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饱和黏土循环剪切特性与软化变形的研究

齐剑峰  
【摘要】: 近年来,海洋资源与海洋空间的开发和利用日益引起国内外的高度重视。然而由于海洋环境极端恶劣,而且海洋建筑物地基往往由软黏土、粉质黏土与可液化砂土等不良工程土壤组成,在对海域土质的循环特性没有深入了解的情况下进行工程建设与设计,将会造成海床与地基失稳,以致带来巨大的生命和财产损失。因此,为配合海洋工程设计与建设,必须进行黏土的循环特性试验研究。在深海和极浅滩海域,吸力式沉箱基础受到了海洋石油界的广泛关注,但是目前对于吸力式沉箱等新型海洋基础的工作机理及其稳定性分析尚未得到统一认识,因此为完善吸力式沉箱基础的设计理论体系与计算方法,亟需开展系统地试验研究、理论分析与数值计算等方面的综合研究。 为此,论文针对饱和黏土试样,利用土工静力—动力液压—三轴扭转多功能剪切仪等土工试验设备,对UU试验条件下黏土的单调剪切试验特性、动剪切模量与阻尼比等动力特性与循环软化变形特性进行了较为深入而系统地对比分析与研究。在大量的单调与循环剪切试验基础上,建议了能够考虑应变速率效应的双曲线静力本构模型以及考虑静应力与循环应力联合作用的循环软化总变形拟静力计算模型,并在大型有限元软件ADINA平台上对建议的模型进行了数值实施与二次开发,考虑吸力式沉箱基础单调加载阶段地基变形速率的影响,对沉箱地基的竖向与水平向单调承载力以及循环软化变形进行了数值分析。论文的主要研究内容及所取得的研究成果包括如下几个方面: (1)饱和黏土制样技术的改进。通常获取原状土样花费较大,而且原状土样的饱和程度往往较低,土工试验时需要对试样进行真空处理使其饱和,经过如此处理的试样很难反映实际应力状态,而对于实际的非饱和土样目前无论在实验技术还是计算理论方面尚处于探索阶段。因此,采用实验室土样制备技术制备黏土试样,对制备的土样进行试验研究,是目前探索饱和土的变形与强度特性一种途径。通过对比泥浆加压固结制样法和真空预压制样法存在的优缺点,在吸取两种制样方法优点及其使用经验的基础上,对饱和黏土的制样设备进行了改进。改进黏土制样方法具有操作简便、制样时间短等优点,所制备试样具有成份均一、饱和程度高,且易于切削制备圆柱或空心圆柱试样等特点。 (2)饱和黏土的单调剪切特性与非线性静力本构模型。在CU和UU条件下进行了单调三轴和单调扭剪试验,通过对试验结果的综合比较分析,着重探讨了应变速率和约束压力对黏土应力—应变关系特性、强度特性与孔隙水压力发展特性的影响。结果表明,当应变速率较低时,应力—应变关系一般经历弹性、屈服、应变强化等阶段,而当应变速率较高时,应力—应变关系在经历弹性、屈服、应变强化达到峰值之后,在较高应变条件下还会发生应变软化,当应变超过一定值之后,随着应变增加,不同应变速率下的偏应力差别减小;约束压力对应力—应变关系模式的影响较小,但在CU试验中,屈服极限和强度随约束压力的增加而增大,而在UU试验中,应力—应变关系与强度不依赖于约束压力;不排水强度随应变速率的增加而增大,通过采用参考应变速率及其相应的不排水强度进行归一化处理,在双对数坐标下,不排水强度与应变速率之间的经验关系近似地符合线性关系。考虑不固结不排水条件和应力—应变关系的应变速率效应,建议了饱和黏土的非线性本构模型,在达到破坏时的偏应力q_f之前,应力—应变关系基本上符合双曲线模式,而在超过q_f之后的应力—应变关系按理想塑性处理,所建议的模型含有4个待定常数,由UU三轴试验确定。 (3)循环剪切变形特性与应变破坏标准。通过单向与双向耦合循环剪切试验对饱和黏土的不排水剪切变形特性与应变破坏标准及其孔隙水压力发展特性进行了研究,试验结果表明:初始剪应力对于黏土的循环应力—应变关系模式具有显著的影响,当初始剪应力较小或循环应力分量较大时,试样的变形以循环效应为主,而当初始剪应力较大或循环应力分量较小时,此时试样的变形呈现出明显的累积效应特征;在循环扭剪试验中,尽管没有施加任何轴向应力,但由于试样的循环扭动而产生轴向应变,并随循环应力增大,轴向偏差应变增长速率加大;在竖向—扭转耦合剪切试验中,尽管在耦合双向都施加对称的循环应力,但剪切向应变分量的循环效应比较明显,而轴向应变的累积效应比较显著,这与普通循环三轴或扭剪试验的结果不同。在单向循环剪切试验中,黏土试样的单向总应变同时包含不断累积的残余应变和循环应变两部分,通过对各种循环应力路径模式下的试验数据比较分析,建议了一个能够综合考虑轴向应变和剪切向应变,同时反映残余应变与循环应变特征的综合应变算式,该算式与单向总应变的表达式是一致的,试验数据表明这个综合应变具有普遍适用性和较好的稳定性。在不固结不排水条件下,无论对于循环扭剪试验还是竖向—扭转耦合试验,孔隙水压力总是在所施加的约束压力大小附近波动,而且随循环应力的增加孔隙水压力的波动范围有所加大,但并不具有固结不排水试验中孔隙水压力累积上升的特征。 (4)大应变(>10~(-3))条件下动剪切模量与阻尼比等动力特性。单级与分级加载循环剪切试验表明:采用多个试样单级加载与采用一个试样分级加载所得的应力—应变滞回圈、初始骨干曲线、动剪切模量与阻尼比都较为一致,采用分级加载试验测定动剪切模量与阻尼比等动力特性是可行的;初始剪应力对分级加载的应力—应变滞回圈的发展模式和动剪切模量与阻尼比都有较为显著的影响,初始剪应力对动剪切模量与阻尼比的影响主要体现在动力参数的逐次变化过程上;对于某一给定的剪应变幅值,耦合循环应力中的轴向偏差应力对动剪切模量具有增大作用,动剪切模量发展与轴向偏差应力的大小关系密切,尤其是在扭转向循环剪应力较小的情况下,轴向偏差应力越大,动剪切模量的增大越显著,而当扭转向循环剪应力较大时,轴向偏差循环应力对动剪切模量的增大效用降低。 (5)循环剪切强度特性及其简便确定方法。循环剪切强度与循环次数、初始剪应力之间关系曲线的确定,对于海洋平台设计与稳定性分析具有重要意义。循环剪切试验表明,对于给定的初始剪应力,循环剪切强度的大小是由循环软化效应和应变速率效应共同作用的结果。结合单调强度与应变速率之间的对应关系,提出了近似消除速率效应的循环强度归一化方法,通过归一化表明,不同破坏次数的循环强度与初始剪应力之间关系的数据点落在一个相当狭窄的区域内,初始剪应力与归一化循环剪切强度之间关系可用一个二次方程拟合表示。以此为基础,对循环强度简便确定方法进行了初步探讨,通过少量单调与循环剪切试验对待定参数确定之后,就可以估算不同循环次数的循环剪切强度,对于解决海洋地基稳定性分析中的试验工作量巨大等问题具有一定意义。 (6)循环蠕变特性与循环软化总变形计算模型。对循环剪切试验结果的分析表明:循环软化总应变由初始静应力引起的应变和循环蠕变两部分组成。其中,循环蠕变主要受循环应力幅值、初始静应力大小及其加载速率的影响。根据循环蠕变随循环次数的变化特点,将循环次数与时间等效,仿照Singh-Mitchell蠕变模型参数确定方法,建议了循环蠕变的经验计算模式。进而对循环软化总应变的两个组成部分,即初始静应变与循环蠕变,分别结合非线性弹性理论与屈服面流变理论,建立了循环软化总变形计算模型。考虑到不排水条件,所建议计算模型仅含有7个试验参数,由单调与循环剪切试验可以确定。尽管该模型属于拟静力模型的范畴,但是模型不仅能够区分施加荷载的性质(单调荷载或循环荷载),而且能够分别计算单调加载与循环加载两个加载过程所产生的变形,并且考虑了单调荷载及其加载速率对总变形的影响。 (7)循环软化总变形计算模型的有限元实施。循环软化总应变计算模型是基于单调与循环剪切试验建立的拟静力模型,较为准确地反映了静应力与循环应力共同作用所产生的循环蠕变等循环剪切特性。尽管大型有限元软件ADINA不仅具有强大的求解非线性问题的功能,而且具有优秀的前、后处理界面,但不具有反映这种循环特性的本构模型,需要对其进行二次开发。为此,论文对非线性弹性材料模型与循环蠕变材料模型的二次开发进行了探索,进而对循环软化总应变计算模型在大型有限元软件ADINA平台上进行了数值实施,并详细叙述了模型的二次开发过程及其计算方法与步骤。 (8)吸力式沉箱地基的单调承载力与循环软化总变形的有限元数值分析。考虑单调加载阶段吸力式沉箱地基变形速率的影响,对沉箱地基的单调承载力与循环软化总变形进行了数值分析。计算结果表明:对于单个沉箱基础,黏土地基的竖向与水平向单调承载力随着地基变形速率的增加而增大;对于给定的单调荷载与循环荷载组合,竖向与水平向循环软化总变形随循环次数的增加而增长,循环软化总变形的逐次增长速率逐渐减小。在竖向单调与竖向循环荷载联合作用下,基础附近泥面处土体由于基础的下沉挤压而向上移动,地基变形模式主要为沉箱附近土体的整体沉陷;在竖向单调荷载与水平向循环荷载联合作用下,沉箱基础与土体出现开裂,沉箱基础顶部的水平向转动位移随循环次数的增加而增大。


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