非共軸本構(gòu)模型的數(shù)值應(yīng)用及離心機試驗研究.pdf

1、在許多實際巖土工程問題中，例如基坑開挖、淺基礎(chǔ)地基承載力與變形特性、地震或波浪荷載對海床的作用等，主應(yīng)力方向的旋轉(zhuǎn)所引起的初始主應(yīng)力狀態(tài)的改變是不容忽視的。在主應(yīng)力方向的旋轉(zhuǎn)過程中，主應(yīng)力方向與塑性主應(yīng)變增量方向的旋轉(zhuǎn)變化趨勢不是一致的，即存在著非共軸現(xiàn)象。對于非共軸現(xiàn)象的描述及分析是當(dāng)前土力學(xué)研究中的熱點問題之一。采用合理的本構(gòu)模型對非共軸現(xiàn)象及其影響進(jìn)行研究，通過離心機試驗結(jié)果對非共軸模型的數(shù)值計算結(jié)果的合理性進(jìn)行驗證，能夠完善傳統(tǒng)

2、的巖土材料彈塑性本構(gòu)模型，也能夠為重大工程結(jié)構(gòu)和地基設(shè)計提供依據(jù)，具有重要的理論價值和實際工程意義。
　　本文圍繞著非共軸現(xiàn)象及其對應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，通過砂土單剪試驗的數(shù)值模擬研究了非共軸現(xiàn)象及其影響因素，針對淺基礎(chǔ)地基承載力與變形特性進(jìn)行數(shù)值計算分析和離心機模型試驗研究，通過離心機試驗結(jié)果對非共軸模型計算結(jié)果的合理性進(jìn)行了驗證。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　1.將角點結(jié)構(gòu)非共軸理論應(yīng)用到傳統(tǒng)彈塑性共軸本

3、構(gòu)模型中，建立了一種非共軸本構(gòu)模型。對砂土單剪試驗進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，研究了非共軸現(xiàn)象及其對應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響。研究結(jié)果表明:非共軸模型得到的主應(yīng)力方向和塑性主應(yīng)變增量方向在剪切變形的初期是不重合的，隨著剪切變形的深入發(fā)展，兩者逐漸趨于一致。非共軸現(xiàn)象對應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系具有“軟化”作用，即非共軸模型計算得到的剪應(yīng)力比的增長速度滯后于共軸模型計算結(jié)果的增長速度。與理想彈塑性情況下的計算結(jié)果相比，非共軸現(xiàn)象對應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響在應(yīng)變硬化情

4、況下更加明顯。當(dāng)采用應(yīng)力峰值作為密砂的抗剪強度時，需要考慮非共軸模型與共軸模型計算結(jié)果之間的差異;當(dāng)采用臨界狀態(tài)的殘余強度作為抗剪強度時，非共軸模型與共軸模型計算結(jié)果之間沒有差異。靜止側(cè)壓力系數(shù)、豎向應(yīng)力和流動法則等因素對非共軸現(xiàn)象具有顯著的影響。
　　2.在理想彈塑性、應(yīng)變硬化和應(yīng)變軟化情況下，采用共軸和非共軸模型對淺基礎(chǔ)地基荷載-變形問題進(jìn)行數(shù)值分析，研究了非共軸現(xiàn)象對地基荷載-位移關(guān)系的影響。研究結(jié)果表明:非共軸現(xiàn)象對地基荷

5、載-位移曲線具有“軟化”作用，即非共軸模型得到的地基荷載的增長速度要滯后于共軸模型計算結(jié)果的增長速度。隨著淺基礎(chǔ)下方土體單元水平位置的增加，主應(yīng)力方向的旋轉(zhuǎn)越來越顯著，非共軸現(xiàn)象也越來越明顯。非共軸現(xiàn)象在淺基礎(chǔ)邊緣下方深度較淺處比較明顯。與理想彈塑性情況下的計算結(jié)果相對比，非共軸現(xiàn)象對地基荷載-位移關(guān)系的影響在應(yīng)變硬化和應(yīng)變軟化情況下更加明顯，在應(yīng)變硬化和軟化模型的基礎(chǔ)上考慮非共軸現(xiàn)象的影響具有實際意義。研究非共軸現(xiàn)象對數(shù)值計算結(jié)果的影

6、響時，需要考慮基礎(chǔ)形式、基礎(chǔ)埋深和偏心距的變化。
　　3.對淺基礎(chǔ)地基承載力與變形特性進(jìn)行了離心機模型試驗研究，分析了地基荷載-沉降關(guān)系的特點、地基承載力系數(shù)Nr與基礎(chǔ)寬度的關(guān)系、以及基礎(chǔ)尺寸效應(yīng)。研究結(jié)果表明:對于中密砂地基而言，試驗所得到的地基豎向荷載-位移關(guān)系曲線沒有顯著的拐點或曲線斜率突變階段;隨著豎向位移的增加，豎向荷載-位移曲線的初始斜率隨著基礎(chǔ)寬度的增加而增加;將確定地基承載力特征值fak時所采用的V/D提高到0.0

7、15～0.05時，試驗結(jié)果與理論公式的結(jié)果比較接近;基礎(chǔ)尺寸效應(yīng)在基礎(chǔ)沉降較大時比較明顯，試驗所得到的Nr與理論公式結(jié)果比較接近;當(dāng)基礎(chǔ)沉降較小時，基礎(chǔ)尺寸效應(yīng)不明顯，試驗所得到的Nr低于理論公式結(jié)果。對于密砂地基而言，離心機試驗得到的豎向荷載-位移關(guān)系曲線具有明顯的拐點;地基承載力隨著基礎(chǔ)寬度的增加而增加;地基承載力隨著基礎(chǔ)埋深的增加而增加，該結(jié)論在基礎(chǔ)寬度較小時比較明顯;達(dá)到地基承載力時的基礎(chǔ)沉降δ對于Nq的影響不明顯，δ對Nr的影

8、響比較明顯，考慮δ時的Nr低于不考慮δ時的Nr;基礎(chǔ)形式的變化對Nr的影響比較明顯，其對Nq的影響不明顯。與方形淺基礎(chǔ)的試驗結(jié)果相比，圓形淺基礎(chǔ)試驗結(jié)果中的基礎(chǔ)尺寸效應(yīng)更加明顯。
　　4.對淺基礎(chǔ)離心機試驗進(jìn)行數(shù)值模擬，將數(shù)值計算結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析。從地基荷載-位移關(guān)系和地基承載力兩個方面，驗證了非共軸模型計算結(jié)果的合理性。研究結(jié)果表明:當(dāng)基礎(chǔ)沉降較小時，數(shù)值計算得到的豎向荷載-位移關(guān)系曲線的斜率大于離心機試驗結(jié)果的斜率，