飽和黏土循環(huán)剪切特性與軟化變形的研究.pdf

1、本文針對飽和黏土試樣，利用土工靜力—動力液壓—三軸扭轉(zhuǎn)多功能剪切儀等土工試驗(yàn)設(shè)備，對UU試驗(yàn)條件下黏土的單調(diào)剪切試驗(yàn)特性、動剪切模量與阻尼比等動力特性與循環(huán)軟化變形特性進(jìn)行了較為深入而系統(tǒng)地對比分析與研究。在大量的單調(diào)與循環(huán)剪切試驗(yàn)基礎(chǔ)上，建議了能夠考慮應(yīng)變速率效應(yīng)的雙曲線靜力本構(gòu)模型以及考慮靜應(yīng)力與循環(huán)應(yīng)力聯(lián)合作用的循環(huán)軟化總變形擬靜力計算模型，并在大型有限元軟件ADINA平臺上對建議的模型進(jìn)行了數(shù)值實(shí)施與二次開發(fā)，考慮吸力式沉箱基礎(chǔ)

2、單調(diào)加載階段地基變形速率的影響，對沉箱地基的豎向與水平向單調(diào)承載力以及循環(huán)軟化變形進(jìn)行了數(shù)值分析。主要研究內(nèi)容及所取得的研究成果包括如下幾個方面： (1)飽和黏土制樣技術(shù)的改進(jìn)。通常獲取原狀土樣花費(fèi)較大，而且原狀土樣的飽和程度往往較低，土工試驗(yàn)時需要對試樣進(jìn)行真空處理使其飽和，經(jīng)過如此處理的試樣很難反映實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)，而對于實(shí)際的非飽和土樣目前無論在實(shí)驗(yàn)技術(shù)還是計算理論方面尚處于探索階段。因此，采用實(shí)驗(yàn)室土樣制備技術(shù)制備黏土試樣，

3、對制備的土樣進(jìn)行試驗(yàn)研究，是目前探索飽和土的變形與強(qiáng)度特性一種途徑。通過對比泥漿加壓固結(jié)制樣法和真空預(yù)壓制樣法存在的優(yōu)缺點(diǎn)，在吸取兩種制樣方法優(yōu)點(diǎn)及其使用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對飽和黏土的制樣設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)黏土制樣方法具有操作簡便、制樣時間短等優(yōu)點(diǎn)，所制備試樣具有成份均一、飽和程度高，且易于切削制備圓柱或空心圓柱試樣等特點(diǎn)。 (2)飽和黏土的單調(diào)剪切特性與非線性靜力本構(gòu)模型。在CU和UU條件下進(jìn)行了單調(diào)三軸和單調(diào)扭剪試驗(yàn)，通過對試

4、驗(yàn)結(jié)果的綜合比較分析，著重探討了應(yīng)變速率和約束壓力對黏土應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系特性、強(qiáng)度特性與孔隙水壓力發(fā)展特性的影響。結(jié)果表明，當(dāng)應(yīng)變速率較低時，應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系一般經(jīng)歷彈性、屈服、應(yīng)變強(qiáng)化等階段，而當(dāng)應(yīng)變速率較高時，應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系在經(jīng)歷彈性、屈服、應(yīng)變強(qiáng)化達(dá)到峰值之后，在較高應(yīng)變條件下還會發(fā)生應(yīng)變軟化，當(dāng)應(yīng)變超過一定值之后，隨著應(yīng)變增加，不同應(yīng)變速率下的偏應(yīng)力差別減??；約束壓力對應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系模式的影響較小，但在CU試驗(yàn)中，屈服極限和強(qiáng)度隨約

5、束壓力的增加而增大，而在UU試驗(yàn)中，應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系與強(qiáng)度不依賴于約束壓力；不排水強(qiáng)度隨應(yīng)變速率的增加而增大，通過采用參考應(yīng)變速率及其相應(yīng)的不排水強(qiáng)度進(jìn)行歸一化處理，在雙對數(shù)坐標(biāo)下，不排水強(qiáng)度與應(yīng)變速率之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系近似地符合線性關(guān)系?？紤]不固結(jié)不排水條件和應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系的應(yīng)變速率效應(yīng)，建議了飽和黏土的非線性本構(gòu)模型，在達(dá)到破壞時的偏應(yīng)力q<,f>之前，應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系基本上符合雙曲線模式，而在超過q<,f>之后的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系按理想塑性處

6、理，所建議的模型含有4個待定常數(shù)，由UU三軸試驗(yàn)確定。 (3)循環(huán)剪切變形特性與應(yīng)變破壞標(biāo)準(zhǔn)。通過單向與雙向耦合循環(huán)剪切試驗(yàn)對飽和黏土的不排水剪切變形特性與應(yīng)變破壞標(biāo)準(zhǔn)及其孔隙水壓力發(fā)展特性進(jìn)行了研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：初始剪應(yīng)力對于黏土的循環(huán)應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系模式具有顯著的影響，當(dāng)初始剪應(yīng)力較小或循環(huán)應(yīng)力分量較大時，試樣的變形以循環(huán)效應(yīng)為主，而當(dāng)初始剪應(yīng)力較大或循環(huán)應(yīng)力分量較小時，此時試樣的變形呈現(xiàn)出明顯的累積效應(yīng)特征；在循環(huán)扭剪試驗(yàn)

7、中，盡管沒有施加任何軸向應(yīng)力，但由于試樣的循環(huán)扭動而產(chǎn)生軸向應(yīng)變，并隨循環(huán)應(yīng)力增大，軸向偏差應(yīng)變增長速率加大；在豎向—扭轉(zhuǎn)耦合剪切試驗(yàn)中，盡管在耦合雙向都施加對稱的循環(huán)應(yīng)力，但剪切向應(yīng)變分量的循環(huán)效應(yīng)比較明顯，而軸向應(yīng)變的累積效應(yīng)比較顯著，這與普通循環(huán)三軸或扭剪試驗(yàn)的結(jié)果不同。在單向循環(huán)剪切試驗(yàn)中，黏土試樣的單向總應(yīng)變同時包含不斷累積的殘余應(yīng)變和循環(huán)應(yīng)變兩部分，通過對各種循環(huán)應(yīng)力路徑模式下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較分析，建議了一個能夠綜合考慮軸向應(yīng)

8、變和剪切向應(yīng)變，同時反映殘余應(yīng)變與循環(huán)應(yīng)變特征的綜合應(yīng)變算式，該算式與單向總應(yīng)變的表達(dá)式是一致的，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明這個綜合應(yīng)變具有普遍適用性和較好的穩(wěn)定性。在不固結(jié)不排水條件下，無論對于循環(huán)扭剪試驗(yàn)還是豎向—扭轉(zhuǎn)耦合試驗(yàn)，孔隙水壓力總是在所施加的約束壓力大小附近波動，而且隨循環(huán)應(yīng)力的增加孔隙水壓力的波動范圍有所加大，但并不具有固結(jié)不排水試驗(yàn)中孔隙水壓力累積上升的特征。 (4)大應(yīng)變(>10<'-3>)條件下動剪切模量與阻尼比等動力特

9、性。單級與分級加載循環(huán)剪切試驗(yàn)表明：采用多個試樣單級加載與采用一個試樣分級加載所得的應(yīng)力—應(yīng)變滯回圈、初始骨干曲線、動剪切模量與阻尼比都較為一致，采用分級加載試驗(yàn)測定動剪切模量與阻尼比等動力特性是可行的；初始剪應(yīng)力對分級加載的應(yīng)力—應(yīng)變滯回圈的發(fā)展模式和動剪切模量與阻尼比都有較為顯著的影響，初始剪應(yīng)力對動剪切模量與阻尼比的影響主要體現(xiàn)在動力參數(shù)的逐次變化過程上；對于某一給定的剪應(yīng)變幅值，耦合循環(huán)應(yīng)力中的軸向偏差應(yīng)力對動剪切模量具有增大作

10、用，動剪切模量發(fā)展與軸向偏差應(yīng)力的大小關(guān)系密切，尤其是在扭轉(zhuǎn)向循環(huán)剪應(yīng)力較小的情況下，軸向偏差應(yīng)力越大，動剪切模量的增大越顯著，而當(dāng)扭轉(zhuǎn)向循環(huán)剪應(yīng)力較大時，軸向偏差循環(huán)應(yīng)力對動剪切模量的增大效用降低。 (5)循環(huán)剪切強(qiáng)度特性及其簡便確定方法。循環(huán)剪切強(qiáng)度與循環(huán)次數(shù)、初始剪應(yīng)力之間關(guān)系曲線的確定，對于海洋平臺設(shè)計與穩(wěn)定性分析具有重要意義。循環(huán)剪切試驗(yàn)表明，對于給定的初始剪應(yīng)力，循環(huán)剪切強(qiáng)度的大小是由循環(huán)軟化效應(yīng)和應(yīng)變速率效應(yīng)共同作

11、用的結(jié)果。結(jié)合單調(diào)強(qiáng)度與應(yīng)變速率之間的對應(yīng)關(guān)系，提出了近似消除速率效應(yīng)的循環(huán)強(qiáng)度歸一化方法，通過歸一化表明，不同破壞次數(shù)的循環(huán)強(qiáng)度與初始剪應(yīng)力之間關(guān)系的數(shù)據(jù)點(diǎn)落在一個相當(dāng)狹窄的區(qū)域內(nèi)，初始剪應(yīng)力與歸一化循環(huán)剪切強(qiáng)度之間關(guān)系可用一個二次方程擬合表示。以此為基礎(chǔ)，對循環(huán)強(qiáng)度簡便確定方法進(jìn)行了初步探討，通過少量單調(diào)與循環(huán)剪切試驗(yàn)對待定參數(shù)確定之后，就可以估算不同循環(huán)次數(shù)的循環(huán)剪切強(qiáng)度，對于解決海洋地基穩(wěn)定性分析中的試驗(yàn)工作量巨大等問題具有一定

12、意義。 (6)循環(huán)蠕變特性與循環(huán)軟化總變形計算模型。對循環(huán)剪切試驗(yàn)結(jié)果的分析表明：循環(huán)軟化總應(yīng)變由初始靜應(yīng)力引起的應(yīng)變和循環(huán)蠕變兩部分組成。其中，循環(huán)蠕變主要受循環(huán)應(yīng)力幅值、初始靜應(yīng)力大小及其加載速率的影響。根據(jù)循環(huán)蠕變隨循環(huán)次數(shù)的變化特點(diǎn)，將循環(huán)次數(shù)與時間等效，仿照Singh-Mitchell蠕變模型參數(shù)確定方法，建議了循環(huán)蠕變的經(jīng)驗(yàn)計算模式。進(jìn)而對循環(huán)軟化總應(yīng)變的兩個組成部分，即初始靜應(yīng)變與循環(huán)蠕變，分別結(jié)合非線性彈性理論與

13、屈服面流變理論，建立了循環(huán)軟化總變形計算模型?？紤]到不排水條件，所建議計算模型僅含有7個試驗(yàn)參數(shù)，由單調(diào)與循環(huán)剪切試驗(yàn)可以確定。盡管該模型屬于擬靜力模型的范疇，但是模型不僅能夠區(qū)分施加荷載的性質(zhì)(單調(diào)荷載或循環(huán)荷載)，而且能夠分別計算單調(diào)加載與循環(huán)加載兩個加載過程所產(chǎn)生的變形，并且考慮了單調(diào)荷載及其加載速率對總變形的影響。 (7)循環(huán)軟化總變形計算模型的有限元實(shí)施。循環(huán)軟化總應(yīng)變計算模型是基于單調(diào)與循環(huán)剪切試驗(yàn)建立的擬靜力模型，

14、較為準(zhǔn)確地反映了靜應(yīng)力與循環(huán)應(yīng)力共同作用所產(chǎn)生的循環(huán)蠕變等循環(huán)剪切特性。盡管大型有限元軟件ADINA不僅具有強(qiáng)大的求解非線性問題的功能，而且具有優(yōu)秀的前、后處理界面，但不具有反映這種循環(huán)特性的本構(gòu)模型，需要對其進(jìn)行二次開發(fā)。為此，論文對非線性彈性材料模型與循環(huán)蠕變材料模型的二次開發(fā)進(jìn)行了探索，進(jìn)而對循環(huán)軟化總應(yīng)變計算模型在大型有限元軟件ADINA平臺上進(jìn)行了數(shù)值實(shí)施，并詳細(xì)敘述了模型的二次開發(fā)過程及其計算方法與步驟。 (8)吸力

15、式沉箱地基的單調(diào)承載力與循環(huán)軟化總變形的有限元數(shù)值分析?？紤]單調(diào)加載階段吸力式沉箱地基變形速率的影響，對沉箱地基的單調(diào)承載力與循環(huán)軟化總變形進(jìn)行了數(shù)值分析。計算結(jié)果表明：對于單個沉箱基礎(chǔ)，黏土地基的豎向與水平向單調(diào)承載力隨著地基變形速率的增加而增大；對于給定的單調(diào)荷載與循環(huán)荷載組合，豎向與水平向循環(huán)軟化總變形隨循環(huán)次數(shù)的增加而增長，循環(huán)軟化總變形的逐次增長速率逐漸減小。在豎向單調(diào)與豎向循環(huán)荷載聯(lián)合作用下，基礎(chǔ)附近泥面處土體由于基礎(chǔ)的下沉