k0固结饱和粘土三轴循环应力应变响应弹塑性模拟及软粘土中管的轴向阻力研究

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1、K0固结饱和粘土三轴循环应力应变响应弹塑性模拟及软粘土中管的轴向阻力研究CyclicTriaxialStress-StrainResponseElasto-plasticSimulationfortheK0ConsolidatedSaturatedClaysandResearchontheAxialResistanceofPipeinSoftClay一级学科：土木工程学科专业：岩土工程研究生：杨召焕指导老师：王建华教授天津大学建筑工程学院二零一七年五月万方数据万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以

2、标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：导师签名：签

3、字日期：年月日签字日期：年月日万方数据万方数据摘要海洋平台及海底管线的稳定性和安全性问题直接影响油气能源的开采和运输。一个客观描述静力荷载和循环荷载共同作用下饱和软土力学特征的本构关系是利用有限元方法分析海洋平台基础稳定性的前提条件，而管与软土轴向稳定性则是保证管道运输功能的重要方面。为此，对Dafalias提出的边界面模型进行改进，使其描述静力荷载和循环荷载共同作用下饱和软土力学特征，并对管与软土之间的轴向摩擦特性进行了研究。本文在临界状态土力学和边界面塑性理论的框架内，对Dafalias提出的增量弹塑性边界面模型进行改进，使其能够考虑K0固结过程的影响，并描述加

4、载过程中各向异性的发展，旨在能够真实地反映静力荷载与循环荷载共同作用下K0固结饱和粘土的力学特性。详细介绍了模型所采用的边界面方程、硬化规律、流动法则和塑性模量插值函数，给出了三轴应力空间中的应力应变关系。模型采用的边界面方程中包含有反映描述各向异性发展的参量，通过该参量的初始值考虑初始固结条件对土体力学特性的影响，并且给出K0固结条件确定的参数值。利用该各向异性参量的旋转硬化规律描述加载过程中土体各向异性的发展。针对其他已有旋转硬化规律物理意义不完整、模型参数较多、引起边界面过度旋转等缺陷，将Dafalias提出的一种可以描述静力加载过程中各向异性发展的旋转硬化规

5、律推广至循环增量弹塑性模型中。对传统临界状态土力学中等向硬化规律进行修正以考虑循环加载时加载速率对土体力学响应的影响，克服了采用传统临界状态土力学中等向硬化规律无法考虑加载速率影响的弊端，显著改善模型预测土体循环荷载在作用下所表现出力学特性的能力，新引入的等向硬化修正参数可以通过不同循环加载速率的试验直接标定。给出一种基于试验结果确定弹性剪切模量和弹性体变模量的方法，通过对小应变范围内应力应变关系的拟合直接获得弹性剪切模量和弹性体变模量。传统临界状态土力学中基于固结—回弹曲线确定弹性模量的方法明显低估了土体受到循环荷载作用时的弹性模量，本文提出的弹性模量确定方法可以

6、有效地解决模量低估问题。万方数据给出一种可以同时描述循环稳定和循环失稳现象的塑性模量插值函数，并以累积塑性应变长度作为循环加载过程的宏观描述。该插值函数仅包含两个模型参数，均可通过常规三轴试验标定。通过开展一系列不同静偏应力和循环应力组合的三轴试验，建立参数与静偏应力水平和循环应力水平之间的关系，并通过不同围压下的K0固结粘土循环三轴试验验证了两参数标定方法的合理性及模型的有效性。对已有文献中的试验数据进行了预测，验证了模型预测偏压固结和等压固结饱和粘土受到循环荷载作用时力学特性的能力。为了定量地评价管与软土之间的轴向摩擦特性并为管线设计提供依据，开展了近30组足尺

7、PE涂层管线与软土之间轴向摩擦室内模型试验，研究了管与软土之间的轴向摩擦特性与管线埋深、管径、软土的不排水抗剪强度、加载速率等因素之间的关系，并初步讨论了半埋入管的摩擦特性。试验结果表明，管与软粘土的轴向阻力—位移曲线主要包括硬化型和软化型两种类型。轴向阻力—位移曲线的形式与土层的不排水抗剪强度有关，而与静置时间、加载速率、埋置深度等因素无关。总结了海底管线轴向稳定分析的方法，利用总应力方法和有效应力方法对试验结果进行分析，研究了粘聚系数和摩擦系数随粘土不排水抗剪强度、管径、埋深、加载速率等因素的影响。分析结果表明，粘聚系数随着管道埋深的增加逐渐变大；不排水抗剪