非饱和土水力耦合模型及其数值实现

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1、学校代码：密级：公开硕士学位论文非饱和土水力耦合模型及其数值实现作者姓名康凯学科专业岩土工程指导教师赵成刚教授刘艳副敎授培养院系土木建筑工程学院零一五年六月如交遂义硕士学位论文非饱和土水力耦合模型及其数值实现国家自然科学基金资助项目（作者：康凯导师：赵成刚教授刘艳副教授北京交通大学年月学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。学校可以为存在馆际合作关系的兄弟

2、高校用户提供文献传递服务和交换服务。保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字曰期：年月曰签字曰期：织年彡月曰学：校代码：密级：公汗北京交通大学硕士学位论文非饱和土水力耦合模型及其数值实现闺家自然科学基金资助项口作者姓名：康凯学号：导师姓名：赵成刚职称：教授刘艳畐教授学位类别：工学学位级别：硕士学科专业岩土工程研宄方向：岩土本构北京交通大学年月致谢时光荏苒，岁月如梭。转眼间，三年的研究生求学生活即将结束，站在毕业的路口回首，往日里的迷茫、执着、挫败或收获，都是我人生中最宝贵的财富。当奋斗与辛劳成为点滴记忆，当甜美与欢笑尘埃落定，值此成文之际，我想对给我鼓励与帮助的老

3、师、同学、亲人们真诚地说一声：谢谢！首先，衷心感谢我的恩师赵成刚教授。三年前，是赵老师把我纳入这个优秀、温馨的师门大家庭，在学业、人生的道路上给我影响与指引。赵老师在学术上孜孜不倦、不断追求；在教学上呕心沥血、为人师表：在处事上率先垂范、淡泊名利。赵老师严谨的治学态度、诲人不倦的师德、宽以待人的风范都令我受益匪浅、佩服至深！值此论文完稿与毕业之际，向恩师致以深深的敬意。非常感谢刘艳副教授，作为我的师姐，她在论文内容上给予了我详尽的指导与帮助。在我迷失于复杂的理论推导时，她常以扎实的功底、开阔的思路引导我揭示问题的本质、找到合适的解决方法。衷心感谢蔡国庆副教授，作为我的师兄，他常在我对论文一筹莫

4、展时，与我就某些问题展开深入的讨论与剖析，使我能够明确概念，掌握正确的处理途径。衷心感谢陈曦副教授在数值计算方面给我的悉心指导，他耐心地答疑解惑并给我提供了诸多宝贵的参考资料，在此向陈老师表示我深深的谢意。在实验室工作及撰写论文期间，师兄李舰、黄启迪对我论文中的问题给予了热情的帮助，在此向他们表达我的感激之情。感谢温暖的师门大家庭，这是一个学术氛围浓厚的集体，同时又充满了浓浓的温情。傅方、沙曼、赵春雷、刘真真、孔小昂、徐筱、张奎、郭艳鑫、车睿杰、刘超、胡庆龙、杨贝贝、夏培林、许自立，感谢研宄生期间的生活和学习中有你们的陪伴和帮助！感谢级岩土工程专业的全体同学们，同窗之情，没齿难忘。特别感谢我的

5、家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。特别感谢评阅论文和出席答辩的各位专家、学者，感谢您在百忙之中给予悉心评阅与指导。最后，感谢我的母校北京交通大学，感谢每一位老师，感谢她近七年来的培养和教育。中文摘要中文摘要自然界广泛存在的土体，大多处于非饱和态。岩土工程师要面临大量的非饱和土的工程问题，通常认为利用饱和土力学的理论分析和处理非饱和土的问题是偏于安全的，但这些处理问题的方法，仍处于半理论、半经验的发展阶段。如何采用更加客观科学的方法，对非饱和土的特性进行研究并加强与工程问题的衔接，是当前非饱和土力学发展中需要努力的方向之一。本文结合刘艳提出的固液气三相耦合的非饱和土本构模型框

6、架，对非饱和土水力耦合模型及其数值实现方法进行了研究，探讨了模型应用于实际的可能性，具体内容如下：结合实际情况，将固液气三相耦合的非饱和土本构模型中液相对固相的影响参数及液相的更新参数进行简化，并推导了适用于数值计算的非饱和土水力耦合模型。选用半隐式本构积分算法，推导得到了水力耦合的非饱和土的一致切线模量，运用语言开发本构模型计算的子程序，使其能向外输出切线刚度矩阵并用于有限元计算。利用本构子程序对己有试验进行模拟计算，将模型计算结果与已有试验结果进行对比，主要包括土体在等向固结、干湿循环以及三轴剪切等不同路径下的行为特性。基于固液耦合思想，引入非线性的土水特征曲线模型，对土水特征曲线进气值与

7、体变的关系提出假设并应用于模型，详细推导并编程完成新的土水特征曲线模块下的数值计算更新，将模型计算结果与已有干湿循环试验结果对比，考察了新的土水特征曲线模型的适用性。运用子程序二次开发功能，将本构模型扩展到大型有限元分析软件中，对单个与多个单元的弹塑性问题进行分析。验证了本构模型从一点应力应变关系到多单元实体响应的扩展效果。关键词：非饱和土；本构模型；半隐式积分算法；数值模拟；二次开发ABSTRA