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《联合室内和现场试验确定土体本构模型参数方法研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。
1、第4卷第3期中国水利水电科学研究院学报Vol4No32006年9月JournalofChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearchSeptember,2006文章编号:16723031(2006)03022006联合室内和现场试验确定土体本构模型参数方法研究刘小生,刘启旺,王钟宁,陈宁(中国水利水电科学研究院岩土工程研究所,北京100044)摘要:提出了联合室内和现场试验综合确定土体本构模型参数的方法。即联合进行室内模拟试验、原位旁压试验和现场大型载荷试验,以E-B模型模拟旁压试验和大型载荷试验过程,采用非线性
2、阻尼最小二乘法和遗传算法最优化理论,依据现场实测旁压试验曲线及大型载荷试验实测土体各点的荷载-位移关系曲线及土体变形分布规律,进行优化反演分析,综合确定土体本构模型参数。从而为考虑土体原位结构性及粒径效应的影响,合理确定覆盖层及大粒径坝料土体的工程力学特性和本构模型参数开辟了新的研究途径。关键词:室内试验;旁压试验;大型载荷试验;阻尼最小二乘法;遗传算法;模型参数反演中图分类号:TU41文献标识码:A1研究背景目前土石坝的设计一般采用工程类比法以及工程师的经验设计坝体断面,然后对坝基材料及坝体填筑料取代表性试样进行室内模拟试验,得到坝基及坝体材料的工程力学特性,再采用有限元等数值
3、方法计算地基、坝体及防渗体系统的应力、变形及稳定性等工作性状,并结合数值计算结果和工程经验评价设计的安全性,并对多个设计方案进行比较和优化。由此可见,数值计算在土石坝设计中起十分重要的作用。数值计算及其评价结果的可靠性,主要取决于计算所采用的本构模型能否正确反映土体的应力应变关系(包括剪胀或剪缩)、强度特性(包括强度硬化和软化)以及模型参数的确定是否反映原位土体的实际情况。在土体本构模型研究方面,基于各种理论和各种室内模拟试验,目前已建立了多种土体本构[1,2]模型,其中邓肯-张非线性模型(包括E_及E_B模型),由于其形式简单、能有效地模拟土体的非线[3,4]性特性,更主要的是
4、积累了较多的使用经验,目前已在土石坝及地基工程中得到广泛应用。为了考[5]虑砂砾石及堆石料等含有粗大粒径土类的强烈剪胀性影响,Naylor提出了非线性弹性K-G模型,后[6,7]人又提出了多种改进K_G模型。此外,各种弹塑性模型也有大量研究,但由于形式较复杂,模型参[8,9]数的确定需要进行特殊的试验,更主要的是缺乏使用经验和实际工程验证,大多应用不广泛。目前人们已经认识到,要建立考虑所有影响因素、适合所有土类及工程问题的统一模型是不现实的,只能针对不同的土类及不同的工程问题,考虑主要影响因素,采用简单、实用的土体本构模型。同时,更主要的[3,4,8,9]是对于选定的土体本构模型,
5、合理地确定模型参数。在坝基覆盖层的工程力学特性和模型参数的确定方面,由于砂土原状取样相当困难。特别是对于覆盖层砂砾石土体,由于粒径大,更是几乎不可能取得原状样。目前普遍采用的方法是,在现场采取散装样,运至试验室按密度控制重新制备试样进行模拟试验,研究土体的工程力学特性,确定土体本构模[10~12]型参数。但已有研究结果表明,这种试验结果与原状样或现场原位试验结果有很大差别,其原因是土体的原位结构性影响很大。特别是对于深厚覆盖层土体,由于成层年代长,应力应变历史复杂,其原位结构性的影响将更为显著。而且,既使采用散装样进行模拟试验,试样制备控制所需的土体原位密收稿日期:200607
6、17基金项目:水利部948创新项目(CT200407)作者简介:刘小生(1962-),男,江西信丰人,博士,教授级高级工程师,主要从事土力学、土石坝和地基抗震工程的研究。Email:liuxsh@iwhr.com220联合室内和现场试验确定土体本构模型参数方法研究刘小生刘启旺王钟宁陈宁度确定亦是一个未能很好解决的问题。在坝体填筑材料的工程力学特性和模型参数的确定方面,由于现代土石坝工程(包括混凝土面板堆石坝)的主体填筑材料大多采用天然的砂砾石料或爆破开采的堆石料,最大粒径达600~800mm,甚至更大,这样受室内试验设备尺寸的限制,必须对实际坝料级配进行缩尺,采用
7、模拟级配试样进行试验。这种缩尺模拟试验确定的本构模型及参数是否反映实际级配的坝体材料特性,一直使工程界产生疑虑。此外,实际施工碾压与室内制样捣实形成的土体结构性差别也可能对工程力学特性产生影响。由于上述原因,近年来现场原位试验越来越受到重视。特别是采用参数反演技术,依据室内试验和现场原位试验,综合确定土体本构模型参数的方法很有发展前景。本文介绍作者近年来在联合进行室内模拟试验和原位旁压仪试验、现场大型载荷试验,采用非线性优化反分析技术,综合确定覆盖层土体和坝体堆石材料
