由直剪和单轴压缩试验确定砂土邓肯‑张模型参数的方法技术

本发明专利技术公开了一种由直剪和单轴压缩试验确定砂土邓肯‑张模型参数的方法，包括以下步骤：(1)利用直剪试验得到砂土内摩擦角

【技术实现步骤摘要】
由直剪和单轴压缩试验确定砂土邓肯-张模型参数的方法
本专利技术属于土的本构模型领域，更具体地，涉及一种由直剪和单轴压缩试验确定砂土邓肯-张模型参数的方法，该方法是一种由直剪试验和单轴压缩试验获取砂土材料邓肯-张模型关键本构参数的方法。
技术介绍
邓肯-张本构模型充分考虑了土的刚度随应力水平变化的特征，体现土的压硬性，能够较好的模拟土的特性，模型参数较少且物理意义明确，因而被广泛应用于工程实际中，成为各类分析中最常采用的土的本构模型之一。邓肯-张模型中利用双曲线拟合土在三轴压缩试验下的应力应变关系，并得到土在三轴压缩应力条件下切线模量Et的表达式，对于砂土黏聚力c＝0kPa，其三轴压缩应力条件下切线模量Et为：其中，为砂土在三轴压缩应力条件下的内摩擦角；pa＝101.3kPa为大气压强；σz为所考察土样受到的竖向应力；σl为所考察土样受到的水平应力；k、n为材料常数；Rf为破坏比(k、n、Rf均为无量纲参数)。另外，土的体积模量B与水平应力σl相关：其中，kb、m为材料常数，为无量纲参数。对于砂土，参数m与参数n比较接近，为工程应用方便起见，可令m＝n。对于砂土的破坏比Rf，可取经验保守推荐值0.7。根据弹性理论，体积模量B和切线模量Et可以相互转化：其中，μt为土的泊松比。在砂土处于侧限应力状态下时，砂土的泊松比可表达为：其中，K0为土的静止土压力系数，可通过得到。一般而言，需要通过多组不同围压下的三轴压缩试验获得土的邓肯-张模型本构参数k、n、c、kb，其中对于砂土c＝0。三轴压缩试验能够获得试样的受力变形全过程，得到完整的应力应变关系曲线，并保证试样在合理的薄弱处破裂，其结果是比较准确可靠的。但三轴压缩试验的设备及操作复杂，对试验人员技术要求较高。相比而言，直剪试验和单轴压缩试验设备简单、操作方便快捷、试验周期短，易于工程实际应用，同时也是岩土领域最常见的基本土工试验。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术的目的在于提供一种由直剪和单轴压缩试验确定砂土邓肯-张模型参数的方法，其中通过对关键中间参量的种类及它们的试验获取方式等进行改进，与现有技术相比能够有效解决砂土邓肯-张模型参数试验获取困难的问题，并且该方法是将弹性理论与非线性弹性邓肯-张模型相结合，能够采用两种简单试验方法即可快速确定砂土材料邓肯-张模型本构参数。为实现上述目的，按照本专利技术，提供了一种由直剪和单轴压缩试验确定砂土邓肯-张模型参数的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)直剪试验：以待试验的砂土材料样本进行多组直剪试验，得出直剪试验对应的砂土内摩擦角的值，则三轴压缩试验对应的砂土内摩擦角满足：(2)单轴压缩试验：以待试验的砂土材料样本进行单轴压缩试验，得出砂土竖向应变εz与竖向应力σz的对应关系，并根据该砂土竖向应变εz与竖向应力σz的对应关系，计算得到砂土侧限压缩模量Es的多个值，任意一个Es均满足：其中，Δσz为两个竖向应力之差，Δεz为两个竖向应变之差，这两个竖向应变与所述两个竖向应力一一对应；(3)根据所述步骤(1)得到的所述三轴压缩试验对应的砂土内摩擦角的值、以及所述步骤(2)得到的所述砂土侧限压缩模量Es的多个值，计算得到体积模量B的多个值；所述体积模量B的值与所述Es的值一一对应，任意一个所述体积模量B均满足：其中，K0为土的静止土压力系数，接着，根据所述体积模量B的多个值计算参数kb的值与参数m的值，任意一个所述体积模量B均满足：其中，pa为大气压强；为与该体积模量B对应的Es在所述步骤(2)的计算过程中使用的所述两个竖向应力的平均值；(4)根据体积模量B的表达式、或者所述步骤(3)中的任意一个所述体积模量B的值，计算参数k的值，使得：其中，n＝m；Rf为预先设定的砂土的破坏比；μt为砂土的泊松比，所述体积模量B的表达式是将所述步骤(3)得到的所述参数kb的值与参数m的值代入表达式中得到的；当参数k的值是根据所述步骤(3)中的任意一个所述体积模量B的值计算时，为与该体积模量B的值对应的Es在所述步骤(2)的计算过程中使用的所述两个竖向应力的平均值；从而最终得到砂土邓肯-张模型中参数k、参数n、参数m、参数以及参数kb的值。作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(1)具体是：以待试验的砂土材料样本进行多组直剪试验，每一组所述直剪试验对应不同的竖向应力条件，从而获得不同竖向应力下的最大剪应力；接着，对竖向应力与最大剪应力两者的关系进行线性拟合，并根据拟合后直线的斜率最终得出所述砂土内摩擦角的值。作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(1)中，所述多组直剪试验对应的多个所述竖向应力条件均包括在工程实际应力范围内。作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(2)是优选计算得到两个砂土侧限压缩模量Es的值，记其中一个Es对应的两个竖向应力分别为另一个Es对应的两个竖向应力分别为则作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(2)中，所述包括在工程实际负荷范围内；优选的对应为工程实际负荷最大值的110％。作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(4)中，Rf预先设定为0.7。本专利技术中由直剪和单轴压缩试验确定砂土邓肯-张模型参数的方法是借鉴已有研究结果经验，利用直剪试验和单轴压缩试验代替三轴压缩试验即可确定砂土的邓肯-张模型参数，大大降低了对试验设备、以及试验操作的要求，该方法操作方便快捷、试验周期短，易于工程实际应用。由于直剪试验所得到的砂土内摩擦角与三轴压缩试验所得到的砂土内摩擦角有以下经验关系：通过单轴压缩试验，得到砂土竖向应变εz与竖向应力σz两者的对应关系，从而获得砂土侧限压缩模量Es：其中，εz为砂土的竖向应变(例如，可通过对砂土竖向应变εz与竖向应力σz的关系曲线取割线从而获得砂土侧限压缩模量Es)。通过弹性理论得到体积模量B与侧限压缩模量Es的换算关系：应用公式2，可得到kb、m的取值，从而得到体积模量B的表达式。土在侧限应力状态下水平应力σl与竖向应力σz之比为静止土压力系数K0，即σl＝K0σz，并通过公式1、3、4、5可得到：该公式8是由包括公式3在内的公式推导出的，是利用体积模量B和切线模量Et的表达式换算得到的；应用公式8，假定Rf＝0.7，可得到k的取值，而n＝m。至此可通过直剪试验和单轴压缩试验得到砂土邓肯-张模型如下关键本构参数：k、n、m、kb。本专利技术中由直剪和单轴压缩试验确定砂土邓肯-张模型参数的方法，是一种方便快捷、易于实施的砂土非线性弹性邓肯-张模型本构参数获取方法，能够克服现有三轴试验实施的困难；本专利技术的技术原理是弹性理论与非线性弹性邓肯-张模型的结合，其独特之处在于采用两种简单试验方法快速确定砂土材料邓肯-张模型本构参数。本专利技术所涉及的砂土材料邓肯-张模型本构参数获取方法结合了材料弹性理论、非线性弹性邓肯-张砂土本构模型、直剪试验和单轴压缩试验。所专利技术的计算方法具备清晰可靠的力学理论基础，能够利用简单手段快速得到砂土邓肯-张模型本构参数，适用于各种工程中不同负载及排水条件下的砂土，符合工程应用特点。本专利技术应用所需要求不高，一般的研究或工程单位都能够满足其所需进行的试验技术要求，非常适用于实际工程应用。此外，本专利技术通过控制直剪试验、以及单轴压缩试验中的竖向应力条件，将直剪试验中的竖向应力条件控制在工程实际应本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种由直剪和单轴压缩试验确定砂土邓肯‑张模型参数的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)直剪试验：以待试验的砂土材料样本进行多组直剪试验，得出直剪试验对应的砂土内摩擦角

【技术特征摘要】
1.一种由直剪和单轴压缩试验确定砂土邓肯-张模型参数的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)直剪试验：以待试验的砂土材料样本进行多组直剪试验，得出直剪试验对应的砂土内摩擦角的值，则三轴压缩试验对应的砂土内摩擦角满足：(2)单轴压缩试验：以待试验的砂土材料样本进行单轴压缩试验，得出砂土竖向应变εz与竖向应力σz的对应关系，并根据该砂土竖向应变εz与竖向应力σz的对应关系，计算得到砂土侧限压缩模量Es的多个值，任意一个Es均满足：其中，Δσz为两个竖向应力之差，Δεz为两个竖向应变之差，这两个竖向应变与所述两个竖向应力一一对应；(3)根据所述步骤(1)得到的所述三轴压缩试验对应的砂土内摩擦角的值、以及所述步骤(2)得到的所述砂土侧限压缩模量Es的多个值，计算得到体积模量B的多个值；所述体积模量B的值与所述Es的值一一对应，任意一个所述体积模量B均满足：其中，K0为土的静止土压力系数，接着，根据所述体积模量B的多个值计算参数kb的值与参数m的值，任意一个所述体积模量B均满足：其中，pa为大气压强；为与该体积模量B对应的Es在所述步骤(2)的计算过程中使用的所述两个竖向应力的平均值；(4)根据体积模量B的表达式、或者所述步骤(3)中的任意一个所述体积模量B的值，计算参数k的值，使得：

【专利技术属性】
技术研发人员：刘华北，王春海，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42