砂土數(shù)值建模和有限元分析.pdf

1、巖土本構(gòu)關(guān)系是巖土工程設(shè)計(jì)和計(jì)算的基礎(chǔ).巖土介質(zhì)的力學(xué)特性是復(fù)雜的,具有非線性的,剪脹性,各向異性,同時應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力路徑均對其本構(gòu)模型具有影響.為了認(rèn)識它們,必須通過試驗(yàn)、觀察及測量來獲取巖土力學(xué)響應(yīng)的數(shù)據(jù),然后在理論指導(dǎo)下從這些測量數(shù)據(jù)中提煉出巖土介質(zhì)變形和破壞的規(guī)律.傳統(tǒng)的土力學(xué)研究方法是通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,根據(jù)塑性勢理論和一些經(jīng)驗(yàn)假設(shè)歸納出土的本構(gòu)關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式.在這些建模方法中,模型的參數(shù)大都是根據(jù)特定的應(yīng)力路徑的實(shí)驗(yàn)確

2、定出來的,因而不能體現(xiàn)出應(yīng)力路徑對土的本構(gòu)關(guān)系的影響.本文基于反問題理論的思想,利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)高度非線性關(guān)系和自學(xué)習(xí)能力的特點(diǎn),利用巖土本構(gòu)關(guān)系的數(shù)值建模方法,建立了砂土的彈塑性本構(gòu)關(guān)系模型.通過對一組8個飽和砂樣進(jìn)行了常規(guī)壓縮三軸試驗(yàn),即在圍壓σ<,3>等于常數(shù)的固結(jié)排水剪切實(shí)驗(yàn)(CTC),獲得了 ε<,v>~q, ε<,s>~q試驗(yàn)曲線.利用數(shù)值建模的方法將砂土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系直接從試驗(yàn)曲線中提煉出來的,并對其進(jìn)行了可視化,繪制出了

3、整個(p,q)應(yīng)力場中應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的三維曲面和相應(yīng)的屈服軌跡.對三種不同的應(yīng)力路徑把建立的本構(gòu)模型嵌入到軸對稱有限元程序中去計(jì)算三軸試樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,并與試驗(yàn)的曲線進(jìn)行了對比,證明了數(shù)值建模方法的可行性和有效性.為了該模型在實(shí)際工程中的應(yīng)用,文中推導(dǎo)了有限元數(shù)值計(jì)算的平面問題的彈塑性矩陣,編制了平面問題的等參元有限元程序,將本構(gòu)模型嵌入到有限元程序中,對三種常規(guī)應(yīng)力路徑下條形基礎(chǔ)的地基沉降變形進(jìn)行了比較分析,驗(yàn)證了應(yīng)力路徑對巖土本構(gòu)關(guān)

4、系的影響不可忽視.本文提出的數(shù)值建模的方法與傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)力學(xué)建模方法不同,它通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法反演出一個顯式的高斯函數(shù)來描述巖土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,取代了傳統(tǒng)塑性理論中建模方法所采用的假設(shè)或猜測屈服面和塑性勢函數(shù)表達(dá)式的方法,能夠更有效地反映巖土材料復(fù)雜的本構(gòu)關(guān)系.(1)建立巖土彈塑性本構(gòu)模型的方法克服了尋找塑性勢函數(shù)的困擾,從試驗(yàn)中直接提煉巖土的彈塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系.(2)數(shù)值建模方法可以任意選擇應(yīng)力路徑,并能夠定量地把應(yīng)力路徑的影響反映到本