[发明专利]一种架空输电线路湿陷性黄土地基应力应变模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及湿陷性黄土地基应力应变模拟技术领域，本发明涉及一种架空输电线路湿陷性黄土地基应力应变模拟方法。

背景技术

天然状态下的黄土强度较高，压缩性小，但在一定压力情况下遇水浸湿后，其结构会迅速破坏，这给黄土区域的输电线路杆塔基础带来严重安全隐患。以往在分析土的力学变化特性时，常以湿度、密度及粒度的变化去分析而忽略了土的结构性这一重要影响因素。在此情况下，很有必要研究结构性对输电线路工程中黄土地基的工程物理力学特性的影响规律。

对结构性土的本构模型研究多建立在修正剑桥模型上，考虑土的各向异性和结构性。现有的大多数本构模型都是以重塑扰动黄土作为研究对象建立本构模型，并没有反映结构变形特性这一天然原状黄土特有的性质，这样建立的本构模型参数少，对峰值强度及结构损伤造成的土体强度衰减模拟效果不佳，因此在实际工程中应用显然是不合理的。

发明内容

有鉴于此，本发明针对饱和黄土固结阶段和剪切阶段结构受损的问题，提供了一种基于室内压缩试验和常规三轴试验结果构建结构性土本构模型的方法，通过运动硬化结构模型引入一个可移动结构面中心位置的硬化屈服面。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种架空输电线路湿陷性黄土地基应力应变模拟方法，包括以下步骤：

(1)根据黄土重塑土试样一维压缩试验和等压固结不排水试验结果，测量并记录试验平均应力或轴向应力，绘制一维压缩试验的e-lgp曲线和三轴试验的土体应力应变关系曲线和lnv-lnp曲线；

(2)分别确定土体的前期固结应力和本构模型边界面方程中涉及到的材料常数，利用修正剑桥模型得出重塑土的边界面方程；

(3)采用相关联流动法则，结合等向硬化和运动硬化法则来控制屈服面大小和中心位置的变化，并通过当前应力点与像应力点距离的插值计算求解塑性模量，确定本构模型；

(4)选取土体的参数与状态变量初始值使模拟的结果与原状土等压不排水固结三轴不排水剪切试验的结果相符合。

进一步地，还包括步骤(5)，该套参数预测不同应力路径下的常规三轴试验，以验证运动硬化结构模型对模拟天然结构性土的适用性和数值实现的准确性。

所述步骤(1)和步骤(2)中，对同一埋深取土的原状黄土试样展开系列常规三轴试验和室内试验，记录土体参数：含水率ω、液限I_L、塑限I_P、泊松比ν、静止土压力系数K₀、前期固结应力、土体内摩擦角体积应变-平均应力对数值曲线中压缩曲线的斜率λ^*、体积应变-平均应力对数值曲线中回弹曲线的斜率K^*、压缩应力状态下的临界状态线斜率M_c、拉伸应力状态下的临界状态线斜率M_e、土体结构各向异性参数η₀。

所述步骤(2)中，为了简便，忽略土体初始各向异性，即η₀＝0，因而表征重塑土力学行为的参考面方程在偏应力空间过坐标原点，其方程如下：

式中，p和s分别为平均应力与偏应力；M_θ为表示参考面大小的标量，p_c为控制该面在偏应力空间中形状的一个标量。

所述步骤(2)中，采用《Aspects offinite elementimplementation ofcritical state models》(SHENG D,SLOAN S W,Yu H S.Aspects of finite elementimplementation of critical state models[J].Computationalmechanics,2000,26(2):185-196.)建议的形式：

式中，M_c为压缩应力状态下的临界状态线斜率；m表示拉伸应力状态下临界状态线斜率M_e与M_c之比；θ为Lode角

所述步骤(3)中，等向硬化部分与剑桥模型一致，采用体积硬化，表示屈服面大小的p_c受塑性体积应变控制：

式中体积应变-平均应力对数值曲线中压缩直线对应斜率λ^*和膨胀直线对应斜率κ^*，p_c为控制该面在偏应力空间中形状的一个标量。

所述步骤(3)中，运动硬化方程通过几何条件和一致性条件求得：