循环荷载下软黏土的各向异性边界面模型 Anisotropic bounding surface model for saturated soft clay under cyclic loading.pdfVIP

水 利 学 报 2009年2月 SHUILIXUEBAO 第40卷第2期 文章编号：0559．9350(2009)02．0188．06 循环荷载下软黏土的各向异性边界面模型 黄茂松1，刘 明2，柳艳华1 (1．同济大学地下建筑与工程系，上海200092；2．同济大学交通运输工程学院。上海200092) 摘要：在各向同性边界面理论框架中，通过引入各向异性张量，提出了适用于描述循环荷载作用下软黏土各向异性 的边界面本构模型。本模型通过初始固结应力状态确定各向异性张量的初始值，并通过各向异性张量的旋转硬化 准则反映循环荷载作用下各向异性的演化。同时，在映射准则中，将映射中心由固定改为可移动，以反映循环荷载 作用下土体的滞回特性。从而将一般边界面模型扩展，使其可描述复杂应力状态下饱和软黏土的动力特性。通过 与上海软黏土的室内循环三轴试验结果以及文献中相关试验结果的比较，验证了所提出的本构模型的合理性。 关键词：循环荷载；各向异性；边界面模型；旋转硬化；映射中心 中图分类号：TU447 文献标识码：A 1 问题提出 天然土体具有明显的各向异性，在循环荷载作用下具有非线性、滞回性和不可恢复变形的积累性等 特征。为合理地模拟土体的这些变形特性，必须建立一种形式和参数相对简单的本构模型来描述软黏 土复杂的循环变形特性。目前国内外已建立多种弹塑性动力本构模型，其中以单面边界面模型…最为 简单，可描述正常固结土及超固结土的静力和动力变形特性。常用的单面边界面模型基于临界状态理 论，用边界面表征土体固结程度，取消了屈服面的概念，这样塑性应变与材料硬化在边界面内逐步产生； 采用等向硬化法则，映射中心一般取为应力空间原点，采用径向映射法则，也就是应力点与原点连线在 边界面上投影点为虚应力，虚应力则取代了经典塑性理论中屈服面上应力的概念；最后通过真实应力与 虚应力之间的距离进行插值得到塑性模量从而确定应力应变关系。因此不同的单面边界面模型区别主 要在于边界面、映射法则以及模量插值规则的定义。但此类模型一般采用弹性卸载概念，卸荷模量与初 始加载时的弹性模量相同，模拟得到的循环荷载条件下应力应变滞回圈不封闭，因此无法合理模拟出卸 载再加载时所表现出的弹塑性，从而导致模拟的塑性累积变形不合理。解决的方法主要有套叠屈服面 模型陋。41以及基于运动硬化理论的边界面模型b。7]，但这些方法由于要求当前应力点落在可移动的屈服 面上，不易于数值实现。 另外，常用的边界面模型由于建立在各向同性假设基础上，对于天然土所具有的显著的各向异性也 不能合理描述。而多位学者旧。91通过试验研究证明了原状土样的屈服面并不是与球应力轴对称的，具 有明显的各向异性，并且经过多条应力路径下的三轴试验得到的屈服面也是不对称的u引，这说明应力 诱发各向异性同样不可忽视。因此在单面边界面模型中考虑应力各向异性是必要的，改进方法一般是 上述方法。但这2个模型采用的边界面形式由3段不同的曲线构成，比较复杂，给实际应用带来很大的 收稿日期：2007．12．17 (07R214145) 作者简介：黄茂松(1965一)，男，浙江玉环人，教授，主要从事岩土工程方面研究。E-mail：mshuang@tongji．edu．cn ·-——188-——— 万方数据 不便。魏星等n”引入各向异性张量构造了一个能够描述天然黏土各向异性的模型，但尚未应用到循环 荷载中。 鉴于已有的模型存在的缺陷与不足，不能较为完整地同时较好地描述饱和软黏土应力各向异性以 及循环加载特性，本文在单面边界面模型的基础上将屈服面形式加以改进，并引入各向异性张量、旋转 硬化法则来反映各向异性的影响；引入映射中心可运动的概念来描述卸载再加载时土体所表现出的弹 塑性，并利用上海软黏土的循环三轴试验结果以及已有文献中的相关试验结果进行验证。 2各向异性边界面模型的建立 2．1边界面方程本文采用广义剑桥模型的屈服面形式作为 g‘ 边界面，这样既可减少边界面上的奇异点，又可通过形状参数 R使边界面形式更为灵活，并引入可描述各向异性的各向异性 张量口。，见图1。这样通过初始边界面形式中引入初始各向异 性张量口：来考