粘土的一个循环粘弹性-粘塑性本构模型以及他在成层土液化分析中的应用.docxVIP

0.摘要1.序言2.粘土的循环粘弹性-粘塑性本构模型3.循环三轴试验的数值模拟4.成层（粘土砂土混层）地基土的液化分析5港岛的地震动放大特性6结论7附录参数和的确定方法0.摘要为了确定粘土从低应变～高应变范围内的粘弹性，作者提出了一种粘弹性-粘塑性本构模型。首先通过对海洋沉积粘土循环三轴试验，进行数值模拟得出的土体循环强度和变形特征确定了这一模型的正确性；然后在一个研究中间粘土层对可液化砂土层液化程度的液化分析中，使用本模型研究了有效应力。 本文地震分析主要采用1995年阪神地震时前震、主震、余震的震动效应。冲积粘土不同的抗剪强度特性是港岛比洛克岛有更强液化势的原因。本文介绍的模型，很好的描述了粘土在强震作用下的粘滞特性。由于粘土的粘弹性，地震时粘土层和上部液化砂层的加速度反应都发生滞后。在主震和其后9天内的余震中，近地表处的加速度反应有所增大，这是由于此处的超空隙水压力在震前和震后相当长一段时间内有所增大造成的。使用这一模型，地震时，尤其是在主震后的一系列微震中，上层土体的加速度时程可以被计算出来。1.序言在1964年新泻地震后，提出了许多砂土的本构模型；但是日本港口沿岸多为混合土层，研究粘土对砂土液化的影响很重要。Oka曾根据非线性运动硬化准提出了一种弹性-粘塑性模型，但是该模型无法考虑粘土在小应变情况下的特性。由此，作者提出了一种可以考虑土体小应变状态的粘弹性-粘塑性本构模型。现在，粘弹性模型已经被广泛应用于模拟聚合物、混凝土、金属、土壤等许多材料中。线弹性模型，如马克尔斯维尔模型、沃伊特模型、弹簧-沃伊特三参数模型被用来分析粘弹性。已有学者证明弹簧-沃伊特三参数模型中的弹簧可用来描述瞬时弹性，沃伊特单元来模拟滞后弹性。因此说粘弹性可模拟粘土小应变时的特性；粘塑性可模拟粘土大应变甚至破坏时的特性。由此，作者根据非线性运动硬化准则和三参数粘弹性理论，提出了一个粘弹性-粘塑性模型。为了评价这个模型，作者通过对天然海洋沉积粘土循环三轴试验，进行数值模拟得出的土体循环强度和变形特征。然后再有限元分析软件LIQCA-2D中使用了该模型，对1995年阪神地震时两个人工填岛的液化情况进行了数值模拟。2.粘土的循环粘弹性-粘塑性本构模型首先，简单的介绍了弹性-粘塑性模型的发展，然后详细介绍了本文的循环粘弹性-粘塑性模型2.1粘弹性模型应变率张量可以分解为粘弹性应变率张量和粘塑性应变率张量，其公式为下面讨论粘弹性应变速率张量表达式：应变速率张量可以表示为偏应变速率张量和体应变速率张量，在这里考虑体应变速率张量为零，因此仅考虑偏应变速率张量。2.2粘塑性模型2.2.1超固结边界面模型中提到了一个超固结边界面2.2.2静态屈服函数两个静态屈服函数：非线性运动硬化参数的演化方程：由于循环不排水荷载条件的变化，平均有效应力的增加可以被忽略，第二个屈服函数可以被忽略，相关的参数可被忽略。2.2.3塑性势函数塑性势函数与屈服函数类似2.2.4粘塑性流动法则根据通用的粘塑性流动规则，粘塑性应变率张量和粘塑性体应变率张量分别为：参数和的确定方法根据不用应变率的单向加载试验得到，参见附录A，可以通过循环加载时土体的剪胀性获得。粘弹性参数和粘塑性参数随土体状态的变化将会在以后的研究中进行。2.3粘弹性-粘塑性模型3.循环三轴试验的数值模拟为了评估本为提出的本构模型，对粘土的三轴试验进行了数值模拟。首先，模拟了理想粘性土的单调和循环荷载三轴试验进行了模拟，确定了土体在低应变状态下的粘弹性特性；然后使用该模型模拟了德岛沿岸的海洋沉积粘土在循环不排水加载条件下的循环强度和变形特性。3.1低应变时的粘弹性特性图5和图6描述了单调荷载情况下的土体偏应力和轴向应变的关系。当粘性系数为无穷大时，模型变为弹性-粘塑性模型；当粘性系数逐渐减小时，模型逐渐变现为类弹性-粘塑性特性，这是由于三参数模型的所有元件会因为极强的粘性效应表现出类似弹性材料的特征。图7描述了两种不同模型的循环应力-应变关系，E-VP模型在应变小于0.02%时弹性占据主导地位，大于该值后出现粘塑性；除此之外，还发现滞回圈在低应变时比较扁平。 EP-VP模型的滞回圈更多一些，这很好解释了阻尼特性与应变水平的依存性。3.2天然粘土循环三轴试验的数值模拟为了确定粘土在多种循环荷载作用下的强度和变形特性，对小松岛不同地点和不同深度处的土体进行了两种不同的三轴试验。一种是常规的不排水循环三轴试验，另一种是循环变形试验。（1）在不排水循环三轴试验时，通过一条频率为0.1Hz的正弦曲线对土样施加了一个对称的循环荷载，直到两倍的轴应变达到10%为止。图8-10描述了T-1，T-2，T-3号试样在不排水循环三轴试验时的的应力应变关系和有效应力路径。（2）在循环变形试验中，通过一条频率为0.05Hz的正弦曲线对每一