粗粒土burgers模型参数确定方法及考虑湿化作用模型构建方法

本发明属于岩土工程，具体来说涉及一种适用于粗粒土体的burgers模型参数确定方法及考虑湿化作用模型构建方法。

背景技术：

1、由粗粒土构成的土石坝是我国目前大坝的主要坝型，然而在土石坝的实际运行中其坝体会发生比较明显的变形，且这种变形通常持续时间较久。引起坝体的长期变形的重要原因是其主要建筑材料-粗粒土体。目前对于粗粒土体的长期变形预测是通过构建本构模型来进行数值模计算，但大多数模型基本只考虑了荷载因素对土体长期变形预测的影响，并未考虑湿化作用。根据现有观测资料表明：坝体在降雨前后的变形的速率明显超过非降雨时间段。如何考虑湿化作用对粗粒土体的长期变形影响是目前研究领域的空白。

2、flac3d程序为模拟材料的长期变形提供了一种非线性变形模型——burgers模型，但是其所需要的本构参数一般并不能由试验直接确定，本构参数的确定往往存在很大的人为因素与不确定性。为了将湿化作用考虑其中，提供了一种新的burgers模型的构建方法，实现模型的客观便捷使用。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种适用于粗粒土体的burgers模型参数确定方法及考虑湿化作用模型构建方法，该构建方法所获得的考虑湿化作用的burgers模型适用于不同湿化程度的粗粒土体长期变形预测。

2、本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的：

3、第一方面，本发明提供一种粗粒土burgers模型参数确定方法参数确定方法，所述确定方法包括以下内容：

4、将burgers模型的应力应变方程表示为式(2)

5、ε＝a+bt+c(1-e-dt)   (2)，

6、其中，t为时间；ε为土体的剪切应变；a、b、c、d分别为参数，τ为材料所受剪应力；me为burgers模型中maxwell体弹性模量、mη为burgers模型中maxwell体黏性模量、ke为burgers模型中kelvin体弹性模量、kη为burgers模型中kelvin体黏性模量；

7、针对不同参数特性采取直剪蠕变试验和参数拟合的方式确定a、b、c、d参数值；

8、参数a的确定过程是：设定目标剪应力值，从开始直剪蠕变试验后至剪应力第一次达到设定目标剪应力值的时间段内粗粒土体的剪切应变量值为参数a，再根据及设定目标剪应力值确定本构参数me；

9、参数b、c的确定过程是：

10、进行直剪蠕变试验，获得待测对象的剪切应变-时间曲线，当t→∞时,式(2)为：ε＝a+bt+c，此时剪切应变-时间曲线近似为斜直线，做其曲线的渐近线，获得渐近线的斜率和截距的值，渐近线与应变轴交于点(0，a+c)；在确定参数a的值后，根据点(0，a+c)求得参数c，再根据确定本构参数ke；所述渐近线的表达式可利用土体剪切应变-时间曲线的末端平缓变形段上任取两点算出；

11、根据渐近线斜率的值确定参数b，再根据确定本构参数mη，此时τ为t→∞时材料所受剪应力；

12、参数d拟合：

13、再确定参数a、b、c的值后，利用oringin软件，输入公式(2)，并将a、b、c值输入，让oringin软件根据直剪蠕变试验确定的土体剪切应变-时间曲线自动计算出参数d,并根据此求得本构参数kη。

14、第二方面，本发明提供一种考虑湿化作用模型构建方法，所述模型为粗粒土的burgers模型，为一种流变模型，所述构建方法包括以下内容：

15、1)在自然含水率状态下开展不同法向应力σ下不同剪应力τ的土体直剪蠕变试验，得到自然含水率状态下不同应力下的土体剪切应变-时间曲线；根据自然含水率状态下不同应力下的土体剪切应变-时间曲线分别利用上述的burgers模型参数确定方法确定对应的a、b、c、d参数值和本构参数值，进而获得自然含水率状态下四个本构参数与应力之间的函数关系，即为自然含水率状态下本构参数表达式；

16、2)分别在浸泡、干湿循环状态下开展与自然含水率状态下相同法向应力和剪应力下的土体直剪蠕变试验，得到浸泡、干湿循环状态下不同应力下的土体剪切应变-时间曲线；根据浸泡、干湿循环状态下不同应力下的土体应变-时间曲线分别确定对应的a、b、c、d参数值和本构参数值，进而获得浸泡、干湿循环状态下四个本构参数与应力之间的函数关系；

17、3)分别将浸泡、干湿循环状态下的本构参数与自然含水率状态下的相应本构参数进行对比，分别确定浸泡、干湿循环状态下的四个本构参数的浸泡湿化系数和干湿循环湿化系数；

18、4)以自然含水率状态下本构参数表达式为基准，对自然含水率状态下的本构参数表达式中引入上述的浸泡湿化系数和干湿循环湿化系数来转化成浸泡、干湿循环下本构参数表达式；

19、5)在确定应力状态、湿化情况后，带入步骤4)相应的表达式中获得考虑湿化作用的burgers模型的本构参数，进而建立本构参数已知的考虑湿化作用的burgers模型。

20、获得不同种类材料粗粒的浸泡湿化系数和干湿循环湿化系数，建立材料粗粒种类与湿化系数的对应关系，在已知材料种类及湿化情况时，能直接确定相应的湿化系数，进而确定对应的考虑湿化作用的burgers模型。

21、将考虑湿化作用的burgers模型直接用于数值模拟，用于不同湿化情况下的长期变形预测。

22、自然含水率状态下本构参数表达式为：

23、me＝120*σ-2500；

24、mη＝τ/(1*10-5)；

25、ke＝60*τ+100；

26、kη＝290*τ+500；

27、其中，σ为法向应力，τ为剪应力；

28、所述浸泡湿化系数为：修正kelvin体的ke的浸泡湿化系数ake、修正kelvin体的kη的浸泡湿化系数akη、修正maxwell体的me的浸泡湿化系数ame，

29、所述干湿循环湿化系数为：修正kelvin体的ke的干湿循环湿化系数bke、修正kelvin体的kη的的干湿循环湿化系数bkη、修正maxwell体的me的干湿循环湿化系数bme，

30、ake＝0.73 bke＝0.55

31、akη＝0.75 bkη＝0.93

32、ame＝0.79 bme＝0.74

33、mη在不同湿化状态下表达式不变。

34、第三方面，本发明提供一种试验装置，用于所述构建方法中，其特征在于，所述试验装置主要用于包括自然含水率、浸泡、干湿循环在内的不同湿化程度的材料的直剪蠕变试验中，试验装置包括外部直剪盒、内部直剪盒、井字支架、水泵和储水袋，内部直剪盒嵌套在外部直剪盒内，二者的剪切面位于同一高度，在内部直剪盒的下部设置井字支架3，外部直剪盒位于储水袋内；所述外部直剪盒包括外部直剪上盒5和外部直剪下盒4，外部直剪上盒5和外部直剪下盒4四周封闭；内部直剪盒包括内部直剪上盒1和内部直剪下盒2，

35、外部直剪上盒5放置在外部直剪下盒4上，外部直剪上盒和外部直剪下盒均位于储水袋内，井字支架3安装在外部直剪下盒4内，内部直剪下盒2位于井字支架上，内部直剪上盒1放置在内部直剪下盒2上；内部直剪下盒2通过外延支架与外部直剪下盒连接固定；内部直剪上盒1通过外延支架与外部直剪上盒5连接固定；

36、在内部直剪下盒和内部直剪上盒的至少一个侧壁上均均匀开设若干通孔，内部直剪下盒的底部开设若干通孔；

37、在井字支架内部放置水泵，外部直剪盒与内部直剪盒之间存在空隙，空隙能容纳水管，将水管与水泵连接，用于排水。

38、本发明中所述应力指法向应力和剪应力。

39、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

40、本发明首先通过粗粒土直剪蠕变试验验获得不同湿化程度下土体蠕变变形数据。然后试验数据可简单确定burgers模型所需本构参数，建立不同湿化程度下土体参数公式，使参数可直接用于数值模拟。对实际工程建立数值模型，利用上述构建方法获得本构参数已知的考虑湿化作用的burgers模型，能获得合理的本构和外部条件，用来预测长期变形。

41、本发明构建方法中对burgers模型的每个本构参数值，均与材料所受应力建立关系，能由材料所受应力大体推导出每个本构参数的值。引入湿化系数，以自然含水率状态下本构参数表达式为基准，来转化成浸泡、干湿循环下本构参数表达式，实现由应力状态、湿化情况直接获得模型本构参数的目的。

42、本发明试验装置中将直剪盒设置为外部直剪盒、内部直剪盒、井字支架和储水袋组装形式，代替由上部、下部两个等大的剪切盒构成的传统直剪盒，能够实现浸泡、干湿循环两种工况的长期剪切试验，即实现了长期浸泡、干湿循环工况的长期加载。