拟计算程序的原理和实现方法  17-28
  2.1 数值计算原理  17-19
    2.1.1 FLAC3D原理  17-18
    2.1.2 FLAC3D实现数值计算的过程  18-19
  2.2 应变局部化数值计算实现  19-24
    2.2.1 屈服函数和势函数  20-21
    2.2.2 塑性修正  21-23
    2.2.3 硬化-软化参数  23
    2.2.4 用户自定义函数的材料模型  23-24
  2.3 开挖面稳定数值模拟计算的实现  24-25
    2.3.1 初始应力场的模拟  24-25
    2.3.2 隧道开挖的模拟  25
  2.4 数值方法确定开挖面极限支护压力  25-26
  2.5 极限支护压力的确定  26
  2.6 本章小结  26-28
第三章平面应变条件下砂土试件剪切带数值模拟  28-56
  3.1 峰值前均匀变形的研究  29-33
    3.1.1 模型及参数  29-30
    3.1.2 模拟结果分析  30-33
  3.2 端面摩擦效应数值模拟分析  33-36
    3.2.1 引言  33-34
    3.2.2 数值模型及材料参数  34
    3.2.3 数值模拟结果分析  34-36
  3.3 平面应变条件下砂土土体应变局部化剪切带数值模拟  36-42
    3.3.1 引言  36
    3.3.2 带缺陷砂土试样应变局部化过程数值模拟  36-41
      3.3.2.1 本构关系及计算模型  37-38
      3.3.2.2 数值模拟结果分析与研究  38-41
    3.3.3 剪切带倾角数值解与解析解的对比  41-42
  3.4 缺陷位置对砂土应变局部化剪切带形成、发展的影响  42-55
    3.4.1 单缺陷砂土试样变形、破坏数值模拟  42-48
      3.4.1.1 本构关系及计算模型  42-43
      3.4.1.2 数值分析结果及分析  43-48
    3.4.2 双缺陷砂土试样变形、破坏数值模拟  48-55
      3.4.2.1 本构关系及计算模型  48-49
      3.4.2.2 剪切带图案的复杂性  49-54
      3.4.2.3 剪切带图案与剪切应变增量-时步曲线的关系  54-55
  3.5 本章小结  55-56
第四章应变局部化下的盾构开挖隧道开挖面稳定性分析  56-72
  4.1 计算模型与材料参数  56-57
  4.2 数值计算结果  57-61
  4.3 软化参数研究分析  61-71
    4.3.1 剪胀角对应变软化的影响分析  61-65
      4.3.1.1 隧道模型及材料参数  61-62
      4.3.1.2 数值计算结果分析  62-65
    4.3.2 内摩擦角对应变软化的影响分析  65-68
      4.3.2.1 计算模型、材料参数及方案选择  65-66
      4.3.2.2 数值计算结果分析  66-68
    4.3.3 粘聚力对应变软化的影响分析  68-71
      4.3.3.1 计算模型、材料参数及方案选择  68-69
      4.3.3.2 数值计算结果分析  69-71
  4.4 本章小结  71-72
第五章结论与展望  72-74
  5.1 结论  72
  5.2 展望  72-74
参考文献  74-81
致谢  81

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