循环荷载作用下粉细砂累积变形的等效黏塑性本构模型 Equivalent viscoplastic model for cumulative deformation of sandy silt under long-term cyclic loading.pdfVIP

水 利 学 报 SHUIU 2009年6月 XUEBAO 第40卷第6期 文章编号：0559．9350(2009)06．0651．08 循环荷载作用下粉细砂累积变形的等效黏塑性本构模型 张宏博1，黄茂松2，宋修广1 (1．山东大学土建与水利学院，山东济南250061；2．同济大学地下建筑与工程系，上海200092) 摘要：提出了适用于长期循环荷载作用下粉细砂累积变形计算的等效黏坦性本构模型及数值模拟方法。该模型基 于经典弹塑性理论框架及结构安定理论，考虑了砂土材料的双屈服面及剪胀性特征，引入塑性应变随加载次数的 增量表达式，预测粉细砂土材料累积不均匀变形。通过粉细砂的动静三轴试验确定模型参数，并研究了砂土累积 变形规律。数值模拟结果表明，该模型对于粉细砂长期循环累积蝮性变形具有良好的模拟能力，而且计算步长可 任选取，适用于长期循环加载的计算。 关键词：循环加载；粉细砂；累积变形；安定理论；等效黏塑性本构模型 中图分类号：删l 文献标识码：A 1研究背景 随着土地资源的日益紧张，许多沿海地区通过围海造田方式扩大城市土体使用面积，如在长江人海 口通过挖泥船将江底沉积粉细砂进行水力吹填，用于填筑地基或路基。该类吹填砂不同于一般砂土，在 长距离的水流搬运过程中，由于水流冲刷和颗粒间的相互碰撞，使得土体颗粒的磨圆度明显提高，粒度 均匀，难以形成有效的颗粒嵌挤，在外力作用下容易发生颗粒间的相互错动。当作为路基或地基使用 时，随着重载交通量的日益增加，在长期车辆轮载作用下将不可避免的产生不均匀沉降变形，严重影响 道路运营的安全性及舒适性。同时，波浪荷载的水平冲击效应对吹填地基土体变形的影响也不容忽视。 因此，有必要深入了解吹填粉细砂在长期循环荷载作用下复杂的变形机理，提出累积变形的有效预测方 法。尽管许多研究者针对土体的累积变形进行了大量的室内及现场试验研究¨．3J，并提出了很多经验 公式，但该类方法缺乏明确的力学机理，参数确定具有较大的随意性，适用性较差。文献[4—5]基于临 界状态理论，考虑了初始围压、静偏应力比以及动应力比的综合影响，提出适用于软黏土的循环累积塑 性变形的修正经验公式，但毕竟还是属于经验公式范畴。而诸如套叠屈服面模型、边界面模型等复杂的 土体本构理论№。90，由于可考虑土体复杂的循环变形特性，可较为真实地反映循环荷载作用下土体变形 特征，模拟效果较好，正逐渐被用于预测土体在多次重复荷载作用下的累积变形问题。但这些模型由于 采用传统的小步长积分方法，需准确模拟每一个循环加卸载过程，导致计算工作量非常大，这对于高达 百万次以上循环加载计算显然是难以实现的¨¨11o。 为了克服以上模型存在的问题，一些研究者基于安定(shakedown)理论提出了新的理论模型用于模 拟循环加载，该类模型可采用较大的积分步长，计算效率很高，如Suiker【121提出的本构模型在模拟道渣 材料的累积塑性变形方面具有良好的精度，计算效率非常高。因此，为了合理、高效的模拟粉细砂材料 在循环荷载作用下的累积塑性变形问题，本文基于结构安定理论，综合考虑砂土材料的硬化规律及剪胀 收稿日期：2008-05．27 基金项目：国家自然科学基金项目；教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-04-0371) 作者简介：张宏博(19r77一)，男，山东金乡人，博士，讲师，主要从事土的本构理论、边坡加固、基础工程方面研究。 E—mail：zhanghongbo@sdu．edu．cn 一651— 万方数据 性特征…。1引，从材料的内在变形机理出发提出了一种双硬化“等效黏塑性”本构模型。室内动三轴试验 模拟结果表明，本文模型不仅可有效反映粉细砂材料累积塑性变形与动、静应力水平及加载次数的关 系，而且具有模拟精度高、计算速度快的特点，适用于砂性土在长期循环加载作用下的累积变形计算。 2考虑材料循环变形特征的等黏粘塑性本构理论框架 土体在承受往复荷载作用时，由于颗粒之间的错动和滑移，会造成局部区域产生不均匀沉降，材料 的密实度逐渐得到提高，强度增大，表