一种基于原型试验建立土体本构模型的方法及其所用的原型试验装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及弹塑性力学领域中的一种基于原型试验建立土体本构模型的方法及其所用的试验装置，在土体柱状试验孔内放置密封袋，向密封袋内注入流体实现对土体加载，测量深层土体侧向位移，依据圆孔扩张理论及拉梅方程，推算土体屈服柱面半径、屈服时径向压应力、土体单元主应力状态，确立屈服准则、后继屈服面与破坏准则，依据分级加载量将塑性变形区域内土体划分为多个同心土体圆筒，自外向内，依次推算各个土体圆筒尺寸与径向位移，结合试验孔侧壁径向位移测试值，依据试验加载等级，逐级计算弹塑性力学中增量法计算所需的弹性参数，建立本构模型，假定屈服面为平面且忽略中主应力影响时，屈服准则退化为摩尔

【技术实现步骤摘要】
一种基于原型试验建立土体本构模型的方法及其所用的原型试验装置


[0001]本专利技术涉及弹塑性力学领域中的一种基于原型试验建立土体本构模型的方法及其所用的原型试验装置。

技术介绍

[0002]在弹塑性力学领域中，土体的应力应变关系是岩土工程计算与分析的基础，又称为土体的本构模型。弹塑性力学中常用的弹塑性计算方法为增量法，增量法计算基本原理是依据屈服准则判定土体是否屈服，土体屈服后，探求各分级应力增量与应变增量之间的相关性，提供各级应力状态时应力增量作用下弹性计算所需的弹性参数，再依据弹性计算理论进行计算分析。土体为天然形成的材料，其物质组分与各组分之间相互作用关系因地而异。力学家经过长期不懈的坚持与努力，依据室内试验，提出了大量关于土体的本构模型，试图解决土体的工程计算与力学分析问题。然而因土体材料体量巨大、组分不定、力学作用关系复杂，目前计算精度仍远远不能满足工程需求，因而造成了巨量的工程浪费，且时有安全隐患。寻找在土体中施加足以反映土体的应力应变关系的作用力，并测定在该作用力的影响下，土体接近实际的位移响应，为工程计算与分析提供因地制宜的可靠参数依据是弹塑性力学领域亟待解决的科技难题。囊压试验是将袋装流体柱放置于土体中，通过流体压强增加实现分级加压与卸压，测试加压与卸压引起的土体变形。

技术实现思路

[0003]本专利技术的第一个目的是提供一种基于原型试验建立土体本构模型的方法，该方法能够利用袋装流体实现在土体中施加足够大的加载、卸载作用，进而使土体在一定距离范围产生足够大的变形，将特定范围内土体作为共同受力体而产生侧向位移，通过侧向位移的测定确定土体在与工程使用中可以相比拟的荷载作用下的受力变形特性，确定土体的应力应变关系。
[0004]该种基于原型试验建立土体本构模型的方法包括如下步骤：
[0005]a)利用盛装于密封袋内的流体在土体中进行原型试验测试，包括根据测试目的，确定最大加载量、分级加载量、分级卸载量、单级加载与单级卸载径向位移测试要求，确定单级加载与单级卸载径向位移稳定标准、终止加载标准、终止卸载标准，并在土体中钻孔作为试验孔，在试验孔的外侧施工一个或多个测斜孔，将密封袋置于试验孔中，向密封袋内充入流体，在试验孔中形成袋装流体柱，利用密封袋及密封袋内的流体对试验孔侧壁施加压应力，测算压应力大小，并满足分级加载与卸载要求，完成加载与卸载，按照径向位移测试要求，测量试验孔侧壁与测斜孔中的一种或两种组合在不同深度的深层土体侧向位移；
[0006]b)通过以下两种方法之一，确定土体弹性模量与泊松比：第一种方法是在相同的测试点位置，绘制深层土体侧向位移测试点在步骤a)中测定的荷载量与深层土体侧向位移关系曲线，形成土体卸载再加载回弹试验曲线回滞环，并利用弹性变形条件下的圆孔扩张
理论，计算确定相应测试点的卸载
‑
再加载回弹试验割线模量作为测试土体的弹性模量，用室内试验或其他试验或经验方法确定土体泊松比；第二种方法是在距离试验孔中心不同距离的弹性变形区内设置一个或多个深层土体侧向位移测试点并同步测试，令土体弹性模量与泊松比中的一个或两个弹性参数为未知数，利用圆孔扩张理论计算测试点土体侧向位移计算值，根据测试点土体侧向位移计算值与实测值相等建立方程或方程组，通过求解方程或方程组计算土体弹性模量、泊松比；
[0007]c)通过以下两种方法之一，确定在试验过程中第一次出现土体屈服对应的屈服土体的分布范围与屈服土体边界位置径向压应力：第一种方法实施步骤是这样的：第一步，根据步骤b)中确定的土体弹性模量与泊松比，依据圆孔扩张理论，分别计算步骤a)中各级试验加载下的试验孔侧壁或测斜孔的径向位移计算值；第二步，将第一步中计算的试验孔壁或测斜孔的径向位移计算值与步骤a)中的实测值比较，当计算值小于实测值时，则判定土体在相应加载作用下出现了屈服；第三步，假设第一次出现土体屈服时土体屈服区域边界的圆柱面(以下简称为屈服圆柱面)的半径及屈服圆柱面位置的径向压应力为未知数，依据圆孔扩张理论，屈服圆柱面外侧仍为弹性体，将屈服圆柱面半径作为等代加载试验孔半径，将屈服圆柱面位置的径向压应力作为等代圆孔试验加载量，计算土体屈服圆柱面外侧距离屈服圆柱面中心不同距离的土体深层侧向位移，按照与实测值相等的原则建立方程组，求解方程组，计算屈服圆柱面的半径与屈服圆柱面位置径向压应力；第二种方法实施步骤是这样的：将步骤b)中测算的弹性模量与根据步骤a)中的试验测试结果推算的土体的割线模量进行比较，判定割线模量与弹性模量相近的最高一级加载量为土体的屈服加载量，相应测试点位置为土体屈服圆柱面位置，再根据步骤b)中测算的土体弹性模量、泊松比与测试点屈服时的实测位移量，依据圆孔扩张理论计算屈服圆柱面位置的径向压应力与切向压应力；
[0008]d)依据以下方法确立土体的屈服准则：根据步骤c)中确定的屈服圆柱面位置径向压应力，判定屈服圆柱面内侧的土体处于塑性变形状态，屈服圆柱面外侧的土体处于弹性变形状态，将步骤c)中计算的屈服圆柱面位置土体的径向压应力作为大主应力，切向压应力作为小主应力，竖向压应力作为中主应力，将屈服圆柱面位置的土体单元主应力状态作为土体屈服面中的屈服点，通过屈服点组建屈服面；
[0009]e)采用以下方式确定土体后继屈服面与塑性力学增量法计算所需的第一次屈服弹性计算模量：依据塑性力学增量法计算方法，假设步骤c)中确定的屈服圆柱面内侧土体屈服后的增量法计算采用的弹性计算模量为未知数，在试验土体出现第一次屈服后，以屈服圆柱面为边界，将试验土体划分为屈服圆柱面内侧的圆筒状土体与屈服圆柱面外侧的土体，再根据拉梅方程式计算试验孔侧壁径向位移计算值或屈服圆柱面内侧的测试点位置深层土体侧向位移计算值，依据计算值等于实测值，建立方程式，并通过方程式的求解，计算试验土体第一次屈服后的用于弹性计算的模量(以下称第一次屈服弹性计算模量)；并以步骤c)中对应的试验加载量屈服圆柱面内侧的测试点位置的径向压应力作为大主应力，上覆土压应力作为中主应力，再通过拉梅方程式计算土体试验孔侧壁或屈服圆柱面内侧的测试点位置的切向正应力作为小主应力，确定土体第一次后继屈服点的应力状态，通过后继屈服点组建土体第一个后继屈服面；
[0010]f)对于步骤e)确立的第一个后继屈服面之后的后续分级试验加载产生的后继屈
服面与相应的后继屈服弹性计算模量，按照以下方法确定：首先，依据步骤d)确立的屈服准则，假设试验土体中弹性体与塑性体的分界圆柱面(相当于步骤c)中的屈服圆柱面，以下也称为屈服圆柱面)半径为未知数，屈服圆柱面位置处的径向压应力等于步骤c)中确定的屈服圆柱面位置径向压应力，重复步骤c)中的第一种方法的第三步，计算屈服圆柱面半径，并计算屈服圆柱面处的径向位移；然后，根据土体第一次屈服后的后续试验加载级数，将屈服圆柱面内侧的土体划分为与后续试验加载级数数量相同的多个同心土体圆筒，并自外侧向内侧，使得各个同心圆筒的分界面上的径向压应力由低到高，依次与土体屈服后各级试验加载量相同；利用前一级加载计算的各次土体屈服弹性计算模量，自屈服本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于原型试验建立土体本构模型的方法，包括以下步骤：a)利用盛装于密封袋内的流体在土体中进行原型试验测试，包括根据测试目的，确定最大加载量、分级加载量、分级卸载量、单级加载与单级卸载径向位移测试要求，确定单级加载与单级卸载径向位移稳定标准、终止加载标准、终止卸载标准，并在土体中钻孔作为试验孔，在试验孔的外侧施工一个或多个测斜孔，将密封袋置于试验孔中，向密封袋内充入流体，在试验孔中形成袋装流体柱，利用密封袋及密封袋内的流体对试验孔侧壁施加压应力，测算压应力大小，并满足分级加载与卸载要求，完成加载与卸载，按照径向位移测试要求，测量试验孔侧壁与测斜孔中的一种或两种组合在不同深度的深层土体侧向位移；b)通过以下两种方法之一，确定土体弹性模量与泊松比：第一种方法是在相同的测试点位置，绘制深层土体侧向位移测试点在步骤a)中测定的荷载量与深层土体侧向位移关系曲线，形成土体卸载再加载回弹试验曲线回滞环，并利用弹性变形条件下的圆孔扩张理论，计算确定相应测试点的卸载
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再加载回弹试验割线模量作为测试土体的弹性模量，用室内试验或其他试验或经验方法确定土体泊松比；第二种方法是在距离试验孔中心不同距离的弹性变形区内设置一个或多个深层土体侧向位移测试点并同步测试，令土体弹性模量与泊松比中的一个或两个弹性参数为未知数，利用圆孔扩张理论计算测试点土体侧向位移计算值，根据测试点土体侧向位移计算值与实测值相等建立方程或方程组，通过求解方程或方程组计算土体弹性模量、泊松比；c)通过以下两种方法之一，确定在试验过程中第一次出现土体屈服对应的屈服土体的分布范围与屈服土体边界位置径向压应力：第一种方法实施步骤是这样的：第一步，根据步骤b)中确定的土体弹性模量与泊松比，依据圆孔扩张理论，分别计算步骤a)中各级试验加载下的试验孔侧壁或测斜孔的径向位移计算值；第二步，将第一步中计算的试验孔壁或测斜孔的径向位移计算值与步骤a)中的实测值比较，当计算值小于实测值时，则判定土体在相应加载作用下出现了屈服；第三步，假设第一次出现土体屈服时土体屈服区域边界的圆柱面(以下简称为屈服圆柱面)的半径及屈服圆柱面位置的径向压应力为未知数，依据圆孔扩张理论，屈服圆柱面外侧仍为弹性体，将屈服圆柱面半径作为等代加载试验孔半径，将屈服圆柱面位置的径向压应力作为等代圆孔试验加载量，计算土体屈服圆柱面外侧距离屈服圆柱面中心不同距离的土体深层侧向位移，按照与实测值相等的原则建立方程组，求解方程组，计算屈服圆柱面的半径与屈服圆柱面位置径向压应力；第二种方法实施步骤是这样的：将步骤b)中测算的弹性模量与根据步骤a)中的试验测试结果推算的土体的割线模量进行比较，判定割线模量与弹性模量相近的最高一级加载量为土体的屈服加载量，相应测试点位置为土体屈服圆柱面位置，再根据步骤b)中测算的土体弹性模量、泊松比与测试点屈服时的实测位移量，依据圆孔扩张理论计算屈服圆柱面位置的径向压应力与切向压应力；d)依据以下方法确立土体的屈服准则：根据步骤c)中确定的屈服圆柱面位置径向压应力，判定屈服圆柱面内侧的土体处于塑性变形状态，屈服圆柱面外侧的土体处于弹性变形状态，将步骤c)中计算的屈服圆柱面位置土体的径向压应力作为大主应力，切向压应力作为小主应力，竖向压应力作为中主应力，将屈服圆柱面位置的土体单元主应力状态作为土体屈服面中的屈服点，通过屈服点组建屈服面；e)采用以下方式确定土体后继屈服面与塑性力学增量法计算所需的第一次屈服弹性计算模量：依据塑性力学增量法计算方法，假设步骤c)中确定的屈服圆柱面内侧土体屈服
后的增量法计算采用的弹性计算模量为未知数，在试验土体出现第一次屈服后，以屈服圆柱面为边界，将试验土体划分为屈服圆柱面内侧的圆筒状土体与屈服圆柱面外侧的土体，再根据拉梅方程式计算试验孔侧壁径向位移计算值或屈服圆柱面内侧的测试点位置深层土体侧向位移计算值，依据计算值等于实测值，建立方程式，并通过方程式的求解，计算试验土体第一次屈服后的用于弹性计算的模量(以下称第一次屈服弹性计算模量)；并以步骤c)中对应的试验加载量屈服圆柱面内侧的测试点位置的径向压应力作为大主应力，上覆土压应力作为中主应力，再通过拉梅方程式计算土体试验孔侧壁或屈服圆柱面内侧的测试点位置的切向正应力作为小主应力，确定土体第一次后继屈服点的应力状态，通过后继屈服点组建土体第一个后继屈服面；f)对于步骤e)确立的第一个后继屈服面之后的后续分级试验加载产生的后继屈服面与相应的后继屈服弹性计算模量，按照以下方法确定：首先，依据步骤d)确立的屈服准则，假设试验土体中弹性体与塑性体的分界圆柱面(相当于步骤c)中的屈服圆柱面，以下也称为屈服圆柱面)半径为未知数，屈服圆柱面位置处的径向压应力等于步骤c)中确定的屈服圆柱面位置径向压应力，重复步骤c)中的第一种方法的第三步，计算屈服圆柱面半径，并计算屈服圆柱面处的径向位移；然后，根据土体第一次屈服后的后续试验加载级数，将屈服圆柱面内侧的土体划分为与后续试验加载级数数量相同的多个同心土体圆筒，并自外侧向内侧，使得各个同心圆筒的分界面上的径向压应力由低到高，依次与土体屈服后各级试验加载量相同；利用前一级加载计算的各次土体屈服弹性计算模量，自屈服圆柱面与第一个...

【专利技术属性】
技术研发人员：张继红，
申请(专利权)人：张继红，
类型：发明
国别省市：