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《河海大学》 2002年
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饱和砂土不排水动力特性及多机构边界面塑性模型研究

丰土根  
【摘要】: 对于在地震中由于饱和砂土的超孔隙水压力上升而导致的土工构筑物和土工基础的破坏的机理有两种认识。一种为饱和砂土的强度的降低而导致的完全流动破坏;另一种为不涉及土体的破坏机理,但由于土体劲度的降低而产生有限的大变形,称为循环活动性。发生在松砂中的循环活动性通常称为“液化”。在本文研究中只要不涉及土体的破坏机理称为循环活动性。过去的地震灾害实例表明,由于循环活动性,就是通常所说的液化导致土工构筑物和土工基础引起变形是一种在地震中非常普遍的震害。 为了正确评价和估计由于地震引起的土工构筑物和土工基础的变形,关键在于对循环活动性建立一个简单、实用的土体本构模型。许多学者建议了数学模型对循环活动性进行模拟,但是至目前为止在土动力学和地震工程实践应用中成功的模型很少。以前模型普遍存在的问题有:(1)不能模拟初始偏压固结的情况;(2)当应力路径接近破坏线时数值稳定性差。 本文在塑性力学的理论基础上,探讨了以上问题的不足。结合室内试验分析结果,探讨了砂土地震液化的变形规律,提出了新的本构模型,并对模型进行验证和分析。独到之处在于所建立的多机构边界面塑性模型能够同时考虑土体在复杂荷载作用下主应力轴旋转的影响和砂土地震液化时剪切大位移特性。 利用河海大学与日本圆井株式会社共同研制的新型的多功能静动三轴仪进行了饱和砂土循环扭剪不排水试验,研究表明,对于松砂,剪应变幅度快速地由微小增加到百分之几甚至百分之十几,对于紧砂,剪应变幅度逐渐地由微小增加到百分之几甚至百分之十几;经试验初步研究表明用初始有效平均正应力归一化的有效应力路径很好的一致性。也就是说,如果保持相同的剪应力比,由初始有效平均正应力归一化的有效应力路径不受初始有效平均正应力的影响。同时也说明了由超孔隙水压力定义的抗液化强度与初始有效平均正应力无关。但剪应变却与初始有效平均正应力有关。 本文提出的本构模型定义在应变空间。多机构的概念作为将土体复杂的机理分解成定义在一维空间的一系列简单机构的工具。虚拟单剪机构由边界面模型来模拟。虚拟单剪机构在模拟土体在初始偏压固结条件下的性状起到了非常重要的作用。 为了克服数值稳定问题,提出了一个简单的处理方法。对循环活动性进行模拟,不是作为一个屈服的过程,而是作为一个参考剪应变随着有效应力路径不断接近破坏线而不断变大的过程。为了定义到破坏线的“距离”,在有效应力空间作为当前应力点的包络线引进“液化面”的定义。液化面作为累积剪切功的函数,从初始应力点的包络线开始,随着循环活动性的进行,逐渐接近破坏线。液化面同时用来定义塑性体 &B 积变形和参考应变。 本文详细推导了边界面塑性模型的增量和全量数学公式。值得一提得是,增量本 构方程中的切线劲度矩阵是对称的,使得在进行数值分析时十分有效。而全量本构方 程作为确保实际可行的应力应变滞回圈收敛的向导。在多机构边界面塑性模型中总共 有7个参数,两个弹性参数,两个塑性剪切参数,三个剪胀性参数。 根据颗粒集合力学理论研究砂土的性状,给出了平面应变问题定义在应变空间的 砂土多机构边界面塑性模型的微结构力学背景,解释了砂土颗粒与宏观表现之间的关 系。 对等压固结不排水循环剪切试验进行数值模拟,分析表明,该模型能够模拟剪切 应变幅度超过好几个百分点的迅速增长,以及逐渐增长,这与试验结果是一致的。 根据本文的研究方法,实际单剪引起大部分虚拟单剪机构的流动,但是流动的程 度与虚拟单剪机构的方向有关。其中最明显的是位于与实际单剪方向一致的虚拟单剪 机构。初始偏压固结主要引起压剪机构附近的虚拟单剪机构的流动。因此如水平场地 的土体在侧向正应变受到限制的条件下,如果保持初始平均有效应力一样,土体的循 环单剪性状不受初始偏压固结条件的影响。这也与室内试验研究成果一致。 当土体侧向正应变不受到限制时,分析表明,有效应力的降低有一个极限值,同 时土体随着沉降,引起侧向膨胀。这表明在对土工构筑物和土工基础进行二维分析 时,运用多机构边界面塑性模型是合理的。 模型模拟计算研究初始围压的影响与试验研究成果一致。研究表明,在循环加载 过程中,如果保持相同的剪应力比,则有效应力路径不受初始围压的影响,而剪应变 幅度却受初始围压的影响,剪应变幅值与初始围压的平方根成正比。 通过对饱和砂土水平场地输入正弦波和唐山地震波两个例子进行地震反应有效应 力分析,表明了将多机构边界面塑性模型应用于工程实践的可行性和合理性。
【学位授予单位】:河海大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2002
【分类号】:TU435

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