浅论剪切带形成和非共轴模型研究与应用

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1、同济大学博士学位论文剪切带形成和非共轴模型研究与应用姓名：张启辉申请学位级别：博士专业：岩土工程指导教师：赵锡宏2000.12.1摘要局部化变形，如剪切带形成过程是土体变形中的常见现象，它对研究地基土的承载力，边坡稳定，砂土液化，基础失稳，路堤、挡墙以及开挖工程等的稳定有重要的理论和实践意义。本文对局部化变形过程的研究，在理论上，提出和发展本构模型，引入变形局部化分叉理论，借以分析局部化变形产生的条件；试验上，研究局部化剪切带的发展，进行一些试验工作。最后，得出～些有益的初步结论。体文分五个部分：第一部分——近年来国内外剪切带局鄱化研究的试验、理论和数值模拟方法的综述以约1／3的论文

2、篇幅，综述当前国内外有关剪切带的主要问题：从试验、理论、数值模拟到存在尚未解决或未重视的问题——在实践中加以验证与发展，加以自己的观点阐述论文的主攻方向和准备研究的课题。第二部分——上海典型粘性土在不排水条件下剪切带形成的试验研究利用参加研制国内首台可进行边界局部化变形量测的平面应变仪，对上海典型粘性土进行平面应变不排水压缩试验及剪切带形成试验研究，明确上海地区粘性土的应力～应变曲线具有明显的应变软化段：认为观测到的应变软化性状很可能是剪切带形成所产生的结构影响，不是土体的材料特性反映；清楚地表达剪切带的机理：剪切带的位置与孔隙水压力的关系、剪切带与局部化变形的关系、剪切带形成与边界

3、条件的关系以及剪切带与局部剪缩和剪胀变形的关系。因此，试验的成果为进一步研究剪切带的形成机理和理论研究提供有利依据。第三部分——非共轴模型理论的建立及剪切带形成影响的理论研究提出三维非共轴修正项，对上海粘性土三维弹塑性模型进行非共轴修正，发展三维非共轴弹塑性模型；将小应变的地基模型扩展为有限应变情况；将分析限定为平面应变不排水条件，根据分叉理论，研究非共轴性对剪切带局部化的影响：非共轴性对简单剪切模量的影响、非麸轴性对局部化变形的影响以及非共轴与拭轴模型预估剪切带倾角的差异。此外，为便于比较，采用考虑应力诱使各向异性的关口一太田模型，研究在主应力轴旋转情况下，应力诱使各向异性引起的非

4、共轴流动对局部化剪切带形成的影响。明确最可能发生局部剪切变形平面的方向与主轴的旋转角度的关系。因此，理论研究的初步成果为进一步研究剪切带局部化创造理论基础。第四部分——剪切带形成的数值模拟研究三维共轴、非共轴弹塑性模型耦合比奥固结理论，建立三维弹塑性模型耦合固结理论的有限元方程，编制相应的有限元方程分析程序，针对平面应变不排水情况，引入弱单元，研究剪切带形成机理以及共轴、非共轴流动对局部化变形的影响。研究结果显示着引入弱单元激发剪切带的作用和引入弱单元的形式对局部化变形模式的影响；同时，显示着非共轴流动特性对局部化变形模式的影响，局部化变形对土的宏观应力应变的反应。形象化再现剪切带形

5、成与发展过程。因此，数值模拟研究能够形象化再现剪切带形成与发展过程，引入弱单元激发剪切带的作用明显，为验证和发展模型理论创造有利条件。第五部分——模型的验证与应用根据文中提出的本构模型，针对一个著名的其体的实际工程——MIT试验路堤，采用三维共轴和非共轴弹塑性模型对变形、孔蘧进行事后的再预测和分析，将共轴，非共轴预测结果与当年预测者和实测结果进行比较分析，验证非共轴模型的适用性，预测路堤的水平位摘要移更为有效。显示出本模型的优越性，具有广泛的应用前景。MIT路堤的试验资料能为我国岩土工程界增添一份宝贵的验证和发展模型的财富。卜J关健字：粘性立局部化，局部剪胀，剪切带V共轴，非共轴，弹

6、塑性，固结理论，路堤_平面应变y有限应变>，各向异性_主应力轴旋转，MIT路堤y摘要ABSTRACTLocalization．suchasshearbandformationiSknowntoplayacrucialroleinthestudyonultimatebehaviorofsoils．PropermodelingofstrainlOCalizationiSveryimportantinmanyfieldsincludingslopestabilityanalysis，drillingpile，retainingwalls，excavations，embankments，et

7、c．Thepaperconsistsoffiveparts．Thefirstpartwithalargespaceaboutonethirdofthispapersummarizesandcommentsonthecurrentmajorproblemsonshearbandsfromexperiment，theory,numericalandsimulationanalysistoengineeringpracticeathomeandabroadino