考虑循环和再固结效应的软黏土动力特性试验及边界面模型研究

来源 :天津大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:simon_186
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中国沿海地区普遍分布着含水率高、孔隙比大且强度较低的软土地基,当其作为结构物地基时,往往会受到长期循环荷载的作用。风浪等循环荷载作用下软黏土地基的稳定性是工程中亟待解决的重要课题之一。在以往针对软黏土循环荷载作用后强度变化的研究中,大多只考虑土体不排水的试验条件。虽然部分学者也对循环后完全排水再固结这种情况开展了少量研究,但实际工程中的土体在循环荷载作用后往往会处于完全排水或完全不排水之间,因此循环后不固结和完全再固结的剪切试验常无法反映真实地基土体的循环后剪切特性。此外真实的海洋黏土地基在结构物服役期间所受到的风浪荷载和排水再固结效应常为不断地往复交替作用,但未有学者针对软黏土在多次循环—再固结效应影响下的剪切特性进行研究。另外,现有的强度退化边界面模型大多是通过在硬化准则中引入偏应变长度实现的,虽然能较好预测土体循环破坏,但对循环稳定时的强度弱化效应并不能合理评估,且对土体多次循环—再固结后的剪切强度也无法有效预测。针对以上问题,本文通过对烟台港淤泥质粉质黏土开展了大量的静、动三轴试验,研究了复杂加载条件下,不同再固结度以及多次循环—再固结效应对土体循环动力特性和不排水剪切特性的影响。并以传统无弹性核边界面模型为基础,建立了能够合理评估软黏土强度弱化特性和多次循环—再固结后剪切强度的边界面模型,并将该修正模型在ABAQUS中进行二次开发,使其能够在有限元数值分析中进行应用。本文主要研究内容和结论如下:(1)针对重塑淤泥质粉质黏土,开展了不同围压和动应力下的动三轴试验,证明了对于淤泥质粉质黏土存在临界动应力比。当动应力分别高于和低于临界值时,土体分别会达到循环破坏和循环稳定。探究了动应力高于和低于临界动应力比时,土体的累积塑性应变、累积循环孔压、动弹性模量以及循环动应变的变化规律,并基于试验结果建立了能够考虑临界动应力比效应的淤泥质粉质黏土的动强度模型。(2)通过设定软黏土在循环荷载作用后再固结过程中的反压,使土体在循环加载后产生不同再固结度,从而据此对不同循环再固结度下的淤泥质粉质黏土的剪切特性进行试验研究。开展了包括循环后无再固结过程、循环后完全再固结以及循环后不同再固结度三类试验来探究土体剪切特性的变化规律,并考虑了包括围压、动应力比、围压、固结静偏应力以及再固结度等因素的影响。并基于Yasuhara等效超固结模型,建立了能考虑不同再固结度影响的剪切强度预测模型。模型预测结果与试验结果较为吻合,验证了模型的正确性。(3)针对重塑淤泥质粉质黏土开展了多次循环—再固结后剪切的动三轴试验研究,并考虑了围压,动应力比,循环再固结次数,循环后再固结度等不同因素的影响。探究了在多次循环—再固结效应的影响下,软黏土的累积塑性应变、循环累积孔压、动弹性模量以及循环动应变等动力特性,以及应力路径、应力应变关系和剪切强度等不排水剪切特性的变化规律。发现当软黏土受到的循环—再固结超过一定次数之后,其动弹性模量、循环累积应变及剪切强度等指标皆会趋于稳定,不再持续增长。(4)本文以无弹性核边界面模型为基础,通过引入循环记忆参数,建立了能够考虑土体循环荷载作用后强度弱化的边界面模型。该模型能够考虑在循环过程中边界面的内缩,从而使模型能够对土体循环后剪切强度的弱化能够合理预测。此外,通过在模型的硬化准则中引入反映应力点空间位置参数,进一步建立了能合理考虑多次循环—再固结效应对土体强度影响的边界面模型。通过将模型预测结果和试验结果进行对比,验证了模型的正确性和有效性。(5)利用ABAQUS的自定义子程序Umat接口,采用完全隐式的径向返回算法,将本文提出的修正边界面模型进行数值实施,使之能够应用在有限元动力分析中,为土与结构相互作用的动力有限元分析奠定数值基础。并利用该模型对Das和Shin开展的室内条形基础物理模型试验进行有限元数值模拟,验证了模型的正确性和在ABAQUS中二次开发的有效性。
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