浅论饱和软粘土动力本构模型研究与地铁隧道长期振陷分析

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1、Y1031966申请同济大学工学博士学位论文饱和软粘土动力本构模型研究与地铁隧道长期振陷分析(国家自然科学基会项目NO．10272083资助)(教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCE’r．04．0371)(教育部高等学校博士点基金项目(20030247005)(上海市曙光计划项目NO．02SGl7资勘)培养单位：土木工程学院一级学科：土木工程二级学科：岩土工程研究生：刘明指导教师：黄茂松教授二Oo六年十月摘要伴随着地铁建设的迅猛发展，地铁运行荷载造成软土地基的长期沉降问题也引起了足够的重视，如何预测

2、沉降、有效合理地控制和减小沉降成为软土地区交通建设中亟待解决的一大技术难题。但从研究现状来看，研究多集中于地震荷载分析，对长时间施加的往复荷载以及饱和软土这种反应敏感的土类研究较少，目前还未发现有合适的本构模型能够同时考虑各向异性与循环荷载作用下的复杂的变形特征，也没有建立能用于工程应用的计算方法。因此本文以临界状态理论与边界面理论为出发点，较为系统地总结了上海淤泥质饱和软粘土的各向异性以及循环加载特性，提出了循环荷载下各向异性边界面模型和基于运动硬化准则的边界面模型，可更为合理的计算饱和软土的显著各

3、向异性以及动力特性，并建立了一个易于工程实现的预测方法来计算地铁隧道的长期沉降，从而为下一步探索控制和减少路基长期沉降的有效途径提供了可靠的理论依据和数值分析手段。因此，本课题具有重大的理论意义和工程实用价值。本课题取得了如下创新性的研究成果：1．鉴于以往试验研究大多不能反映土体实际固结状态，因此采用GDS土体多功能三轴试验机，对上海饱和淤泥质软粘土进行了一系列的偏压固结静力三轴压缩试验以及大数目循环次数的循环三轴试验，针对其在围压、动应力水平、排水条件影响下的变形规律进行了系统分析。试验表明，动应力

4、水平或围压水平越大，累积变形与孔压也越大；随着循环次数达到一定数目，软粘土的累积变形与孔压增长速度逐渐缓慢直至趋于稳定；部分排水条件下的累积变形高于不排水条件。2．基于边界面理论建立了循环荷载下的各向异性边界面模型，模型既可以反映各向异性的影响，又可以描述循环荷载条件下卸载再加载的弹塑性特性。该模型具有以下特点：其一，在修正剑桥模型屈服面中引入各向异性张量和形状参数，边界面形状灵活又可以反映初始各向异性的影响；其二，引入旋转硬化准则可较好考虑应力各向异性的影响；其三，引入运动的映射中心，将卸载再加载时

5、的映射中心改为卸载起始点，从而改变了传统边界面模型将映射中心固定在应力空间原点以及弹性卸载的概念，这样模型可以反映出卸载的弹塑性摘要特性，可得到循环荷载下的应力应变滞回圈。并在进行详细的参数分析的基础上，通过对多组试验结果进行数值模拟，表明本文模型具有较好的预测能力和较为广泛的适用性。3．鉴于简单的单面边界面模型模拟循环加载时得到的累积塑性变形过大，而运动硬化理论对循环特性有较好的描述能力，因此基于边界面理论与运动硬化理论建立了运动硬化边界面模型，该模型具有以下特点：在广义剑桥模型基础上再引入一形状相

6、似的屈服面，其内部为弹性域；引入运动硬化规则，屈服面遵从运动硬化规则在边界面内部运动，则可以反映应力应变之间的非线性与滞后特性及塑性应变引起的各向异性。并在进行详细的参数分析基础上，通过对已进行的室内试验结果以及一些国外学者所作的一些试验结果进行模拟，验证了模型的合理性以及有效性。4．为了能将本文提出的本构模型应用到实际工程计算中，提出了一个采用拟静力有限元计算和经验拟合计算模型相结合的实用方法来预测长期沉降，该方法具有以下特点：其一，对李进军(2005)以及黄茂松等(2006)提出的循环累积应变与累

7、积孔压的计算模型进行了改进，推导了本文所建立的各向异性边界面模型的不排水抗剪强度，从而使循环荷载累积变形与孔压的计算模型能考虑到各向异性的影响；其二，对本文所做的循环试验用计算模型进行了经验拟合，得到了适合于上海饱和淤泥质软粘土循环特性的参数；其三，采用有限元计算得到经验拟合计算模型所需的参数，简单实用。并进行了实际地铁运行沉降的计算，结果与监测资料相符。最后，关于进一步研究的方向进行了简要的讨论。关键词：饱和软粘土，循环荷载，长期沉降，室内试验，边界面理论，各向异性，运动硬化，数值模拟ⅡAbsWae

8、tABSTRACTWitharapiddevelopmentofsubwayconstruction,long-termsettlementsofsubsoilsinducedbytrafficloadinghavereceivedmuchattentionrecently．Predicting，controllingandreducingsettlementshavebeenagreatinteresttogeoteehnicalengineers．H