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砂土液化后大变形的物理机制与本构模型研究

王刚  
【摘要】:饱和土体震动液化后大变形的预测是已得到广泛重视但是仍然没有解决好的热点与难点研究课题。本文在前人研究成果的基础上,较为系统地总结了饱和砂土液化后大变形的基本规律,从物理机制、本构建模、数值实现到工程应用探索了一条定量评价饱和砂土液化后大变形的合理途径。本文取得的主要新成果有: (1)提出了饱和砂土零和非零有效应力状态的体变界限条件,给出了饱和砂土液化后三个体变分量(压缩体变分量、可逆性和不可逆性剪切体变分量)组合变化的规律,揭示了饱和砂土液化后大变形的物理机制,指出是三个体变分量的组合变化规律决定了饱和砂土液化后大变形(大剪切变形、大再固结体变和流滑)的发展。 (2)建立了一个物理概念明确的饱和砂土的弹塑性循环本构模型。该模型最突出的优点是:①不需要引入额外的假定和参数,仅通过对剪切引起的可逆性与不可逆性剪切体变分量的描述,就既可以合理地模拟饱和砂土液化后不排水循环剪应变的发展过程,又可以合理地模拟液化后排水再固结体变的累积过程;②从机理上反映了饱和砂土的残余体积应变与残余剪应变间的相互影响。 (3)基于弹性预测-塑性返回的隐式积分算法的基本框架,针对所提出的弹塑性循环本构模型的具体特点,发展了实用的本构模型应力积分算法。该算法适用于任意排水条件,可有效地计算出液化后间歇性出现的零有效应力状态时的大变形,具有较好的稳定性。 (4)对著名的VELACS研究项目的部分动力离心模型试验成果进行了模拟,较好地解释了模型试验观察到的宏观力学响应的内在机理,初步表明了本文模型及以该模型为基础的液化变形数值分析方法应用于实际边值问题分析的可靠性、有效性、合理性和优越性。 (5)用经过动力离心模型试验验证的数值方法和程序对日本阪神地震中遭到严重破坏的大开地下车站进行了地震反应分析,指出大开车站的破坏可能是由于饱和砂土层液化引起的过大的土层错动位移造成的。


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