非飽和黃土動(dòng) 力本構(gòu)模型及其在地鐵車站地震反應(yīng)分析中的應(yīng)用.pdf

1、地鐵是解決城市交通堵塞和環(huán)境污染的最有效方法之一,被許多大型城市所采用。一般認(rèn)為,地鐵作為地下結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能,但阪神地震表明,地鐵在地震作用下也會(huì)發(fā)生嚴(yán)重破壞,而且災(zāi)后修復(fù)困難代價(jià)高昂。地鐵車站是地鐵運(yùn)營中的樞紐,設(shè)備和人員集中,一旦破壞,后果十分嚴(yán)重。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,國內(nèi)地鐵建設(shè)數(shù)量的增多,對(duì)地鐵車站進(jìn)行地震反應(yīng)研究不僅必要而且緊迫。鑒于以往的研究主要集中在飽和土地區(qū),而非飽和土地區(qū)研究較少。本文以非飽和黃土為研究對(duì)象,在靜力

2、三軸試驗(yàn)和動(dòng)力三軸試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,對(duì)其非飽和性和結(jié)構(gòu)性進(jìn)行了研究并建立了相應(yīng)的動(dòng)力本構(gòu)模型,利用所建立的模型對(duì)非飽和黃土地區(qū)的場(chǎng)地和地鐵車站進(jìn)行了有限元一無限元耦合地震反應(yīng)分析,取得了以下主要成果:
　　 1、通過靜力三軸試驗(yàn),分別研究了四種含水率的重塑非飽和黃土和原狀非飽和黃土在三種圍壓下的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律,分析了含水率和圍壓對(duì)土體的變形及強(qiáng)度的影響；通過動(dòng)力三軸試驗(yàn),研究了三種含水率非飽和黃土的動(dòng)力變形規(guī)律,分別研究了含水率和圍壓

3、對(duì)非飽和土的變形模量及阻尼比的影響,并分析了其產(chǎn)生的原因。通過重塑非飽和黃土和原狀非飽和黃土的應(yīng)力應(yīng)變曲線對(duì)比,提出了結(jié)構(gòu)應(yīng)力分擔(dān)比的概念,并研究了含水率和圍壓對(duì)其變化規(guī)律的影響,試驗(yàn)表明該參數(shù)可以合理有效的反映非飽和土的結(jié)構(gòu)性。
　　 2、基于邊界面彈塑性模型理論,引入含水率,建立了重塑非飽和黃土的動(dòng)力本構(gòu)模型,詳細(xì)分析了本構(gòu)模型中的各個(gè)參數(shù)及其確定方法；基于二元介質(zhì)本構(gòu)理論,在重塑非飽和黃土動(dòng)力本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上,引入結(jié)構(gòu)應(yīng)力

4、分擔(dān)比,建立了原狀非飽和黃土的動(dòng)力本構(gòu)模型,并給出了結(jié)構(gòu)應(yīng)力分擔(dān)比定量表達(dá)式及其確定的方法。所建模型具有參數(shù)易于確定便于工程應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn),模型以含水率作為參數(shù)反映土體的非飽和性,避免了基質(zhì)吸力難以確定的問題；以結(jié)構(gòu)應(yīng)力分擔(dān)比作為參數(shù)反映土體的結(jié)構(gòu)性,克服了從微觀角度研究結(jié)構(gòu)性及其成果難以應(yīng)用的缺點(diǎn)。
　　 3、給出了本構(gòu)模型程序?qū)崿F(xiàn)的思路和步驟,推導(dǎo)了相關(guān)的公式,并用FORTRAN語言開發(fā)編寫了所建動(dòng)力本構(gòu)模型的子程序；利用有限元

5、軟件ABAQUS對(duì)靜力和動(dòng)力試驗(yàn)進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明,所建立的本構(gòu)模型能較為準(zhǔn)確的反映重塑非飽和黃土和原狀非飽和黃土的力學(xué)特性,所開發(fā)的子程序具有較好的穩(wěn)定性和較高的精度。
　　 4、利用本文建立的非飽和黃土動(dòng)力本構(gòu)模型,建立了有限元一無限元耦合模型,對(duì)非飽和黃土自由場(chǎng)地進(jìn)行了地震反應(yīng)分析,分析了在水平地震作用下上覆土層厚度、含水率、結(jié)構(gòu)性對(duì)地震反應(yīng)的影響,分析比較了單向地震反應(yīng)和雙向地震反應(yīng)的不同；對(duì)非飽和黃土地區(qū)擬建的地鐵車