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武汉软粘土的变形特征与循环荷载动力响应研究

张勇  
【摘要】: 本文以交通工程为研究背景,以武汉软粘土为研究对象,以室内试验、理论推导和数值分析为研究手段,对饱和软粘土的变形特征与循环荷载作用下的动力响应进行了较为系统的研究。 首先,评价了武汉软粘土的基本工程特性,开展了相关固结特性试验,分析了土结构性对其固结特性(固结系数、压缩系数和渗透系数)的影响规律;基于太沙基一维固结理论,成功推导出固结速率与固结时间的解析关系,并以此提出了求解固结系数的固结速率半对数法,为求解固结系数开辟了新途径;该新方法避免了传统图解法求解固结系数的缺点,并可消除初始沉降和次固结的影响。 其次,开展了不同深度的原状样及其对应重塑样的静三轴试验,并分析了土结构性对其静强度参数的影响性状;为实现软粘土应力-应变关系的归一化,基于典型的双曲线方程,从理论上推导了实现应力-应变方程归一化而必须满足的归一化条件,即主应力差渐近值(σ1-σ3)ulti应是初始切线模量E0i的正比例函数;提出用主应力差渐近值(σ1-σ3)ulti作为归一化因子,并以此建立了武汉软粘土固结不排水条件下应力-应变特性的归一化方程。 第三,在研究移动荷载下地基动力响应时,将整个系统分为轨道和下卧地基两部分。在建立运动方程时,将轨道简化为无限长Euler-Bernoulli梁,并考虑梁下卧地基的剪切刚度;同时,将下卧地基以地下水位面为界分为弹性层和饱和土层,使地基假设模型更加符合实际。在求解运动方程时,利用了Lame对位移场的分解理论以及Fourier变换技术,最终得到了移动荷载作用下地基在二维和三维情况下的应力、位移和孔隙水压力的严格解析解。在此基础上,针对地基二维问题,采用数值法分析了列车移动荷载的速度、频率、地基渗透系数、地基的弹性参数和剪切参数等对地表竖向位移和孔隙水压力分布的影响规律。 第四,开展了武汉软粘土重塑样和原状样的单向激振循环三轴试验,分析了动应力幅值、静偏应力、振动频率、固结围压和循环周次等因素对饱和软粘土的动力特性影响规律。根据循环荷载下应变发展形态,提出了可描述长期循环荷载作用下稳定型应变增长曲线的新数学模型,并根据重塑样和原状样的动三轴试验结果,分别建立了可考虑动应力幅值、静偏应力、固结围压和循环周次等影响因素的稳定型累积塑性应变和双幅应变的经验拟合模型。在此基础上,根据新数学模型中参数的演化规律,提出了求解土体临界动应力的数值解析方法,为临界动应力的求解开辟了新思路;建立了考虑循环周次的重塑样和原状样的动骨干曲线模型,从而弥补了传统骨干曲线模型中无法体现土体刚度软化特性的缺陷,使骨干曲线的描述更加切合实际;提出了以最大应变曲线上的曲线转折点作为土体结构破坏的新破坏标准,并建立了重塑土的动强度方程。此外,还探讨了土结构性对土动力特性的影响性状。 最后,结合土动骨干曲线模型、塑性应变累积模型和阻尼比模型,建立了可考虑刚度软化和应变累积的软粘土非线性动本构模型。该建模思想摈弃了传统的基于骨干曲线的滞回曲线构造思路,从而克服了传统非线性动本构模型中无法描述土体应变累积和刚度软化的缺陷。根据重塑土的动三轴试验资料,通过对比发现,该模型所得的计算曲线与实测值吻合较好。


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