亚塑性本构模型及三峡库区塘角滑坡稳定性判据研究

论文摘要

我国幅员辽阔,水资源储备丰富,因此,水利水电工程得到了较为迅速的发展。水库在一定程度上减缓了洪水问题,另一方面也为社会带来较大的经济效益,但在优点的背后,也加剧了库岸滑坡的复活失稳风险。三峡水库是我国最大的水库工程,自2003年6月正式蓄水以来,库区内多处滑坡产生失稳破坏。库区两岸主要分布的是堆积层滑坡,这些滑坡在天然状态下处于较为稳定的状态,但在一定的外界扰动下,滑坡稳定性就会出现不同程度的下降现象。库岸滑坡灾害严重制约了国民经济发展,恶化部分地区的环境,对国家维护社会稳定和实现可持续发展有重大影响。据此,开展三峡库区库岸滑坡的变形失稳机理研究具有一定的实际意义,也可以为滑坡防治工作提供帮助和指导。水库库岸滑坡除了具有一般山体滑坡的基本特征以外,其特殊性还受到水库蓄水以及水库运营使滑坡所赋存的地质环境不断发生变化。在库水位周期性改变条件下,特别是骤降或者骤升,坡体内产生了动水压力可能诱发滑坡变形和破坏。除此以外,库岸滑坡还会受到降雨的影响。根据滑坡发生机制及变形过程,降雨型滑坡可以分为突变失稳型和渐进破坏型。渐进破坏型是三峡库区滑坡最主要的一类破坏模式,滑坡基本都是由局部破坏逐渐发展为整体破坏,即形成剪切带。除此以外,突变失稳型滑坡在三峡库区也有发生,最主要的一类就是降雨诱发下的浅层滑坡,在该种情况下,土体有可能并未达到塑性极限破坏准则就出现失稳现象。针对上述两种的破坏模式,由于传统的极限平衡分析方法没有考虑应变的变化,无法分析此类问题,而数值分析方法结合合适的判别准则在处理上述问题时有较大的优势。数值计算的准确与否不仅与计算方法有较大关系,更与土体的基本力学性质有不可分开的密切联系。就目前的研究进展而言,人们对于土的认识还不够深入,且全面描述土的本构模型尚未成形。有鉴于此,对土的本构关系研究已成为岩土工程当中一类非常重要的研究课题。岩土介质是一种复杂的工程材料,在外荷载作用下应力-应变关系十分复杂,故建立一种简单、实用且尽可能多包含土体力学特征的本构模型十分重要。论文通过现场调查、监测分析和理论研究相结合的方式,紧紧围绕三峡库区塘角滑坡变形破坏机理进行论述,在分析了滑坡土体的物理力学特性基础上,采用亚塑性本构模型来描述土的力学行为,通过模型的数值计算方法,引入二阶功失稳准则,计算了滑坡在降雨条件下的潜在不稳定区域及渐进式破坏过程。论文共七章,第一章论文阐述了三峡库区库岸滑坡变形破坏模式的研究意义,认为在分析该类滑坡的变形破坏机理过程中存在理论上的不足。针对这些不足,在前人研究的基础上,提出了以现场调查及室内试验为主要手段,结合数值模拟方法的理论体系及思路。再者,认为数值计算的准确与本构模型的选择密切相关,据此,采用亚塑性本构模型来描述滑坡土体的力学行为。第二章通过野外现场调查及滑坡长期监测,详细分析了塘角滑坡的变形区域、主要影响因素以及目前所处的状态。第三章采用室内直剪试验及三轴试验,详细分析了塘角滑坡土体所表现的物理力学行为,并通过数值模拟的方法,揭示了Mohr-Coulomb模型在描述土体应力应变关系上的不足。第四章详细介绍了亚塑性本构模型的基本框架和力学特征。针对其主要特点,推导了本构模型的破坏面、流动法则及边界面。此外,通过引入临界状态的概念及结构张量,使得本构模型可描述更多的土体物理力学特性。此外,还讨论了亚塑性本构模型的数值积分算法。将自适应的显示积分算法及应力修正算法引入到了该模型当中,运用UMAT将相应算法集成在了ABAQUS软件中。通过三轴压缩试验及边坡稳定算例,对比分析了应力修正算法。第五章介绍了岩土材料稳定性的判别准则,即二阶功失稳准则。据此,论文推导了主应力空间中的亚塑性本构模型稳定面,并与屈服面及边界面进行对比。将该准则嵌入到了数值计算中,进行了相关算例的计算。第六章在详细阐述了有限元计算方法的基础上,运用ABAQUS有限元计算软件,分析了塘角1号滑坡在降雨条件下的潜在不稳定区域。第七章针对全文进行总结,并针对研究过程中尚未很好解决的问题进行了展望,具体而言,论文在以下方面取得了阶段性的成果:（1）三峡库区塘角滑坡变形破坏模式滑坡前缘稳定性主要受库水位升降控制,主要表现为库水位的下降导致坡体内外形成较大的水头差,地下水向外渗流时形成了较大的渗透力,导致坡体处于不稳定状态。滑坡的中后部主要受到降雨影响,主要表现为雨水对斜坡坡面的冲刷作用,以及雨水入渗对坡体内岩土体抗剪强度的削弱劣化作用、滑动面的润滑作用等。塘角1号滑坡的变形破坏可以大致分为三个部分,滑坡体前缘为强变形区,强变形区中以滑坡体前缘左侧变形最为剧烈;中部平台划分为慢速滑动区;后缘平台划分为基本稳定区。（2）塘角滑坡土体的物理力学性质通过直剪试验和三轴试验结果来看,塘角滑坡土体展现出明显的应变硬化和软化的力学行为和非线性力学特征,且土体变形破坏表现出明显的渐进性破坏模式,即出现剪切带。然而,我们常用的Mohr-Coulomb模型虽然可以很好地描述土体的硬化和屈服过程,但不能很好的反映应变软化的过程,且反映的应力应变关系是线性的。因此,在描述土体的物理力学行为上,我们需要更加准确的模型,来切实的描述土体在受外部扰动下的变形及破坏。有鉴于此,本文基于亚塑性理论,结合土的临界状态和粘聚力,推导了塘角滑坡土体的本构关系。结果表明,该模型可以很好的描述土体的应变硬化和软化过程,且应力应变关系为非线性关系。（3）亚塑性本构模型的数值积分算法研究积分计算的准确性可以由减小时间增量来提高,即较小的时间增量可以保证积分计算的精度。为此,最直接的做法就是将时间增量划分为若干个子步,然而恒定的子步通常会造成计算效率过低或者无法控制误差的问题。针对上述问题,论文引入自适应的显示积分算法,该方法可以根据局部截断误差自动的调整由用户定义的子步长,进而提高本构模型的积分计算效率和鲁棒性。论文对比了改进欧拉算法和龙格库塔算法的稳定性和计算精度,认为改进欧拉算法的精度处于可接受范围,且该方法具有计算效率高,稳定性好的特点。（4）岩土材料稳定性及二阶功失稳准则极限平衡法广泛应用评价岩土体的稳定性,然而,通过这种方法得到的结果往往是不准确的。这主要是由于,该方法假定的岩土材料破坏时各点均满足塑性极限破坏准则,而实际情况中,岩土材料的破坏过程中其应力-应变的发展往往是不均匀的;再者,岩土材料表现出明显的非相关联性,在达到塑性极限破坏准则之前就有可能出现破坏,即应力空间中出现分岔破坏区域。二阶功失稳准则可以描述上述土体破坏的形式,论文将二阶功破坏准则引入到亚塑性本构模型中,并在主应力空间中绘制了亚塑性本构模型的稳定面。此外,将该方法用来计算了两个边值问题,即边坡开挖和降雨边坡稳定性。（5）三峡库区塘角滑坡数值计算通过数值计算的方法,以亚塑性本构模型为基础,计算了塘角滑坡在两种不同降雨工况下的变形破坏过程。结合二阶功失稳准则,判别了滑坡在降雨条件下的潜在不稳定区域。计算结果可以为降雨条件下塘角滑坡防治提供一定的依据。

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作者简介

摘要

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第一章绪论

§1.1 选题依据及研究意义

§1.2 国内外研究现状及存在问题

1.2.1 亚塑性本构模型国内外研究现状

1.2.2 库岸滑坡变形破坏机理

1.2.3 滑坡渐进式破坏机理研究现状

1.2.4 岩土稳定性研究现状

§1.3 研究内容和技术路线

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 技术路线

1.3.3 创新点

第二章塘角滑坡地质条件及变形机理分析

§2.1 万州区区域地质环境概况

2.1.1 区域自然地理条件

2.1.2 区域地质条件

§2.2 塘角滑坡工程地质概况

2.2.1 地形地貌条件

2.2.2 滑坡物质组成及结构

2.2.3 水文地质条件

2.2.4 塘角滑坡宏观变形特征分析

2.2.5 塘角滑坡变形监测及趋势分析

2.2.6 塘角滑坡变形破坏分区

第三章基于亚塑性理论的塘角滑坡土体本构关系研究

§3.1 塘角滑坡土体直剪试验

3.1.1 试验准备及方法

3.1.2 直剪试验结果

§3.2 塘角滑坡土体三轴试验

3.2.1 试验准备及方法

3.2.2 三轴试验结果

§3.3 塘角滑坡土体的Mohr-Coulomb本构模型

3.3.1 Mohr-Coulomb模型的直剪试验

3.3.2 Mohr-Coulomb模型的三轴试验

§3.4 亚塑性理论简介

§3.5 Wu亚塑性本构模型

3.5.1 本构方程及其力学行为

3.5.2 材料参数确定

3.5.3 边界面

3.5.4 数值试验

§3.6 Wu亚塑性本构模型的改进

3.6.1 土的临界状态

3.6.2 黏性土的Wu亚塑性本构模型

3.6.3 本构模型的验证

§3.7 本构模型数值实现的二次开发

3.7.1 基于ABAQUS的本构模型二次开发

3.7.2 自适应的显式积分算法

3.7.3 不同积分算法比较

第四章塘角滑坡土体破坏判据研究

§4.1 塘角滑坡稳定性计算

4.1.1 极限平衡法的基本原理

4.1.2 计算工况和参数

4.1.3 稳定性计算结果分析

§4.2 岩土稳定性的二阶功准则

4.2.1 岩土的破坏、失稳及分岔

4.2.2 岩土材料二阶功准则

4.2.3 边值问题

§4.3 塘角滑坡土体破坏判据

第五章塘角滑坡降雨条件下变形破坏分析

§5.1 有限元法简介

5.1.1 动量平衡和弱形式

5.1.2 有限单元方程

§5.2 塘角滑坡降雨数值计算

5.2.1 模型建立及边界条件

5.2.2 计算工况选取

5.2.3 计算结果分析

第六章结论及展望

§6.1 结论

§6.2 下一步工作展望

致谢

参考文献

文章来源

类型: 博士论文

作者: 唐扬

导师: 殷坤龙

关键词: 亚塑性本构模型,数值积分算法,塘角滑坡,渐进式破坏,二阶功失稳准则

来源: 中国地质大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,地质学,工业通用技术及设备,水利水电工程,水利水电工程

单位: 中国地质大学

基金: 中国长江三峡集团公司三峡库区地质灾害专题科研项目“三峡水库日降幅对库区地质灾害防治工程影响的调查研究”,中国地质调查局科研项目“县域地质灾害风险管理研究”

分类号: P642.22;TV223

DOI: 10.27492/d.cnki.gzdzu.2019.000115

总页数: 141

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