一种粗颗粒土非线性弹性本构模型的构建方法技术

本发明专利技术公开了一种粗颗粒土非线性弹性力学本构模型的构建方法，以大型常规三轴固结排水剪切力学试验结果为依据，通过不同相对密实度条件下不同围压时的偏应力‑轴向应变关系曲线和体积应变‑轴向应变关系曲线，相对密实度‑初始切线模量关系曲线和相对密实度‑峰值应力关系曲线，并以相对密实度和破坏比为媒介，结合统一扰动度函数，构建了粗颗粒土非线性弹性力学本构模型。该模型具有较高的准确性和广泛的使用性，可用于实际岩土工程中粗颗粒土体力学特性的研究和分析。

【技术实现步骤摘要】
一种粗颗粒土非线性弹性本构模型的构建方法
本专利技术属于建筑材料
，涉及一种粗颗粒土材料非线性弹性力学本构模型的构建方法。
技术介绍
粗颗粒土作为一种历史久远的地质产物，它具有弹性、塑性、流变性以及非线性和各向异性等性状。随着我国经济的飞速发展，海洋平台、防波堤、高土石坝、高速公(铁)路、机场跑道、桥梁墩台、核电站等水利设施和大型基础设施的不断兴建，粗颗粒土这种土体材料被广泛的使用；同时，粗颗粒土也被应用于深基坑工程、建筑物软弱地基的处理等岩土工程问题中，为保证工程安全发挥了巨大作用。粗颗粒土具有抗剪强度高、密实度高、变形小、透水性强且不易液化等工程特性，而且其在自然界广泛的分布，极易就地取材，可以大幅度减少工程成本。相比于种类繁多的细粒土本构模型，粗粒土本构模型相对较少，而且绝大部分模型是通过修正现有的粘土或砂土本构模型得到的。目前大量使用的粗颗粒土本构模型主要有Duncan-Chang模型、K-G模型、修正Cam模型、“南水”模型、椭圆-抛物线双屈服面模型等。这之中尤以Duncan-Chang模型获得容易而被最为广泛的应用，它是一种建立在增量广义虎克定律基础上的非线性弹性模型，它可以反映应力-应变关系的非线性，在一定程度上反映了土体变形的弹塑性，且该模型参数少、物理意义明确，通过常规三轴试验便可确定。事实上，在实际土木工程施工中，大型机械作用会引起粗颗粒土扰动，使得土体体积的变化，进而改变了施工场地附近土体含水率及孔隙水压力，甚至会改变土体的应力分布，造成土体结构性变化从而引起土体破坏。但Duncan-Chang模型并未考虑实际工程中扰动作用下土体物理参数的变化问题。因此亟需提供一种粗颗粒土非线性弹性力学本构模型的构建方法。
技术实现思路
本专利技术的目的，是公开一种粗颗粒土非线性弹性力学本构模型的构建方法，本方法通过不同相对密实度的常规大型三轴试验，构建粗颗粒土应力-应变关系，并以相对密实度和破坏比为媒介，结合统一扰动度函数，得到粗颗粒土非线性弹性本构模型，构建出的模型表达式唯一，参数较少且均可基于试验结果获取，由此保证了求解的唯一性和准确性，亦具有广泛的适用性。采用的技术方案一种粗颗粒土非线性弹性力学本构模型的构建方法，包括以下步骤：(1)对待测粗颗粒土试样进行不同相对密实度条件下的固结排水三轴剪切试验，测量并记录粗颗粒土试样的轴向应变、径向应变随应力的变化，计算粗颗粒土试样的体积应变；(2)根据记录的粗颗粒土试样三轴试验数据，绘制偏应力-轴向应变、体积应变-轴向应变关系曲线，得到不同围压条件下的峰值应力，计算得到不同围压条件下的极限偏差应力、破坏比和初始切线模量；(3)根据记录的不同相对密实度条件下的峰值应力，绘制不同围压条件下的相对密实度-峰值应力关系曲线；(4)根据计算的不同相对密实度条件下的初始切线模量，绘制不同围压条件下的相对密实度-初始切线模量关系曲线；(5)利用土体的双曲线型应力-应变关系，以相对密实度和破坏比为媒介，结合统一扰动度函数、相对密实度-初始切线模量曲线和相对密实度-峰值应力曲线，选择粗颗粒土非线性弹性本构模型的力学参数取值，确定本构模型。所属步骤(1)中，粗颗粒土试样为圆柱形。优选的，所述粗颗粒土试样的高度为300mm，直径为150mm。所述步骤(1)中，所述粗颗粒土试样的具体制备方法为：采用两半模法制样，自底部往上依次为：底座—透水石—滤纸—透水石—顶压头，分多次投入砂土料，制样的控制参数为干密度，装样完成后，在试样上两端勒紧皮筋，饱和后装围压室并灌注满无气水。优选的，所述饱和过程为真空饱和缸抽真空饱和。所述步骤(1)中，所述粗颗粒土三轴力学试验的具体方法为：采用各向等压排水固结试样，向粗颗粒土试样施加稳定围压σ3，对试样开展等剪切应变速率加载的粗颗粒土力学试验，试验全程测量偏应力(σ1-σ3)、轴向应变ε1和径向应变的变化ε2，最后计算得到体积应变εv，对于圆柱形试样，体积应变εv＝ε1+2ε2。所述步骤(2)中，极限偏差应力(σ1-σ3)ult的确定方法为：基于不同围压σ3下的粗颗粒土峰值应力(σ1-σ3)f，以试样达到峰值应力的75％和90％时的轴向应变为依据，确定出不同围压σ3条件下的极限偏差应力(σ1-σ3)ult：所述步骤(2)中，破坏比Rf的确定方法为：所述步骤(2)中，初始切线模量Ei的确定方法为：基于不同围压σ3下的粗颗粒土峰值应力(σ1-σ3)f和极限偏差应力(σ1-σ3)ult，以试样达到峰值应力的75％和90％时的轴向应变为依据，确定出不同围压σ3条件下的初始切线模量Ei：所述步骤(3)中，相对密实度Dr与峰值应力(σ1-σ3)f关系曲线的确定方法为：基于不同相对密实度Dr，以不同围压σ3下对应的粗颗粒土峰值应力(σ1-σ3)f为条件，做出lg[(σ1-σ3)f/pa]-lg(σ3/pa)关系曲线，根据该关系曲线形状，确定出适合粗颗粒土的相对密实度Dr与峰值应力(σ1-σ3)f关系曲线。所述步骤(4)中，相对密实度Dr与初始切线模量Ei关系曲线的确定方法为：基于不同相对密实度Dr，以不同围压σ3下对应的粗颗粒土初始切线模量Ei为条件，做出lg(Ei/pa)-lg(σ3/pa)关系曲线，根据该关系曲线形状，确定出适合粗颗粒土的相对密实度Dr与初始切线模量Ei关系曲线。所述步骤(5)中，双曲线型应力-应变关系为：所述步骤(5)中，统一扰动度函数DD是基于扰动状态理论提出的一种既可描述负面扰动影响对材料弱化作用，又可描述出正面扰动影响对材料的强化作用的以相对密实度Dr为参量的非线性函数：式中，Dr是粗颗粒土初始相对密实度；Drmax、Drmin分别是粗颗粒土最密实/最松散状态对应的相对密实度。所述步骤(5)中，确定本构模型的具体方法为：结合统一扰动度函数DD、相对密实度Dr-初始切线模量Ei曲线和相对密实度Dr-峰值应力(σ1-σ3)f曲线，推导出仅含有相对密实度Dr、破坏比Rf的双曲线型粗颗粒土应力-应变关系；并基于相对密实度Dr-初始切线模量Ei曲线和相对密实度Dr-峰值应力(σ1-σ3)f曲线，确定出本构模型中无量纲参数的取值，得到具体本构模型。优点本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术为准确构建粗颗粒土材料非线性弹性本构模型提供了一种新方法，该模型基于常规的粗颗粒土大型三轴固结排水剪切力学试验，可构建简单明确的粗颗粒土应力-应变关系，具有较高的准确性和广泛的适用性。(2)综合考虑了统一扰动度函数、相对密实度-初始切线模量关系、相对密实度-峰值应力关系，以相对密实度为媒介，可良好反应粗颗粒土体受扰动影响时的力学行为，认为其力学意义明确，保证了本构模型的准确性和唯一性。(3)建立的模型参数较少，均可通过常规土工试验获取结果；且可编译植入有限元分析软件，由此认为该方法简单便捷，准确度较高，易于推广应用于实际岩土工程分析与计算。附图说明图1为本专利技术实施例的流程图；图2为本专利技术所需的常规三轴力学试验仪；图3为100kPa围压时不同相对密实度下的砾砂偏应力-轴向应变关系曲线；图4为150kPa围压时不同相对密实度下的砾砂偏应力-轴向应变关系曲线；图5为200kPa围压时不同相对密实度下的砾砂偏应力-轴向应变关系曲线；图6为250kPa围压时不同相对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种粗颗粒土非线性弹性力学本构模型的构建方法，其特征是：包括以下步骤：（1） 对待测粗颗粒土试样进行不同相对密实度条件下的固结排水三轴剪切试验，测量并记录粗颗粒土试样的轴向应变、径向应变随应力的变化，计算粗颗粒土试样的体积应变；（2） 根据记录的粗颗粒土试样三轴试验数据，绘制偏应力‑轴向应变、体积应变‑轴向应变关系曲线，得到不同围压条件下的峰值应力，计算得到不同围压条件下的极限偏差应力、破坏比和初始切线模量；（3） 根据记录的不同相对密实度条件下的峰值应力，绘制不同围压条件下的相对密实度‑峰值应力关系曲线；（4） 根据计算的不同相对密实度条件下的初始切线模量，绘制不同围压条件下的相对密实度‑初始切线模量关系曲线；（5） 利用土体的双曲线型应力‑应变关系，以相对密实度和破坏比为媒介，结合统一扰动度函数、相对密实度‑初始切线模量曲线和相对密实度‑峰值应力曲线，选择粗颗粒土非线性弹性本构模型的力学参数取值，确定本构模型。

【技术特征摘要】
1.一种粗颗粒土非线性弹性力学本构模型的构建方法，其特征是：包括以下步骤：（1）对待测粗颗粒土试样进行不同相对密实度条件下的固结排水三轴剪切试验，测量并记录粗颗粒土试样的轴向应变、径向应变随应力的变化，计算粗颗粒土试样的体积应变；（2）根据记录的粗颗粒土试样三轴试验数据，绘制偏应力-轴向应变、体积应变-轴向应变关系曲线，得到不同围压条件下的峰值应力，计算得到不同围压条件下的极限偏差应力、破坏比和初始切线模量；（3）根据记录的不同相对密实度条件下的峰值应力，绘制不同围压条件下的相对密实度-峰值应力关系曲线；（4）根据计算的不同相对密实度条件下的初始切线模量，绘制不同围压条件下的相对密实度-初始切线模量关系曲线；（5）利用土体的双曲线型应力-应变关系，以相对密实度和破坏比为媒介，结合统一扰动度函数、相对密实度-初始切线模量曲线和相对密实度-峰值应力曲线，选择粗颗粒土非线性弹性本构模型的力学参数取值，确定本构模型。2.如权利要求1所述的一种粗颗粒土非线性弹性力学本构模型的构建方法，其特征是：所述步骤（1）中，粗颗粒土试样为圆柱形。3.如权利要求1所述的一种粗颗粒土非线性弹性力学本构模型的构建方法，其特征是：所述步骤（1）中，粗颗粒土试样的具体制备方法为：采用两半模法制样，自底部往上依次为：底座—透水石—滤纸—透水石—顶压头，分多次投入砂土料，制样的控制参数为干密度，装样完成后，在试样上两端勒紧皮筋，饱和后装围压室并灌注满无气水。4.如权利要求1所述的一种粗颗粒土非线性弹性力学本构模型的构建方法，其特征是：所述步骤（1）中，粗颗粒土三轴力学试验的具体方法为：采用各向等压排水固结试样，向粗颗粒土试样施加围压σ3稳定，对试样开展等剪切应变速率加载的粗颗粒土力学试验，试验全程测量偏应力(σ1-σ3)、轴向应变ε1和径向应变的变化ε2，最后计算得到体积应变εv，对于圆柱形试样，体积应变εv=ε1+2ε2。5.如权利要求1所述的一种粗颗粒土非线性弹性力学本构模型的构建方法，其特征是：所述步骤（2）中，极限偏差应力(σ1-σ3)ult的确定方法为：基于不同围压σ3下的粗颗粒土峰值应力(σ1-σ3)f，以试样达到峰值应力的75%和90%时的轴向应变为依据，确定出不同围压σ3条件下的极限偏差应力(σ1-σ3)ult：。6.如权利要求1所述的一种粗颗粒土非线性弹性力学本构模型的构建方法，其特征是：所述步骤（2）...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪智慧，陈晨，刘博，陈晓哲，于博文，
申请(专利权)人：中国建筑东北设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁,21