近海软黏土强度弱化模型的建立与验证.pdf
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1、文章编号:()收稿日期:基金项目:中国铁路设计集团有限公司开发课题()作者简介:袁宇()男湖南衡阳人工程师博士主要从事铁路路基及桥梁基础方面的工作:.引文格式:袁宇马广张雷.近海软黏土强度弱化模型的建立与验证.铁道建筑技术():.近海软黏土强度弱化模型的建立与验证袁 宇马 广张 雷(中国铁路设计集团有限公司 天津)摘 要:对于常见的软黏土而言循环荷载可能会导致其不排水抗剪强度降低 采用边界面思想的有效应力模型虽然可以模拟循环荷载作用时土体孔压的响应但是这类方法的参数繁多需要大量的土工试验确定参数 更为关键的是在基础与土相互作用的有限元分析中有效应力模型存在着计算时长过大和收敛性差的问题很难进行
2、大规模的有限元计算 因此结合随动硬化模型的理论框架与计算土体应变软化的强度公式提出了一种简单且实用的总应力土体应变软化模型描述常见软土的应变软化特性 通过二次开发实现了该模型在有限元方法中的应用 通过与离心机试验结果的对比表明该模型可较好地运用于水平循环荷载作用下桩基承载力的弱化研究可为承受极端风浪荷载作用下的桥梁桩基础承载力设计提供参考关键词:软黏土 强度弱化 本构模型 桩基础中图分类号:文献标识码:./.():.:引言早在上世纪七八十年代挪威土工所就开始研究土体单元循环响应对基础承载特性和变形特性的影响成为了研究近海软黏土的先驱者 等提出了依据不同循环切应力幅值条件下的土体单元响应来进行基
3、础循环承载特性分析 这一方法本质上是通过等效次数的方法对循环承载力进行拟静力分析由于其高效性和准确性该方法在国际上得到了广泛的认可 事实上由于近海原状土的复杂性其循环响应特征也呈现出多变性现有的本构模型很难精确模拟具体荷载作用下土体单元的时程响应事实上除了土体的各向异性原状土的结构性、应变软化性以及超固结度等均会对土体的循环响应产生不同程度的影响 对此国内外诸多学者通过试验和理论的方法展开了大量的研究工作国外学者 等首次引入软化指数的概念建立了软化指数与循环次数之间的指数表达形式给出了土体模量衰减的简单计算方法 随后 等通过与 相类似的方法提出了归一化模量与循环铁道建筑技术 ()袁宇 等:近海
4、软黏土强度弱化模型的建立与验证次数之间的关系建立了软化指数与循环次数之间半对数的表达函数 等通过一系列动三轴试验归纳出了弱化系数与累积孔压之间半对数的函数关系并利用五类饱和黏土的动单剪试验对提出的函数形式进行了验证王建华等通过偏压固结下软黏土动三轴试验引入了弱化参数以此来表达循环应力历史对土体的损伤累积影响 胡存等基于广义 各向同性硬化准则建立了考虑黏土循环软化的损伤单面模型 黄茂松等的循环三轴试验结果表明在相同固结条件下循环次数和动应力比的提高会加大土体刚度和强度的衰减幅度 黄茂松等建立了基于非线性运动硬化准则的饱和黏土循环弱化模型结合随动硬化模型的理论框架与计算土体应变软化的强度公式提出了
5、一种简单且实用的总应力土体应变软化模型描述常见软土的应变软化特性 通过二次开发实现了该模型在有限元方法中的具体计算 黏土应变软化特性及本构模型开发提出的考虑土体应变软化的总应力组合硬化模型主要基于两方面的内容第一个方面主要是基于 和室内三轴试验得出的考虑土体应变软化的不排水抗剪强度计算方法另一方面则是基于传统的组合硬化本构模型 将两者对土体强度的计算进行结合可开发出一种新型的考虑循环荷载作用下黏土弱化效应的总应力本构模型.考虑应变软化的近海软黏土不排水抗剪强度大量的动三轴试验和 试验结果表明软黏土在循环受荷过程中会产生明显的应变软化现象其软化的本质是由于土体塑性应变的累积 但是若只采用塑性应变
6、累积来解释土体的强度发展规律则会使得土体的强度在进入塑性后呈一直减小的规律这与土体的实际形状不相符合 基于该原因需要通过引入其他考虑因素来抵消或者减弱加载初期累积塑性应变的影响使得土体在达到峰值强度之后再慢慢体现出应变软化的影响 为解决这个问题 和 认为土体的不排水抗剪强度可以结合土体的速率效应和应变软化效应进行综合体现其中土体的速率效应一般会使得土体的强度有所增大而累积塑性应变会使得土体强度减小 两位学者结合优化后的塑性理论上限解和应变路径法则综合考虑土体应变软化和应变速率效应对 贯入阻力的影响考虑采用对数或指数形式的函数描述应变速率对不排水抗剪强度的影响如公式()和()所示:()()()(
7、)()式中:为土体的初始不排水抗剪强度、为速率系数 取值范围在.之间为参考速率软黏土一般取/为土体历史上所经历过的最大剪应变速率采用 屈服准则时可由公式()计算 ()()其中为应变率张量(包括弹性和塑性部分)而对于应变软化对抗剪强度的影响则采用公式()进行描述:()/)()式中 为累积等效塑性应变可以由公式()计算得出:()上述式中为塑性应变率张量为土体达到重塑度 时所产生的累积塑性剪应变可以由土单元试验得到对于软黏土一般取值范围为 为灵敏度 的倒数即/在公式()的基础上 等在 和 的基础上提出了一种“一阶软化模型”对应变软化公式进行改造如公式()所示:()(.)/)()在后续的发展中 又提出
8、了一种“二阶软化模型”来拟合 循环贯入过程的强度弱化曲线以考虑土体结构性丧失和胶结破坏导致的部分土体软化特征如公式()所示:()(.)/(.)/)()另外 和 也在公式()的基础上添加了一个能够量化软化曲线斜率的参数 从而建立一种改进的软化模型:()(/)()将上述分析中的速率效应公式和考虑土体应变软化的公式相结合则可得到土体不排水抗剪强度的计算公式 其核心思想是:在加载初期土体的累积塑性应变较小土体的强度主要由速率效应控制可保证土体达到其相应的峰值强度在加载的中后期土体的累积塑性应变逐渐增大此时土体的强度将主要由软化效应进行控制可体现出土体强度的弱化.改进的应变软化本构模型下面简单介绍非线性
9、机动硬化模型的屈服准则和硬化规律 屈服面方程的表达式如公式()所示认为铁道建筑技术 ()袁宇 等:近海软黏土强度弱化模型的建立与验证材料的破坏只与剪应力相关:()()()式中:为偏应力分量为初始屈服面大小为背应力参数反映屈服面中心的移动从式()可以看出屈服面在 平面上的投影是一个可以运动圆圆的大小由 控制圆的中心由 控制 圆心 的变化由非线性硬化规律公式()控制:()()式中:为等效塑性应变为初始运动模量 为反映背应力随塑性应变增长和背应力发展而后退的运动硬化率可以看出 的引入体现了 硬化规律的非线性并且当趋近于无穷时背应力极值 为/基于公式()和()可以得出黏土不排水抗剪强度的具体计算表达式
10、如公式()所示:()式中 表示最大屈服应力 因此对于机动硬化模型而言需要确定的 个参数为、和 其余的参数可通过换算得出 其中 由于表征的是土体在刚进入塑性阶段时的模量一般取值与弹性模量相同 需要说明的是上述机动硬化模型表达式中 为常数即没有考虑屈服面的等向硬化 因此此模型将会高估材料的 效应 但是对于常见的软黏土土体的纯弹性范围很小一般.所以该模型的高估影响将会较小尽管如此机动硬化模型的硬化规律中未考虑土体强度的降低效应仍然不能很好地反映黏土的应变软化所导致的强度降低现象 基于 和 对黏土软化的研究将随动硬化模型进行改进提出了考虑土体弱化的组合硬化模型 该模型对土体的强度计算如公式()所示:(
11、)()/()()()()()式中:表示土体速率对强度的提升()表示土体应变软化对强度的降低()为速率效应引起土体强度提高的最大值一般不超过.结合公式()和()可以将非线性机动硬化的硬化规律进行改进并引入等向硬化规律(认为屈服面大小的变化与圆心的变化规律一致)得到改进后运动硬化模量 和表征屈服面大小参数 的硬化规律如公式()和()所示其中公式()表示随动硬化部分公式()表示等向硬化部分()()()()()()()()()式中:为考虑弱化时的运动硬化模量为考虑弱化时的初始屈服面大小为考虑弱化时的最大屈服应力依据公式()可以看出考虑土体弱化效应的最大屈服应力 会随着应变速率以及塑性应变的发展而变化并
12、非像传统机动硬化模型那样为一个定值因此 的变化可以反映到土体强度的变化上从而描述土体应变软化导致的土体强度降低现象 屈服面演化规律分析为了更为深层次地了解模型的内在机理以典型的静三轴剪切条件为例分析了考虑土体应变软化的总应力组合硬化本构模型在三轴剪切条件下的屈服面演化和强度变化规律(假设土处于等压固结状态)并与传统的机动硬化屈服面进行对比如图 所示图 屈服面演化规律铁道建筑技术 ()袁宇 等:近海软黏土强度弱化模型的建立与验证可以看出传统的机动硬化模型若未考虑等向硬化则屈服面大小不会发生改变土体的硬化行为通过屈服面圆心位置的改变予以体现并且由于静三轴剪切条件下未产生卸荷行为在达到土体峰值强度后
13、屈服面的圆心位置保持固定土体的强度不再发生变化 而与传统的非线性随动硬化模型不同改进后软化模型的屈服面会随着塑性应变率和累积塑性应变的发展产生大小和位置的变化演化成一种能够考虑土体弱化的非线性组合硬化模型 在达到土体的峰值强度前由于土体的累积塑性应变较小此时土体的速率效应占主导随着剪切过程的发展累积塑性应变逐渐增大率效应对强度的贡献逐渐小于软化对强度的贡献在后续阶段中软化效应开始占主导 从图中还可以看出软化效应的体现一方面来源于等向硬化导致的屈服面减小另一方面来源于机动硬化圆心位置的回撤 为了更为直观地反映土体应力应变的发展规律将图 中不同应力点对应的应力塑性应变关系绘制于图 结合两者解释屈服
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