基于Davidenkov骨架曲线模型的修正不规则加卸载准则与等效剪应变算法及其验证

非等幅循环荷载作用下,采用"扩展Masing"法则修正应力–应变滞回曲线时,程序的实现过程中需要预留大量的状态变量。针对该问题,提出了Davidenkov本构模型的不规则加卸载修正准则,以代替"扩展Masing"法则中的"上大圈"准则。通过等效剪应变算法的比选,给出了加卸载判据简单且精度更高的等效剪应变算法。基于ABAQUS软件的显式模块,开发了基于不规则加卸载准则的修正Davidenkov本构模型的显式子程序模块,适用于大规模二维和三维场地非线性地震效应分析。选取Mississippi湾500 m深的钻孔作为计算模型,通过与一维场地非线性地震效应分析专业程序Deepsoil计算得到的输入不同强度地震动下的地表峰值加速度、PGA=0.65g的场地地震反应的对比分析,佐证了提出的Davidenkov本构模型不规则加卸载准则与等效剪应变算法的合理性。     

循环荷载作用下土的非线性应力应变模型

本文在伊万（Iwan）模型的基础上,提出了一个新的物理模型。新模型导出的应力-应变关系,骨架曲线的形状既可为加工硬化状,也可为加工软化状,且骨架曲线与滞回曲线的两个分枝可以相同,也可不同。而梅辛（Masing）型关系只是其中的一种特殊情况。根据该物理模型,对土在循环荷载作用下的剪应力-剪应变关系,提出了一个分析模型,目前常用的双曲线模型只是该分析模型的一个特例。最后还对读物理模型所代表的非线性系统在谐和外力作用下的稳态反应进行了讨论。     

两个典型场地的液化和动力反应分析

本文通过唐山地震时北京通县西集地区的两个典型的液化和非液化场地的动力分析,讨论了液化场地的地震动问题。在分析中用埃万模型表示土在循环荷载下的应力应变关系,并用显式差分方法求解。考虑到孔隙水压力的上升和动力反应之间的相互影响,本文提出用半波法计算非均匀循环荷载引起的孔隙水压力。分析结果与宏观现象符合得较好,因此,对于这两个场址地震效应的异常现象可以作出合理的解释。     

土体动力粘塑性记忆型嵌套面本构模型及其验证

软土在循环荷载作用下,很小剪应变幅值发生时就会使土体产生塑性变形,因此采用粘塑性模型模拟软土在循环荷载作用下的动力特性更合理。本文针对软土在动荷载下的变形特点,采用等向硬化和随动硬化相结合的硬化模量场理论,基于土体的广义塑性理论,建立了一个总应力增量形式的土体粘塑性动力本构模型。该模型通过记忆任一时刻的加载反向面、破坏面和与加载反向面内切的初始加载面来确定屈服面变化规则,模型参数容易确定。在ABAQUS软件平台上实现了该模型的算法,通过土样动三轴试验的结果与模型预测结果的对比分析,验证了该模型的可行性。同时,对南京某含有较厚软土层的典型软弱地基的地震反应进行了分析,分析结果符合软弱地基非线性地震反应的一般规律。因此,该模型为软土非线性地震反应和土-结构非线性动力相互作用分析提供了一个较为实用的土体本构模型。     

考虑土非线性层状场地土地震反应计算方法

比较了计算层状场地地震反应的连续波动法和离散质点振动法的优缺点.以芜湖长江大桥斜拉桥主干塔外场地为例,用两种方法研究考虑土的非线性对场地地震瓜的影响,并在此基础上提出一种考虑场地土非线性地震响应的实用方法.     

土–地下结构相互作用的三维弱耦合有效应力分析法

地震波传播至土–结构接触界面时会发生反射与透射现象,结构周围土体处于往复剪应力和正应力差耦合的三维循环剪切状态。采用三维等效剪应变算法和加卸载判据将一维Davidenkov非线性滞回模型与剪切–体积应变耦合的孔压增量模型拓展至三维应力空间。考虑循环加载过程中土骨架循环刚度退化与超静孔隙水压力增长的耦合关系,建立了三维应力空间中的弱耦合有效应力分析法。基于ABAQUS显式求解器,实现了该有效应力算法,可应用于大型三维可液化场地中的土–地下结构体系非线性地震反应分析。针对已完成可液化场地三层三跨地铁车站结构试验开展数值模拟,结果表明：超静孔隙水压力的累积导致土的性状变化显著影响土–地下结构动力相互作用,数值模拟得到的土–结构接触界面能量聚焦时刻以及该时刻对应的瞬时卓越频率与振动台试验结果均吻合较好,提出的三维弱耦合有效应力法能较为理想地反映振动台试验中土–地下结构动力相互作用特性。土骨架有效应力水平显著影响超孔压比的发展规律,振动台不完备的密度相似比设计会造成模型结构周围地基土与原型的超孔压比分布规律存在差异。     

全局等效线性化土层地震反应分析方法

强非线性下土层地震反应数值模拟方法是国际难题,等效线性化是该类问题最佳求解方式之一。提出了全局等效剪应变的概念和算法,编制了新的等效线性化土层地震反应计算程序。研究表明,以0.65倍最大剪应变为等效剪应变的传统方法不适于土层强非线性应变模拟,采用全局优化,以可参与性和完整性为原则构建全局等效剪应变。可参与性由有效剪应变门槛值确定,以峰值超过门槛值的所有剪应变波共同参与计算来实现剪应变信息的完整性,并采用零交法保证等效剪应变与剪应变时程之间有唯一对应关系。以KiK-net井下台阵46个场地、地表PGA为0.04g~1.21g的1963组实测记录为样本,对该方法和现有其它方法进行了对比检验,结果表明所提出的概念和公式正确合理,可很好地解决模拟强非线性下场地地震放大作用的问题。     

基于R-N非线性疲劳损伤累积模型的砂土震陷计算方法

构造不同加载次序的阶跃荷载进行应变控制循环单剪试验,并基于R-N模型与传统P-M模型进行土体材料损伤计算,对比分析计算值与试验值,验证R-N模型的有效性;基于R-N模型既能考虑荷载幅值和加载次序的特征,根据R-N非线性疲劳累积损伤理论推导并建立砂土震陷计算方法;利用GCTS测试系统对美国Filter净砂展开研究,进行404组剪应变控制动循环单剪试验,考虑荷载幅值、上覆荷载、砂土特性及地震动特性等影响,测定模型参数,并建立模型参数回归模型;同时,进行202组不同特性的真实地震荷载输入剪应变控制动循环单剪试验,测定不同工况下的砂土试样在地震荷载作用下引起的竖向变形;最后,将基于本文方法预测的砂土震陷时程曲线和累积值与试验值对比分析,验证了该方法的正确性。     

场地地震反应的比较研究

用数值分析方法计算分析了场地地震反应。针对几种典型场地，分别采用频域等效线性化波动法（以下简称波动法）和有限元法，分析比较了在6种地震波作用下场地土的地震反应特性、有限元法和波动法间的数值差异、盆地模型和水平分层模型的地表地震反应特性及差异，并用Drucker—Prager模型模拟盆地沉积物介质的非线性。结果显示，有限元法求得的土层表面加速度峰值大于波动法；盆地的松散沉积物对地震波有明显的放大作用，盆地中部区域的最大地震反应与水平分层模型相应结果接近；在El-Centro波作用下，盆地表面的非线性位移反应较线性情形增大明显。     

一维场地地震反应非线性有效应力分析法及其验证

液化所致的土体软化会影响地震运动规律,需进行有效应力分析以确定可液化场地的设计地震动参数。本文提出一种弱耦合形式的场地反应有效应力分析法。此方法将土的非线性滞回模型与剪切–体积应变耦合的孔压增量模型相结合,建立了循环加载过程中循环刚度退化与超静孔隙水压力增长的耦合关系;基于ABAQUS显式求解器开发了相应的材料子程序。该方法被用于模拟日本强震台阵非液化和液化场地的地震反应分析,在不同深度的水平地震动模拟和记录之间显示出很好的一致性:计算与记录的非液化场地井下台阵的地表峰值加速度仅相差2.6%(弱震)和11.8%(中强震);计算与记录的液化场地井下台阵在设置强地震仪深度处的土层峰值加速度的差异均在5%以内,且计算与记录的非液化和液化场地的谱加速度曲线吻合度较好。对比专业软件DEEPSOIL V6.0计算的强震台阵液化场地地震反应的结果,本文方法能更好地模拟高频地震波在多层液化土层中的传播以及液化土层的非线性放大与滤波效应。     

基于能量法的尾矿土动孔压模型研究

通过应力控制式动三轴不排水循环剪切试验,对饱和尾矿土在循环应力比、轴–径向固结应力比等因素下孔隙水压力与累积能量耗散关系进行研究。研究结果表明孔隙水压力增长与塑性应变累积能量耗散和土体黏滞累积能量耗散密切相关。当循环应力比cR介于0.205~0.238、轴–径向固结应力比cK介于1.0~1.3时,孔隙水压力–能量之间存在临界状态。通过非线性回归分析初步建立了循环应力比和轴–径向固结应力比条件下饱和尾矿土的孔隙水压力能量模型,从变化机理上阐述孔隙水压力的变化规律并消除了周次的不确定性对于孔隙水压力模型的影响,对预测循环荷载作用下饱和土的孔隙水压力具有借鉴意义。     

中国尾矿坝地震安全度（10）──用动单剪仪研究大石河尾矿砂的动特性

本文用动单剪仪对大石河三种尾矿砂样的动特性进行了研究。内容包括：动模量比、阻尼比随剪应变的变化规律；液化应力比、动剪应变及动孔压随循环数的变化规律；试样达液化标准后在不排水条件下静剪应力随静剪应变的变化规律。研究成果已用于大石河尾矿坝的震害分析。     

主应力轴旋转对土体性状影响的试验进展研究

对目前国内外主应力轴旋转条件（包括单向旋转和循环旋转）下土体性状研究的室内试验进行系统的分析与总结，得到以下结论：土体在不排水主应力轴旋转条件下产生孔压积累，这在主应力轴循环旋转中特别显著，且通常大于等剪应力幅度的动三轴或扭剪试验产生的孔压，并可建立与某种应变增量的函数关系，此外孔压开展的速率与程度受到土体原生各向异性的影响，但当试样所受剪应力水平较低时，上述影响的程度减弱。而在主应力轴循环旋转过程中，孔压还与主应力轴的转幅或循环次数等因素有关；主应力轴循环旋转并没有导致有效内摩擦角的显著变化。相当一部分试验结果表明，不论主应力轴旋转时的排水条件如何，只要采用归一化的强度标准，土体后续的抗剪强度并不受主应力轴旋转的影响，但也有一些试验表明，排水条件下主应力轴旋转引起原生各向异性轴的同步旋转，导致同一方向旋转前后的定向抗剪强度不尽相同；土体在主应力轴旋转条件下的主应变增量方向往往介于主应力增量和主应力方向之间，而旋转过程对土体后续加载路径中的应力一应变关系是否产生影响主要依赖于主应力轴旋转过程中产生的应变积累水平。此外，还建议可从孔压、强度、应力-应变关系3个角度出发，进行高剪应力水平、高频率主应力轴旋转试验，并深入研究各个应力因素对主应力轴旋转下土性的影响。     

Coupled analysis of bifurcation and shear band in saturated soils

The focus of this study is the analysis of the onset of a shear band in saturated soils under biaxial stress conditions taking into account bifurcation in both pore pressure and soil skeleton. By considering the saturated soil as a two-phase medium, the inhomogeneous displacement and pore pressure fields are assumed to be nonlinear and satisfy the continuity conditions of displacements, displacement gradients and excess pore pressure on the boundaries of the band. It is shown that bifurcation may take place in loose, contractive soils in the form of two-phase diffuse mode or localized mode of soil skeleton deformation. For low permeability saturated soils, the onset of a shear band occurs at peak friction, with the shear band parallel to Coulomb's failure plane. Numerical examples using a simple stress–strain model are given to demonstrate the occurrence of the onset of a shear band and its inclination, as a function of the void ratio and the initial consolidation pressure.     

交通荷载引起主应力轴旋转下软黏土特性试验

为探讨交通荷载引起的主应力轴旋转(即剪应力反转现象)对软黏土动力特性的影响,通过空心圆柱仪(HCA)试验系统,模拟交通荷载作用下土单元的真实应力路径,并对不同轴向偏应力、扭剪应力组合下,软黏土的累积孔隙水压力和累积应变特性进行了试验研究,分析了应力组合模式和幅值对软黏土动力学行为的影响规律。研究表明:施加扭剪应力(模拟主应力轴旋转)会增大软黏土的累积应变和累积孔压,且对孔压的增大影响比对应变更加显著;扭剪应力越大,这种增大效应显著加快,此时在研究交通荷载下软黏土长期变形时,需进行考虑主应力轴旋转的动力试验。     

不同幅值和频率的交通荷载下黏土变形特性研究

采用GDS空心圆柱扭剪仪对南京河西地区软黏土施加不同循环动应力比(CSR)和不同频率的模拟交通荷载,分析研究土体在交通荷载下的动力特征。试验结果表明:应变曲线随CSR的变化可分为稳定型、临界型和破坏型;在不同频率下,可用频率折减系数对广义剪应变开展进行预测;在较低的CSR(小于0.23)下土体逐渐达到准二次平衡状态,孔压趋于稳定;在较高的CSR下,土体由于结构改变无法达到准二次平衡状态,孔压逐渐上升;不同频率下的孔压变化是由塑性体积应变开展程度和单位时间内塑性体积应变累计“次数”共同作用的;土体的割线弹性(剪切)模量E_d(G_d)与循环正(剪)应变幅值ε_m(γ_m)的关系可以用Hardin-Drnevich模型来描述,发现1/E_d~ε_m或1/G_d~γ_m的斜率与CSR成负线性相关,而频率对土体割线模量几乎没有影响;通过计算土体的总体等效阻尼比,发现土体破坏时其值约为0.018,且该值大小随频率变化影响不大,同时相比于CSR,荷载频率对总体等效阻尼比影响较小。     

循环荷载下老黏土的动力特性试验研究

本文利用GDS动态循环三轴仪施加竖向循环荷载对武汉地区具有代表性的老黏土进行试验研究,主要分析了老黏土在模拟地铁振动荷载作用下的动力特性。通过对孔隙水压力变化和残余应变发展曲线的分析,探讨了下不同固结比、动应力比、卸荷比等因素对老黏土动力特性的影响,并综合各因素总结出老黏土的动力响应规律;通过与软粘土和淤泥质土的已有研究成果进行对比分析与讨论,提出了合适老黏土的孔隙水压力发展模型及残余应变经验公式。本文的研究对地下工程设计中认识老黏土的物理力学特性等具有一定意义。     

Ko固结饱和土沉桩引起的超静孔隙水压力

根据饱和粘土中沉桩特点,用柱孔扩张理论模拟其贯入过程,将扩张后周围土体分为塑性区和弹性区,由柱孔扩张基本平衡方程和边界条件,采用能够考虑天然状态土体实际固结性状的K_o固结土体本构模型的屈服面方程为屈服准则,以对数应变考虑桩周土体发生的大变形,结合Henkel孔压公式,推导出沉桩后桩周超静孔隙水压力的理论表达式。通过算例分析了土体剪切模量、临界状态应力比、超固结比和静止侧压力系数对超静孔隙水压力的影响。同时,与基于修正剑桥模型解答和工程实例进行对比分析,理论计算值和现场实测值吻合较好,表明理论结果的合理性与实用性。     

双向耦合循环剪切条件下饱和砂土体应变发展规律试验研究

砂土的剪胀与循环应力路径密切相关。针对饱和南京细砂,利用空心圆柱扭剪仪(HCA)进行了一系列均等固结条件下轴向–扭转耦合循环剪切排水试验,研究了复杂应力路径下饱和砂土的剪胀性及其体应变量化方法。研究表明:双向耦合循环剪切条件下饱和砂土的剪胀由一个完全可逆的循环体应变分量和一个不可逆的累积体应变分量构成,循环应力路径对累积体应变发展规律影响显著;以等效循环应力比ESR作为表征复杂应力路径下动应力大小的指标,饱和砂土累积体应变与ESR值具有事实上的唯一性关系,累积体应变随ESR的增加而线性累积;通过引入参数ESR,提出了双向耦合剪切条件下饱和砂土累积体应变规准化方法。验证性试验表明新的体应变增量模型的预测值与试验结果的吻合度较高,而基于循环直剪试验结果建立的Byrne模型对双向耦合剪切条件下饱和南京细砂的体应变预测偏小。     

主应力方向循环变化对饱和松砂不排水动力特性的影响

利用新研制的土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪进行了主应力轴循环变化的多种模式竖向和扭转双向耦合循环剪切及普通循环扭剪试验。针对福建标准砂, 在均等固结条件下着重研究了振动过程中主应力方向的不同变化模式对饱和松砂不排水循环特性的影响。试验研究结果表明: 振动过程中主应力方向的变化方式对饱和砂土不排水动强度具有显著的影响, 在所采用的五种类型循环剪切应力路径中, 主应力方向连续旋转条件下的动强度最低。进一步的研究发现: 对于初始均等固结条件,分别采用初始平均有效固结压力和循环破坏次数归一化的循环孔隙水压力比与循环次数比之间的关系与振动过程中主应力方向变化方式无关, 这种归一化循环孔隙水压力比随广义剪应变的变化规律及累积广义剪应变与循环次数比之间关系均与振动过程中主应力方向变化方式无关。