软黏土在循环荷载作用下动力本构模型的研究

针对软黏土在循环荷载作用下的变形特性,即几乎不存在纯弹性变形阶段及应变趋于零时仍存在能量耗散,结合软土地铁车站振动台模型试验中对饱和软黏土进行的动三轴试验,利用边界面模型理论建立了软黏土的黏弹塑性动力本构模型。并进一步利用该模型对自由场振动台试验进行数值模拟计算,计算与试验的结果基本吻合。该本构模型可用于循环荷载作用下软黏土的动力响应分析。     

循环荷载作用下饱和软土的各向异性边界面模型

在临界状态弹塑性力学的框架内,建立了可以考虑循环荷载作用下各向异性对饱和软土力学特性影响的边界面塑性模型。该模型采用非关联的流动法则,引入了反映土体各向异性的内变量,利用该内变量的初始值描述初始各向异性,采用一种理论更为严谨、模型参数确定更为恰当的旋转硬化法则描述循环加载过程中各向异性的演化,利用更新映射中心的径向映射法则和与塑性偏应变路径长度有关的塑性模量插值规律,保证模型能够模拟循环加载时应力-应变响应的非线性、滞回性、应变累积性等基本特性,解释了模型参数的物理意义和确定方法,特别是给出了一种合理确定描述土体初始各向异性状态变量方法。通过文献中等压固结和偏压固结饱和黏土的循环三轴试验结果与模型预测结果的对比验证了模型的合理性。     

循环荷载作用下考虑颗粒破碎的堆石体本构模型

中国西部兴建的很多200～300 m高的堆石坝处于高烈度地震区。应力水平高时堆石体的颗粒破碎对其在循环荷载作用下的应力、应变特性有重要的影响。基于广义塑性理论,通过引入状态参数,建立了循环荷载作用下考虑颗粒破碎的堆石体的本构模型,并给出了模型参数的确定方法。与堆石体在400、800、1 500、2 200 kPa围压作用时的试验结果对比,表明所提出的本构模型可以较好地模拟循环荷载作用下颗粒破碎时堆石体的动应力和动应变响应。     

考虑循环弱化的饱和黏土简化非线性模型

随着海洋工程建设的快速发展,海洋环境中的地基稳定性逐渐成为学者和工程师关注的热点问题,建立一个简化的饱和黏土循环加载模型对于长期循环荷载下海上构筑物的设计具有重要意义。针对饱和黏土的循环弱化特性,在Hardin-Drnevich等效非线性模型的基础上,建立了考虑循环弱化的饱和黏土简化非线性模型来描述循环加载下饱和黏土的应力-应变关系,模型中引入了由循环加载期间产生的累积塑性变形控制的强度和模量衰减比公式。通过参数分析,说明了形状参数 与n以及残余衰减比与衰减系数等参数的意义和作用。通过对文献中单向循环试验和双向循环试验结果的模拟,验证了该简化模型可以较好地描述循环加载时饱和黏土应力应变滞回圈的演变规律以及循环加载后饱和黏土的强度和刚度弱化现象。简化模型大大提高了计算效率,与传统的土体弹塑性模型相比更加便于工程应用。     

循环荷载作用下考虑非达西渗流的软黏土一维流变固结分析

基于Hansob渗流理论和Merchant流变模型,将微分型流变方程耦合到一维固结理论中,建立了循环荷载作用下双变量表述的软黏土一维流变固结耦合方程组。采用FlexPDE软件对方程组进行了求解,通过与已有文献结果对比,验证了算法的可靠性,在该基础上研究了循环荷载作用下饱和软黏土的一维流变固结特性,分析了Hansob渗流参数、Merchant流变模型参数以及循环荷载类型对饱和软黏土固结特性的影响。研究结果表明,按超孔压定义的平均固结度 和按变形定义的平均固结度 均呈现循环变化特征,且 > ;当循环周次较大时, 进行稳定循环状态,由于流变效应, 峰值仍呈逐渐增大趋势;随着Hansob渗流参数 和 的逐渐增大,地基固结速率逐渐降低,同一循环周次内 、 的峰值也随之降低;随着流变参数F的逐渐增大,同一循环周次内 的峰值逐渐降低, 的峰值显著提高;随着 的逐渐增大,同一循环周次内 、 的峰值逐渐降低。循环荷载作用下地基的平均固结度始终处于循环状态,无法达到固结完成状态,其最大平均固结度也远小于线性荷载的情况。     

上海地区循环不排水作用下饱和软粘土孔隙水压力模型的建立

本文通过应力控制式循环三轴试验，研究了饱和软粘土在不排水循环荷载作用下的性状。     

描述循环荷载作用下黏土累积变形的改进模型

软土地基在长期循环荷载作用下的变形特性十分重要,经验模型是动荷载引起的土体变形预测的实用方法,虽拟合方法众多,仍存在一定的局限性。根据典型结构性黏土的动力变形的曲线形态演化规律,通过引入指数型函数(1)Na?-与指数双曲线函数/(1)m mb N(10)c N的叠加融合,提出了一种能更好描述在循环荷载作用下黏土累积变形的改进模型,该模型既适用于具有应变极限值的"稳定型"应变曲线,也能拟合不同应力水平下的"破坏型"应变曲线。不仅如此,该改进模型对呈脆性破坏特征的强结构性黏土变形特性表征也具有明显的优越性,对于不同结构性土体与应力水平下土体的动力变形响应性状均能较好描述,具有很好的普适性。改进模型可近似计算土体的临界动应力,针对动荷载下的结构性黏土破坏突然且破坏前的轴向应变较小,认为宜用应变-振次曲线拐点对应的应变值来确定相应土体应变破坏标准。     

考虑循环应力比和频率影响的动荷载下软土微观结构研究

以杭州原状软土为研究对象,借助扫描电镜和PCAS微观定量测试技术,采用分形理论对波浪荷载下的饱和软土微观结构进行研究,探讨不同循环应力比和不同频率条件下孔隙的分布特征及其变化规律。结果表明：循环应力比越大或频率越低,试样破坏所需的循环次数越少;试样临界破坏应变水平随循环应力比的增加呈升高趋势,而不同频率下的临界破坏应变水平则基本一致;孔隙的尺度、排列、形态等特征均随循环应力比的变化呈规律性变化,但随频率变化没有明显的规律性;循环剪应力作用下,孔隙破碎的同时兼并生长,这是剪切带上褶皱现象的微观本质,并且孔隙排列方向与剪切带方向基本一致。通过循环加载前、后微观结构特征参数的变化规律,揭示了波浪荷载下循环应力比和频率对土体微观结构的影响以及土体宏观变形的微观机制。     

长期循环荷载作用下排水条件对饱和软黏土动力特性影响

由于软黏土渗透系数很小,目前针对饱和软黏土的循环荷载试验绝大多数都是在不排水条件下进行的。但对交通荷载而言,软黏土承受经年累月的长期循环荷载作用,实际的排水条件应该是部分排水的。基于此,通过对温州原状饱和软黏土进行不同循环应力比下的不排水和部分排水大周数（50 000次）循环三轴试验,分析了长期循环荷载作用下排水条件对饱和软黏土动力特性的影响。研究结果表明与不排水条件相比,部分排水条件下软黏土试样的动力特性表现出很大的不同。随着循环次数的增加,部分排水条件下的孔压随先增加后降低,存在一个峰值;经过较大的循环次数后,回弹应变逐渐减小,应力-应变滞回圈逐渐缩短,面积也明显减小。为了准确预测交通荷载作用下的长期沉降,采用部分排水条件进行试验是十分必要的。     

循环荷载下考虑主应力旋转的软土力学响应研究

目前用于轨道路堤分析计算的参数多是通过三轴试验获得,而列车荷载经过时土单元应力路径与循环三轴试验加载路径的显著差异可能导致预测失真而引发工程问题。针对某城市轨道进行了三维计算,并分析了移动列车荷载下土单元应力幅值、循环周数、主应力轴旋转的分布规律。在该基础上,采用空心圆柱循环扭剪试验对该复杂应力路径进行了模拟,研究了饱和软黏土的孔压及变形累积特性。结果表明,列车荷载经过时地基土单元大主应力将在(－90°, 90°)内发生旋转;该主应力轴旋转将显著促进软黏土孔压和应变的累积,竖向应力幅值为15 kPa时,循环扭剪试验产生的孔压值比循环三轴试验高77%,累积应变增大了近50%;随着循环应力水平提高,二者累积孔压及累积应变的差值还会进一步增大,甚至出现循环三轴下仅产生较小应变而循环扭剪下已破坏的本质性差异。     

循环加-卸载岩石本构模型研究

循环加-卸载岩石本构模型是预测压气储能洞室长期稳定性的关键,但目前还没有适用的本构模型,因此,提出了一种能够描述岩石循环加载和卸载的本构模型。鉴于岩石在循环作用下损伤不断累积,将基于Weibull分布的岩石损伤软化模型进行拓展,并用内变量疲劳本构模型描述每个循环的初始模量和卸载模量的变化,进而得到循环加-卸载作用下的岩石本构模型,然后将该模型与现有的试验结果进行对比。该模型物理意义明确,涉及的参数较少,且便于拟合。提出的循环加-卸载下岩石本构模型对试验数据拟合效果较好,能较准确地反映循环荷载上、下限值对应的轴向应变,也能反映出循环内部变形模量衰减的趋势。该模型的成功建立为循环加-卸载下岩石本构模型的研究提供了新思路。     

A multisurface kinematic hardening model for the behavior of clays under combined static and undrained cyclic loading

In dynamic geotechnical problems, soils are often subjected to a combination of sustained static and fast cyclic loading. Under such loading conditions, saturated and normally consolidated clays generally experience a build-up of excess pore water pressure along with a degradation of stiffness and strength. If the strength of the soil falls below the static stress demand, a self-driven failure is triggered. In this paper, a constitutive model is presented for the analysis of such problems, based on a general multisurface plasticity framework. The hardening behavior, the initial arrangement of the surfaces, and the nonassociated volumetric flow rule are defined to capture important aspects of cyclic clay behavior. This includes nonlinear hysteretic stress-strain behavior, the effect of anisotropic consolidation, and the generation of excess pore water pressure during undrained cyclic loading along with a degradation of stiffness and strength. The model requires nine independent parameters, which can be derived from standard laboratory tests. A customized experimental program has been performed to validate the model performance. The model predictions show a good agreement with test results from monotonic and cyclic undrained triaxial tests, in particular with respect to the strain-softening response and the number of loading cycles to failure. A procedure for a general stress-space implicit numerical implementation for undrained, total stress-based finite element analyses is presented, including the derivation of the consistent tangent operator. Finally, a simulation of the seismic response of a submarine slope is shown to illustrate a possible application of the presented model.     

考虑循环软化特性的饱和软土弹塑性本构关系研究

将软化指数关系与非等向硬化模量场理论相结合,研究了可描述循环荷载作用下饱和软土软化特性的增量弹塑性模型。该模型借助硬化模量的插值和映射中心的移动,在偏应力空间中构造硬化模量的演化规则;通过在弹塑性模量插值函数中引入初始弹塑性模量软化系数,模拟循环荷载作用下软土的刚度软化特性;通过引入硬化模量调整系数,增强循环加载时应力-应变曲线的滞回特性;再通过引入反映应变累积速率和大小的模型参数,描述循环加载时软土的应变累积特性。利用Idriss提出的指数关系式近似拟合软化系数随应力循环次数的变化关系,并通过引入循环应力参数建立了循环软化系数与静应力水平和循环应力水平的关系。阐述了确定模型参数的方法,并利用模型预测了相关试验结果,通过预测结果与试验结果的对比,验证了该模型描述循环荷载作用下软土软化特性的可行性。     

循环荷载作用下软黏土刚度软化特征试验研究

循环荷载作用下,软黏土将发生软化现象,而以往的研究中大多未考虑初始偏应力的影响。通过对萧山正常固结饱和软黏土进行应力控制的循环三轴试验,研究了循环荷载作用下土体的刚度软化情况。通过分析每一次循环过程中割线剪切模量的变化规律,探讨了循环次数、循环应力水平、初始偏应力对刚度软化的影响。结果表明,随着循环次数的增加,土体刚度逐渐减小;循环应力水平的提高,初始偏应力的施加将加快刚度软化。在试验的基础上推导了反映土体刚度软化规律的经验公式,得到了萧山软黏土的破坏刚度比。     

循环荷载下软黏土不排水强度弱化分析的动力有限元ABAQUS实现

在波浪循环荷载作用下饱和软黏土地基出现孔隙水压力升高,并导致不排水强度弱化,严重影响防波堤的承载性能。考虑静偏应力影响,基于最大孔隙水压力发展模型和正常固结软黏土不排水强度公式,推导出软黏土不排水强度随循环荷载作用次数和应力水平变化的动态折减规律。结合软黏土不排水强度动态折减规律和M-C屈服准则,在有限元软件ABAQUS上实现软黏土不排水强度循环弱化分析的数值开发和动力运算过程。运用该动力有限元方法对天津港防波堤地基软黏土的动、静三轴试验进行数值模拟运算。结果表明,最大孔隙水压力发展曲线以及循环荷载作用后不排水强度的数值预测结果与动三轴试验结果吻合良好。另外,动力有限元方法（DFEM）能够表示土体强度在循环荷载作用下的具体弱化过程。     

海相沉积软黏土的弹塑性本构模型研究

在深入探讨海相沉积原状软黏土压缩、变形等力学特性和详细分析加载屈服面随荷载情况变化的基础上,确认了海相沉积原状软黏土的强度、变形特性与结构屈服应力密切相关。即当固结压力小于结构屈服应力时,其力学特性与超固结重塑土的力学特性类似;当固结压力大于结构屈服应力时,其力学特性与正常固结重塑土的力学特性类似。为描述海相沉积原状软黏土的上述力学特性,将姚仰平等提出的超固结重塑土本构模型引入到海相沉积软黏土弹塑性本构模型的构建中。在本构模型构建过程中,考虑了海相沉积原状软黏土具有的抗拉强度及其演化规律,软黏土强度包线的特点及其进一步修正的表达式,使模型更符合海相原状软黏土的强度、变形特性。最后,将3种不同海相沉积软黏土固结排水剪切试验得到的应力-应变-体变曲线与模型预测结果进行对比。比较结果显示,本文提出的弹塑性本构模型能很好地描述海相沉积原状软黏土的剪缩硬化、剪胀软化以及变形的应力水平依存性等力学特性。