基于修正Davidenkov本构模型与Byrne孔压增量模型的有效应力算法及其验证

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,并通过南京细砂原状土样的共振柱试验,提出了考虑初始有效围压对初始剪切模量和参考剪应变的修正公式.利用ABAQUS显式开发模块,实现了基于不规则加卸载准则的修正Davidenkov本构模型与Byrne孔压增量模型的有效应力算法.对饱和南京细砂进行排水循环三轴试验,给出了南京细砂的Byrne孔压增量模型参数;对饱和南京细砂进行了不排水循环三轴试验和三维数值仿真的比较研究,发现该子程序能够较好地模拟南京细砂的振动孔压发展过程,合理地反映土体的液化特性,从而验证了本文提出的有效应力算法的合理性.

基于现场液化试验的饱和砂土孔压增量计算模型

采用现场液化试验,研究水平场地孔压增长模式,提出孔压增量计算模型。通过不同密实度砂土的液化试验,以加速度、埋深、砂土密实度等现场参数为指标构建孔压增量模型,发现现场和室内试验孔压增长模式的区别和联系,并验证该孔压模型的可靠性。研究结果表明:等幅循环荷载下,与现有动三轴等土单元试验的孔压增量随作用次数一直呈单调递减模式不同,现场试验孔压增量随作用次数呈现出先增大后减小的规律,中间存在阈值;通过参数分析和试验实例验证,构建的孔压增量计算模型,可更方便地用于随机荷载下水平场地的饱和砂土孔压计算。

循环荷载下饱和南京细砂的孔压增量模型

等幅循环荷载的不排水三轴试验的结果表明,饱和南京细砂孔压比曲线的形状随循环周数比增大而发生规律性的变化。引入孔压增量比的概念,并定义有效动剪应力比和有效应力对数衰减率,发现孔压增量比的发展过程可分为下降段、平稳段和上升段;在平稳段和上升段,孔压增量比的累积量与有效动剪应力比的自然对数具有很好的线性关系,并推导出第N周的孔压增量比与第N-1周的有效应力比对数衰减率成正比,而与动应力幅值无关。据此建立的饱和南京细砂孔压增量模型,能够较好地描述等幅循环荷载作用引起的孔压比随循环周数的增大而增长的发展趋势。

振动孔压增量模型在ABAQUS软件中的实现

将依据动三轴试验建立的饱和南京细砂孔压增量模型三维化,嵌入到基于ABAQUS软件开发的修正的Davidenkov黏弹性本构模型模块中,以外挂FORTRAN子程序的方式,完成三维振动孔压增量模型在ABAQUS软件中的二次开发。对简单应力状态和复杂应力状态下的可液化地基进行数值模拟,初步验证该外挂子程序的有效应力分析能力及可靠性,表明该子程序能够较好地模拟液化场地的振动孔压发展过程,能合理地反映场地的地震液化特性和有效应力变化规律,预测场地的地震液化趋势。

饱和南京细砂孔压增量模型的普适性研究

循环荷载作用下饱和砂土的孔压增长规律是土动力学的核心内容之一。基于笔者在给定相对密度、均等固结条件下饱和南京细砂的不排水等幅循环三轴试验结果建立的孔压增量模型,进一步进行了不同相对密度、不同固结比务件下饱和南京细砂的不排水等幅循环三轴试验,将上述均等固结的孔压增量模型拓展为适用于不同相对密度、均等和非均等固结条件的孔压增量模型。采用拓展后的孔压增量模型对试验结果进行分析的结果表明:通过该孔压增量模型预测验证试验的孔压与验证试验测试的孔压具有较好的一致性,说明该孔压增量模型具有普适性。

剪切-体积应变耦合的孔压增量模型试验

以南京细砂为对象,通过共振柱试验及应变控制的排水/不排水分级和单级加载循环三轴试验的系统性研究,建立了能够描述饱和砂土孔压增长规律的新模型。该模型遵循Martin和Byrne提出的基本理论框架,孔压的增长是由循环剪切作用下体积改变所引起的。提出的孔压模型属于应变控制的孔压增量模型。基于排水循环单级加载试验,通过引入体积门槛剪应变γ_(tv)的概念,以具有代表性的15周体应变(ξ_(vd))15为基准点,归准化体应变发展与循环剪应变之间的关系,建立了三参数的体应变增量模型及其参数标定方法。基于排水和不排水循环单级加载试验结果,揭示了体应变与孔压比之间的内在联系,进而导出回弹模量表达式。通过耦合新的体应变增量模型及回弹模量公式,建立了新的剪应变-体应变耦合的孔压增量模型。验证性试验表明,新的孔压增量模型的预测值与试验结果的吻合度较高。

超重力试验孔压增量模型与适用性研究

超重力试验是目前岩土工程领域一种日趋成熟和广泛使用的物理试验手段,但在本构关系方面研究较少,而其在真实应力和边界条件上对本构关系研究更具明显优势。基于Ishibashi各因子乘积形式的基本思想,重点考虑有效应力、动剪应力比、循环振次和固结比等关键因子,提出了适于任意荷载和非均等固结的全因子孔压增量模型。通过自主研发的高性能孔压传感器DSP-II量测液化孔压动力时程,揭示了不同荷载、密实度、埋深条件下新孔压增量模型预测饱和砂土孔压发展过程和液化阈值的准确性与普适性。给出了不同密实度砂土的抗液化强度与计算参数,结果表明随循环动应力比的减小,初始液化触发循环振次N呈现增大规律;而随相对密度Dr的增加,抗液化强度则呈现逐渐增大规律;该模型计算的抗液化强度预测值与实测数据基本吻合,可较好地预测超重力液化试验饱和砂土的抗液化强度与变化趋势。

非均等固结下饱和砂土孔压增量简化计算公式

通过动三轴液化试验,提出了一个新的适用于非均等固结下饱和砂土孔压的增量型简化计算公式.首先,试验和分析表明,描述非均等固结对饱和砂土液化影响较为合适的方式是以kc-1的幂函数模式,建立非均等固结下孔压变化的相对增量△U/U0与固结比的增量kc-1之间的关系,即△U/U0=C1,a(kc-1)C1,b.系数C1,b是一个远小于1的数,表明孔压增量在kc接近1时降低速度较快,在kc继续增大时降低速度变慢并趋于平缓,而若采用kc幂函数,在1＜kc＜3则与孔压间近似成直线关系,不能很好描述这种变化;对本文中的两种砂,系数C1,a随密度增大而变小,变化在0.20～0.50之间,意味着kc=2时的孔压增量较kc=1时降低20%～50%.最后,试验与计算的对比表明,新公式不仅能描述等幅正弦荷载作用时不同固结比下饱和砂土的孔压增长,而且也能较好地描述随机地震荷载作用时非均等固结下饱和砂土的孔压增长过程.

基于Matasovic骨架曲线的有效应力方法在ABAQUS软件中的实现

将描述土体液化特性的Byrne简化的Martin-Finn振动孔压增量模型与修正Matasovic黏弹性本构模型相结合,以外挂子程序的形式,嵌入到ABAQUS软件中,实现了可液化地基孔压增长过程的数值模拟。以简单应力状态下的可液化地基为例,初步验证了该子程序的动力有效应力分析能力;对某液化场地进行了二维非线性的总应力法和有效应力法对比分析,给出了地表加速度和地表加速度反应谱的对比结果,同时给出了代表性单元的剪应变时程曲线。结果表明,该子程序能够较好地模拟液化场地的振动孔压发展过程,预测场地的地震液化趋势。

辽东湾某海相软土场地地震动响应研究

结合工程实例,对海相软土场地地震动响应特征进行研究。依托辽东湾某液化场地的钻孔资料,结合当地的勘察报告,建立FALC3D动力学液化Byrne模型,对该地区自由场地El Centro波作用下不同时刻进行动力学模拟,监测记录了2.5 s,5 s,7.5 s及10 s时刻该场地的加速度、z向位移、x向位移、孔隙水压力比。得到海相软土在动力作用下的受力规律、位移变形规律和孔隙水压力变化规律。勘察结果表明,该软土场地液化严重,与数值模拟结果一致。

现场液化试验方法及液化土体特征研究

液化问题是土动力学和岩土地震工程研究的重要课题之一。强震下饱和砂土易发生液化并可能加重震害,机械和波浪荷载下土体也存在液化问题。研究液化及相关工程问题,具有重要的理论和工程意义,一直是工程抗震领域的前沿方向。震害调查和室内试验是目前认识和研究液化问题的重要手段和主要手段。现场监测也是直接研究地震中液化问题的一种手段。在研究液化方面发挥了巨大作用,

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。

南水北调中线工程砂土地震液化和变形破坏动力数值分析——以漳河河漫滩段为例

砂土液化问题一直是土动力学与岩土地震工程研究领域的重要课题之一.基于南水北调中线一期工程总干渠漳河河漫滩段工程,通过现场和室内试验获取岩土体的动力学参数,利用岩土数值分析FLAC3D软件,砂土本构模型选为Finn模型,输入近场地邯郸台记录的实际地震波,对渠基砂土地震液化和渠道变形破坏特征进行了动力数值分析.结果表明,在地震作用下,超静孔隙水压力最大值位于渠堤底部砂土层中,但渠堤底部砂土层由于初始应力较大,其孔压比不高,不会发生液化;在渠道底部以及渠堤外侧坡面平台至坡脚局部区域土体虽然超孔隙水压力较小,但有效应力小,超孔压比反而大,砂土层发生了液化;在地震作用下变形主要发生在渠堤和浅层地基土里,具有对称性;渠堤边坡的变形破坏主要表现为在渠堤顶面发生震陷和拉裂破坏,在坡脚处发生水平侧向流动和挤压隆起变形.计算过程中,在渠堤及地基的不同位置设置监测点,得到了地震作用过程中不同位置处超孔隙水压力、有效应力和位移的动态变化规律.通过剪应变增量判断,在地震力作用下渠堤及地基中形成了贯通的剪切滑动面,易发生整体滑动破坏.研究成果对南水北调砂土液化特性的认识和防治有一定的意义.