浅谈土体失稳的变形分叉理论与分叉后的力学性状

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1、同济大学博士学位论文土体失稳的变形分叉理论与分叉后的力学性状姓名：钱建固申请学位级别：博士专业：岩土工程指导教师：黄茂松20030601摘要土体失稳的变形分叉理论与分叉后的力学性状土体渐近破坏理论是当今岩土界研究的焦点之一，它强调了土体变形与稳定的统一性，土体渐进破坏过程则是土体内部变形局部化现象产生和发展的过程。引起土体失稳的变形局部化现象，普遗存在于边坡、堤坝、地基、挡土墙等岩土工程领域。在室内试验中，可以清楚她观察到土样在失稳过程中掌常伴随着宏观剪切带的产生。这种现象表明了土体失稳和应变局部化现象存在必然的内在联系。只有从理论上

2、揭示土体变形局部化发生和发展的机理，合理的判剐土体的失稳状态，才有可能比较准确的预测土体变形及其临界破坏状态，针对土体应变局部化的这一难题，本文主要从以下四个方面入手t1．研究应变局部化产生的条件2。探讨士体失稳、破坏的力学机理3．分析本构模型对土体失稳判别准则的影响4，研究土体应变局部化形成后的应力应变性状应变局部化可视均匀变形的应力应交特性发生分叉的一种失稳现象。借助于数学上的分叉理论分析均匀土样产生局部亿交形的分叉条件，得出了小变形条件下艇发应变局部化产生的判别准则的三维解析。利用解析形式的判别准则，分析土体在平面应变条件下剪切

3、带形成的方向性。通过应变局部化理论与土力学的剪切带经典理论的对比分析，从而揭示了室内试样剪切带呈现特定方向性的一般机理。理论研究进一步分析土体失稳和土体破坏的力学机理。理论分析表明应变局部化与土体失稳在枫理上并不完全一致，应变局部化现象也有别于保持均匀变形的弹塑性变形的终了状态一土体破坏的机理。研究表明．一方面在平面应变应力状态下，应变局部化(局部型变形分叉)产生是导致土体失稳的条件。另一方面在轴对称应力状态下，伴随土体均匀变形的发展直至最终的弹塑性临界破坏状态将不会有变形局部化现象的产生。在轴对称应力状态下，理论研究进一步表明了士体

4、失稳是整体均匀变形场的分叉(扩散型变形分叉)结果。基于有限变形理论分别推导了平面应变和轴对称问题的隐式判别准则，理论分析结果与常规试验所观测的现象是一致的。土体失稳的变形分叉理论分柝试验结果发现，基于传统本构模型的变形分义理论不能准确的预测土体失稳状态。研究表明，传统的本构模型隐含了应力和塑性应变率的共轴条件。一般而言，采用共轴理论预测的失稳状态要明显早于试验测得的应力峰值点。此外，采用共轴本构理论分析所得的围压对剪切带的角度影响特性也与试验结果不符，由此引入了本构模型的菲共轴理论来分析土体变形分叉的失稳现象。通过与共轴的本构理论进行

5、对比分析，研究结果表明，采用非共轴理论的本构模型能够合理地判别±体的失稳状态，理论预测剪切带的倾角随围压增大而减小的变化规侉也与试验结果一致。对土体变形分叉后的软化应力应变特性进行了机理性的研究。限于常规的应变软化本构模型不是土体软化应力应交特性的真实反应，这里有必要对剪切带域内的土体引入合理的本构模型；此外，常规的有限元方法在求解应变局部化问题时，常常受到单元尺寸敏感性的困扰。为了克服这些难题，给出一种基于整体坐标的应变局部化的摘要复合体理论，将剪切带内部材料视作为一种不同于带外土体材料，带内土体采用软化特性的应力一位移本构模型，而

6、带外±体依然保留变形分叉前的硬化型应力一应变模型。对于一维问题的分析，复合体模型被证明能够有效克服数值计算过程中的有限元单元尺寸的敏感性。通过排水条件下的平面应变试验结果对复合体模型进行的验证，表明土体失稳后的软化变形特性与理论预测基本一致。关键词：失稳破坏分叉剪切带应变局部化渐进破坏共轴非共轴扩散型分叉局部型分叉分叉后软化II均匀变形非均匀变形变形局部化塑性功复合体理论有限变形理论单元尺寸敏感性——一一苎!璺堕!DeformationBifurcationforInstabilityandPost-BifurcationRespon

7、sesinSoilsAbettactInIastfewdecades，themechanismsthatcreateprogressivetailureofsoilshavebeeninvestigatedbymanyadvancedresearchers．InthatCase，avaluablestandpointshouldbeemphasizodthatdeformationofsoilsisevaluatedwithrationaIconsiderationoftheirfaituresThemechanismofprogre

8、ssivefailureofsoilsistriggeredbynssofteningproperties。whichoftenoriginfromlocalizatIonofstrain．Localizationofs