考虑剪切和压缩损伤的多面模型

基于土结构损伤和多面模型的基本理论,将弹塑性混合应变硬化与各向同性剪切损伤和压缩损伤结合起来,推导循环荷载作用下饱和软黏土不排水弹塑性本构模型。采用剪切损伤和压缩损伤两个变量分别描述土的结构损伤,并基于累积塑性偏应变建立损伤演化方程。分析结果表明,分别考虑土的剪切损伤和压缩损伤可描述饱和软黏土在不排水动荷载作用下泊松比的变化过程。通过对饱和软黏土地基的地震响应的模拟来检验模型的有效性。研究结果表明,考虑模量损伤可引起加载和卸载过程中塑性模量的差异,使得卸载塑性模量大于加载塑性模量,从而导致加载塑性应变响应大于卸载塑性应变响应,由此产生塑性偏变形的累积。     

软黏土不排水循环应力应变响应的弹塑性模拟

为描述循环荷载作用下饱和软黏土不排水应力应变特性,以Mises屈服准则构建边界约束面方程,利用硬化模量插值方法及映射中心移动方法,在偏应力空间中构建硬化模量场,建立了一个总应力形式的增量弹塑性边界面模型。该模型依据径向映射法则建立弹塑性模量插值函数,并认为加卸载过程中映射中心随加卸载路径变化而不断移动,通过弹塑性模量的插值及映射中心的移动,使得硬化模量场的演化规律表述简单,跟踪循环应力路径所需记忆的参数较少。另外,模型通过在弹塑性模量插值函数中引入反映剪应变累积速率和大小的参数控制累积剪应变随循环次数的变化规律,不仅可描述循环加载时应力应变曲线的非线性、滞回性、应变累积性等基本特性,还可预测不同初始应力水平、循环应力水平下土单元的应力应变响应。最后阐述了利用循环三轴压缩试验确定模型参数的方法,并对循环三轴拉伸试验结果进行了预测,通过预测结果与试验结果的对比,验证了所建模型的合理性。     

长期循环荷载下饱和软黏土安定性模型

鉴于传统显式、隐式模型计算饱和软黏土长期循环荷载下轴向塑性累积应变的不足,在建立饱和软黏土总应力弹塑性模型基础上,考虑软黏土在长期小动应力比循环荷载作用下具有安定性特点,结合过应力模型及安定性理论提出计算饱和软黏土长期循环荷载下轴向塑性累积应变安定性本构模型.安定性模型能合理描述饱和软黏土循环荷载下的变形特性,模型只考...     

循环荷载下饱和软黏土的累积变形显式模型

显式模型是计算交通等长期动荷载引起地基沉降的实用方法。在考虑影响饱和软黏土循环荷载下轴向循环塑性累积应变的应力历史、动偏应力水平及第一次轴向循环塑性累积应变与围压归一化基础上提出了计算饱和软黏土轴向循环塑性累积应变显式模型。模型同时反映了等向、偏压固结不排水循环加载轴向循环塑性累积应变发展规律,并很好地反映了围压的影响,其主要参数有明确的物理意义且易于确定。通过上海地区第④层饱和软黏土一系列静力三轴、循环加载试验验证了模型的合理性,得到了模型相关参数。     

循环荷载作用下软黏土变形特性研究

通过对饱和软黏土进行一系列应力控制的循环三轴试验 ,结合各向同性弹塑性边界面模型数值模拟 ,得出了软黏土在不排水条件下受循环荷载作用时的累积残余变形规律。     

循环荷载下结构性软黏土的各向异性边界面模型

在边界面塑性理论的基础上,提出了一个可以描述循环荷载作用下结构性饱和软黏土力学特性的各向异性弹塑性模型。通过在本构方程中引入表征土体结构性损伤内变量的方法,将软黏土结构损伤与累积塑性应变的发展联系起来;并引入各向异性张量及旋转硬化法则描述其各向异性及演化特征。同时,在映射准则的定义中采用映射中心可移动的方法,以反映土体在卸载再加载时的弹塑性。通过对典型结构性软黏土及上海软黏土循环三轴试验结果的模拟,初步验证了模型的合理性和有效性。     

考虑各向异性影响的循环弹塑性模型

软黏土在动荷载作用下具有显著的非线性、滞回性和变形累积性等动力特性,因此采用弹塑性模型来描述土的动应力应变关系更为合理。基于混合硬化塑性模量场理论,建立了一个总应力形式的、屈服面连续变化的饱和黏土不排水增量弹塑性动本构模型。模型克服了一般嵌套塑性模型因在模量场中存在共轭点而具有奇异性的不足,不需要记忆应力反向面,也不需要判断当前屈服面是否超过应力反向面进而引入零圆心位置的过渡应力反向面,极大地简化了模型和数值计算。由于现有弹塑性动本构模型通常不能考虑各向异性固结对土体变形和破坏的影响,通过在破坏面方程中引入各向异性偏应力张量来反映各向异性的影响。对试样动三轴试验的结果与文献模型计算结果的对比分析表明:模型能够合理地描述土的主要动力特性及应力诱发各向异性对土体变形和破坏的影响。     

应力水平影响下的软土边界面模型研究

针对饱和软粘土在固结不排水条件下受到循环荷载作用时的应力应变响应,采用剑桥模型屈服面,可移动的映射中心,参数意义明确的塑性模量插值函数,建立了一个简单有效的弹塑性边界面本构模型。特别是针对一般边界面模型中参数难以确定的问题,通过将模型参数与应力水平建立函数关系,较好地得到了参数的确定方法。最后通过预测不同应力水平作用下的三轴压缩和拉伸试验,验证了模型的合理性。     

循环荷载作用下流变性软黏土的边界面模型

为了预测交通荷载作用下流变性软黏土的长期运行沉降,提出了一个能够描述循环加载条件下饱和软黏土流变特性的弹黏塑性本构模型。本模型以边界面弹塑性理论为基础,采用滞后变形理论。模型不仅能单独考虑土体的流变效应和循环加卸载效应,还能考虑交通荷载作用下软黏土在循环荷载和流变耦合作用下的变形特性。模型概念清晰,参数少。通过多组上海软黏土循环加载流变试验结果的模拟,初步验证了本模型的合理性和有效性。     

土体稳定与承载特性的分析方法

结合研究团队多年的研究积累,分别从砂土与饱和软黏土两个方面阐述了在土体失稳与承载特性分析方法方面的理论研究成果。排水条件下密砂在到达峰值强度前可能会出现应变局部化失稳,而饱和松砂则可能出现分散性失稳;建立了基于三维非共轴塑性理论的变形分叉分析方法,分析了砂土平面应变试验和真三轴试验的应变局部化现象,进一步分析了各向异性砂土的强度特性和应变局部化现象,以及砂土的状态相关特性对应变局部化的影响;建立了基于状态相关本构模型的砂土应变局部化失稳弹塑性有限元分析方法,探讨了复合体理论和非局部塑性理论在消除有限元网格依赖性问题方面的可行性;建立了基于二阶功准则和状态相关本构模型的饱和砂土分散性失稳数值分析方法。提出了基于临界状态理论的饱和软黏土各向异性不排水强度理论公式,以及基于循环累积塑性应变的强度弱化公式,形成了适合低渗透性饱和软黏土的弹塑性静动力有限元分析方法;建立了非均质与各向异性软黏土地基稳定性问题的极限分析上限方法,进一步提出了不排水地基承载特性的虚拟加载上限分析方法,形成了分析地基承载特性循环弱化的弹塑性有限元法和虚拟加载上限法。所建立的分析方法将为砂土与饱和软黏土地基稳定性和承载特性的理论预测提供重要的技术手段。     

单向循环荷载下超固结软黏土的永久变形特性

为研究超固结饱和软黏土在单向循环荷载作用下的永久变形特性,采用GDS动三轴,对不同超固结度的温州饱和软黏土试样进行了一系列单向循环加载试验,分析了循环动应力水平以及超固结比对饱和软黏土永久轴向应变的影响。试验结果表明:在单向循环加载作用下,超固结饱和黏土存在循环动应力阈值,通过几何作图法综合确定温州饱和软黏土的循环动应力阈值为0.59~0.68,可作为软土路基沉降控制的标准。基于试验结果并结合指数模型,构建了可以综合考虑循环动应力水平、超固结比以及循环次数的饱和软黏土永久轴向应变显式计算模型,适合饱和软黏土地基在交通循环荷载下的累积变形分析。     

循环荷载作用下锈蚀钢材滞回性能与本构模型

为研究循环荷载作用下锈蚀钢材的滞回性能,采用人工加速腐蚀及自然暴露腐蚀的方法获取了17组锈蚀试件,并对其开展单调拉伸及循环加载试验,分析了单调拉伸曲线、滞回曲线和骨架曲线等的差异性,得到了锈蚀钢材单调拉伸与滞回性能退化规律,基于混合强化模型提出了材料参数随腐蚀程度、等效塑性应变的退化表达式,进而建立了锈蚀钢材塑性本构模型。研究结果表明：单调拉伸作用下,锈蚀导致钢材屈服平台缩短、抗拉强度和断裂伸长率降低;锈蚀钢材单调曲线和滞回曲线存在显著差别,锈蚀加剧钢材循环强化,循环损伤累积则进一步加剧锈蚀钢材延性退化,造成峰值点应变、断裂应变和滞回耗能大幅降低,但对抗拉强度的影响较小。通过锈蚀钢材塑性本构模型应力 应变模拟曲线与试验曲线的对比,验证了所提模型的可靠性。     

循环荷载作用下吸力锚基础变形的数值分析方法研究

张紧式吸力锚是一种重要的深水海洋浮式平台锚固基础。静荷载与循环荷载共同作用下地基土体产生较大变形,严重影响吸力锚基础的稳定性。介绍了一种能够描述饱和软黏土不排水循环应力应变响应的拟动力黏弹塑性本构模型。该模型将等效黏弹性理论和蠕变理论相结合,利用等效黏弹性模型描述土单元循环应力应变关系中的非线性和滞回性,依据蠕变关系描述土单元的循环累积性。基于拟动力黏弹塑性本构模型,提出了一种分析静荷载与循环荷载共同作用下软土中张紧式吸力锚基础变形过程的拟动力黏弹塑性有限元方法。该方法并不详细追踪土单元的循环应力应变响应,而是将循环次数视为时间,通过等效黏弹性分析确定吸力锚基础的循环变形;根据土单元静应力和循环累积应变势,采用初应变法确定吸力锚基础的累积变形。结合循环变形和累积变形,确定吸力锚基础变形随时间的变化关系,即位移时程曲线。最后,将有限元计算结果与1g条件下吸力锚模型试验结果进行比较,结果显示两者基本一致。     

考虑阻尼修正的Pyke滞回模型研究

阻尼比反映了土体滞回耗能的特性,是土的重要动力特性参数。土的滞回本构模型能同时真实反映土的动剪模量衰减和阻尼比非线性变化特性,是保证场地及土–结构体系动力响应分析精确度的关键。针对经典的Pyke滞回本构模型,基于文献实测的动剪模量曲线和阻尼比曲线,研究了其对土体阻尼比的预测精确度,发现Pyke模型在大应变幅值时将显著高估土的阻尼比。针对此缺陷,结合前人提出的基于阻尼的滞回曲线方程和Pyke模型加卸载准则,提出了考虑阻尼修正的D-Pyke滞回模型。该模型假设双曲线形滞回曲线的饱满程度由形状系数确定,而后者则由当前加载曲线的滞回应变幅值所对应的实测阻尼比确定。滞回曲线的应变幅值与应力幅值之间通过骨架曲线相互关联,而应力幅值则由Pyke所建议的加卸载准则确定。通过针对粉质黏土的循环单剪试验结果,验证了D-Pyke模型相比于Pyke模型能够更为合理地同时模拟土的非线性动剪模量和阻尼比特性。模型同时继承了Pyke模型能更好地模拟土的循环加载棘轮效应、加卸载准则简单的优点,可为随机动力荷载作用下土体响应问题分析提供合理的本构行为模拟。     

饱和黏土静力及循环稳定弹塑性分析

为了评价黏土地基在结构自重及海洋风、浪等荷载作用下的稳定性,在临界状态理论框架中,基于修正的运动硬化弹塑性模型,模拟静力及循环荷载作用下饱和黏土的力学响应。通过修正已有模型的硬化规律,使其能够更好地描述黏土静力和循环受力特性;建立类似于修正剑桥模型的边界面方程,以适应等向硬化及修正的运动硬化规律;采用径向映射法则及移动的映射中心模拟应力–应变曲线的滞回性;构建适当的塑性模量插值函数,描述饱和黏土在低应力水平下的循环稳定特性。通过对相关文献中及天津黏土循环三轴试验结果的模拟,验证模型的合理性和有效性,结果表明,修正的模型具有模拟黏土静力及循环稳定等特性的能力。     

K0固结结构性软黏土的本构模型

本文在修正剑桥模型的基础上综合考虑了软黏土的各向异性、结构性及其演变和屈服面硬化规则中塑性剪切应变的影响,将传统模型发展为适用于K0固结结构性软黏土的本构模型。本文模型借鉴Collins等人提出的符合热力学耗散原理的本构模型,同时在描述土体结构性演变的过程中参考了Asaoka等人的次加载/超加载屈服面本构模型,并采用了具有明确物理意义的内变量。与传统的修正剑桥模型相比,增加了3个分别表征软黏土各向异性和结构性的参数(θn,R和R*)以及两个演化参数(m和a),而参数R和R*的初始值则可由结构性土的屈服应力比YSR和灵敏度St获得。本文选取了典型的浙江温州软黏土和Bothkennar软黏土,对比了三轴压缩的计算和试验结果,体现了本模型在结构性软黏土计算上相对于传统本构模型优越性。     

循环偏应力和循环围压耦合效应对饱和软黏土变形特性的影响

利用GDS变围压动三轴系统对温州地区典型饱和软黏土进行了一系列循环偏应力和循环围压耦合应力路径下的部分排水循环加载试验,重点分析了部分排水条件下循环偏应力和循环围压耦合效应对正常固结饱和软黏土变形特性的影响。试验结果表明:部分排水条件下,与围压保持恒定,偏应力单独循环剪切相比,循环偏应力和循环围压耦合剪切作用有效地促进了饱和软黏土的累积塑性应变的发展,循环围压和循环偏应力的比值每增加2/3,相应的永久轴向应变就增加32%。进一步根据部分排水条件下饱和软黏土永久轴向应变发展曲线特点,建立了考虑循环偏应力和循环围压耦合效应的正常固结饱和软黏土的永久轴向应变经验公式。     

循环偏应力和循环围压耦合应力路径下饱和软黏土动模量衰减规律研究

动模量一直是土动力学研究中最为重要的参数之一,土动力学中使用最为广泛的等效线性本构模型即对动模量随动应变衰减规律的定量描述。在之前关于饱和软黏土动模量的研究中,已经考虑到诸如固结比、塑性指数、土体组构、饱和度、先期应力历史、动荷载频率、时间效应等因素的影响。但是由于各种各样的原因,鲜有文献涉及应力路径尤其是循环偏应力和循环围压耦合应力路径对饱和软黏土动模量衰减规律的影响。考虑到循环围压在土体动应力场中存在的普遍性,通过一系列循环偏应力和循环围压耦合应力路径下的逐级加载试验,研究了循环围压对饱和软黏土动模量衰减规律的影响。试验结果表明：循环围压不但会改变了某一应变值下饱和软黏土动模量的大小,而且其改变趋势及大小与相位差有关;通过拟合分析证实Hardin-Drnevich模型并不适合循环偏应力和循环围压耦合应力路径下饱和软黏土动模量衰减规律的定量描述,而基于Stokoe公式却得到了较为理想的拟合结果。     

基于修正Iwan模型的软黏土动应力–应变关系研究

在循环荷载作用下,饱和软黏土由于孔压上升和结构重塑会发生应变软化;同时会产生累积塑性应变。而且,当存在初始偏应力时,累积塑性应变的发展速率加快,并随着循环次数的增加,滞回圈明显向右滑移。正基于此,本文通过对杭州正常固结饱和软黏土进行应力控制的循环三轴试验,首先建立考虑不同动应力、初始偏应力下正常固结软黏土的软化指数经验模型;然后将软化模型引入Iwan串联模型中考虑循环软化的影响;同时再串联一理想刚塑性元件,模拟循环过程中产生的累积塑性应变;最后结合Masing准则对软黏土的动应力–应变关系进行了描述。通过对试验值进行模拟以及与其他模型的对比分析,初步证明了模型的合理性和有效性。     

修正的饱和黏土次加载面模型

基于临界状态土力学理论,建立了一个适用于循环荷载作用的次加载面本构模型。模型采用修正剑桥模型屈服面,屈服面形式简单、灵活。模型弹性域为一点,应力反向时立即产生塑性变形,应力应变曲线形成封闭的滞回圈,符合试验现象。