[发明专利]确定拉拔试验中土工材料非线性力学行为的装置以及方法

权利要求书

1.一种确定拉拔试验中土工材料非线性力学行为的方法，该方法基于一种确定拉拔试验中土工材料非线性力学行为的装置，包括一个试验箱，在所述的试验箱内盛装有土体，在所述的土体的顶部设有向下的垂直压力；在所述的试验箱的侧面设有一个横向插装在土体内的土工材料试件，在所述的土工材料试件的端部设有固定装置；通过固定装置对土工材料试件在土体内进行拉拔，土体给土工材料试件一定的剪切阻力；其特征在于，包括以下步骤：

步骤1测量土工材料试件所受到的拉力F、位移u和土工材料的横截面积A，得到轴向拉应力σ；

步骤2根据土工材料微元体在拉拔试验中的受力平衡，得到土工材料微元体的平衡微分方程；

步骤3.根据土工材料的全过程应力—应变曲线，建立轴向拉应力σ与土工材料的应变ε之间的公式；将σ-ε关系用双折线模型表达；

步骤4.将筋土间摩擦力τ—土工材料试件位移u的关系曲线近似考虑为双曲线模型；

步骤5.根据步骤2、步骤3、步骤4中得到的关系，得到土工材料试件位移u关于土工材料试件长度变量x的分布确定τ、σ和ε与x的关系；得到σ、τ、u和ε中任意两者之间的关系。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中的轴向拉应力的求解方法如下：

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2根据土工材料微元体在拉拔试验中的受力平衡，得到土工材料微元体的平衡微分方程，即公式(2)：

F+dF-F+2τ(Δx+Δw)dx＝0 (2)

简化得到公式(3)如下：

dσ·A＝-2τ(1+ε)dx (3)

其中，代表土工材料的应变，Δx表示土工材料微元体变形前的长度，Δw表示该微元体变形后的伸长量；τ代表筋土之间的摩擦力；dx表示土工材料微元体的长度；dF表示微元体受到的微拉力；dσ表示微元体受到的微轴向拉应力。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤3根据土工材料的全过程应力—应变曲线，建立σ-ε之间的公式；将σ-ε关系用双折线模型表达：

σ_u＝E₁·ε_u (5)

E₁、E₂是土工材料的弹性模量；点(ε_u,σ_u)是土工应变以及轴向拉应力的转折点，E₁、E₂、ε_u和σ_u通过单轴拉伸试验确定；du表示微元体对应的位移；dx表示土工材料微元体的长度；其中ε_u为转折点应变，σ_u为转折点应力。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤4筋土间摩擦力—位移关系曲线(τ-u)近似考虑为双曲线模型：

其中，在初始点切线的斜率为：

当u趋近于无穷大时，公式(7)即为：

其中，b为双曲线的渐进值；τ_ul只是一个理论值，所以b还可以表达为：

其中，R_uf是界面抗剪破坏的比例，取值范围在0.80～0.95；τ_f是最大抗剪强度，可由剪切强度试验确定；a是一个过程参数。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤5具体过程如下：

σ、τ、u和ε四个未知量都与x有关，通过推导公式(3)(4)(6)(7)可以建立荷载传递方程如下：

当x≤x_u或ε≥ε_u时:

其中，B是一个常数；x_u为转折点应变ε_u所对应的x轴坐标，即ε(x_u)＝ε_u；

当x>x_u,或ε<ε_u时:

其中，

方程的边界条件是：

当x＝0时，σ＝σ₀或

当x＝l时，σ＝0或

其中，F₀是拉拔试验中负载端的拉力，可由试验直接确定；l是土工材料的长度；

公式(11)和(12)是u关于x的分布，然后再根据公式(3)(4)(6)和(7)确定τ、σ和ε与x的关系；从而σ、τ、u和ε中任意两者之间的关系都可以确定。