循环荷载作用下软基上大圆筒结构弹塑性有效应力分析

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1、水利学报年月第卷第期文章编号循环荷载作用下软基上大圆筒结构弹塑性有效应力分析范庆来栾茂田倪宏革鲁东大学岩土工程重点实验室山东烟台大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室辽宁大连摘要采用隐式积分算法将改进的剑桥弹塑性动力本构模型引入大型通用有限元软件对循环荷载作用下软土地基与大圆筒结构耦合系统的失稳破坏机理进行了探讨与前人的循环三轴试验结果比较表明该模型可以合理的模拟软黏土在循环荷载作用下的变形孔压累积效应进而基于忽略土骨架和孔隙水惯性效应的广义固结理论的简化形式建立软基上大圆筒结构的有效应力分析模型探讨不同幅

2、值循环荷载作用下结构的不同变形模式以及失稳机理计算结果表明当循环荷载幅值较大时大圆筒结构与地基耦合系统的瞬时位移较大而残余变形相对较小而当循环荷载幅值较小时大圆筒结构与地基耦合系统的残余位移相对较大关键词大圆筒结构软土地基改进剑桥动力本构模型波浪循环荷载有效应力分析隐式积分算法中图分类号文献标识码研究背景在港口近海以及海洋工程领域深埋式大圆筒码头防波堤与筒型基础平台等结构通常应用于软土地基通过结构与地基的嵌固作用维持稳定性在波浪循环荷载的长期作用下大圆筒结构与软基耦合体系的失稳破坏机理以及变形模式非常复杂目前

3、尚缺乏比较合理的计算与分析方法范期锦等根据长江口二期北导堤工程试验段的现场勘察以及室内试验结果认为地基土在波浪荷载作用下的强度软化是导致该类结构沉陷与破坏的主要原因刘海笑等通过波浪水槽试验探讨大圆筒结构的失稳机理认为结构失稳的主要原因是波浪导致的地基土体的强度软化以及不可逆塑性变形的累积并将改进模型引入等效线性化算法进行了地基结构耦合系统的动力有限元分析等采用离散的弹簧阻尼体系模拟地基土对大圆筒结构的作用效应并采用双曲线模型考虑土的动力非线性性质通过数值计算探讨了圆筒直径埋深等因素对大圆筒式结构动力响应的影响

4、但是以上方法都是基于总应力形式的非线性计算方法不能很好的考虑软黏土在循环荷载作用下的弹塑性变形孔压累积效应从而不能得到合理的大圆筒结构的失稳机理与位移模式根据等等的研究对于工程上一般所遇到的海洋土力学问题是可以不考虑广义固结方程中的固相与液相的加速度项将问题简化为拟静力固结问题因此本文作者基于忽略土骨架和孔隙水惯性效应的广义固结理论的简化形式采用等建议的改进剑桥动力本构模型对于软基上大圆筒结构物开展了有效应力分析通过以上研究可以看出海洋软黏土在长期循环荷载作用下的变形与强度特性对于软土地基上深埋式大圆筒结构的

5、稳定性有着重要影响国内外学者已经提出了很多关于软黏土在循环荷载作用下的动力弹塑性本构模型其中等在修正剑桥本构模型基础上进行了改进使之可以收稿日期基金项目国家自然科学基金资助项目国家自然科学基金重点项目鲁东大学博士科研启动基金作者简介范庆来男山东栖霞人博士讲师主要从事岩土力学基本理论与数值分析海洋土力学等方面研究比较合理的考虑软黏土在循环荷载作用下的力学响应而且确定本构模型所需要的参数较少物理意义比较明确因此本文在大型通用有限元软件平台上通过接口的二次开发采用隐式积分算法将等提出的改进剑桥本构模型引入该软件中为

6、了验证所采用的本构隐式积分算法的合理性本文对等的应变控制循环三轴试验进行了数值模拟所得计算结果与试验结果比较吻合进而建立了软基上深埋式大圆筒结构的有效应力弹塑性计算模型探讨了不同幅值循环荷载作用下大圆筒结构的变形模式与失稳机理以及软土地基中的超孔压分布本构模型简述修正剑桥模型是土力学中比较成熟而且应用较为广泛的弹塑性本构模型在工程实践中已积累了一定的使用经验但是该模型不能模拟软黏土在循环荷载作用下的变形与强度特性等对此进行了改进提出了适合于循环加载应力路径下的改进剑桥本构模型在该模型中初始屈服面形状与修正剑桥

7、本构模型相同?其中分别为平均应力和广义剪应力为临界状态线在平面上投影直线的斜率为前期固结压力可以作为修正剑桥模型的硬化参数当应力点位于初始屈服面上时其硬化准则和流动法则分别为其中?为土的孔隙比与分别为土的压缩指数和膨胀指数分别是前期固结压力塑性体积应变对时间的变化率为非负的塑性乘子为了反映循环加载条件下应力路径的影响假定在初始屈服面内部存在着一个加载面等后来又把这个加载面称为次屈服面加载面形状与初始屈服面形状相似如图所示其大小可以由加载面在轴的截距确定?假定当应力路径如图中的所示时即处于弹性卸载状态初始屈服面

8、发生收缩即图改进剑桥动力本构模型其中为超固结比退化系数其具体确定方法参见文献而当应力路径如所示时即处于弹性加载状态初始屈服面大小不变改进剑桥动力本构模型的弹性参数体积模量和剪切模量依赖于当前的应力状态可表示为其中为土的泊松比由上述分析可见确定等提出的改进剑桥动力本构模型所需要的参数较少在常规修正剑桥模型参数和基础上仅需要一个动力退化系数物理意义比较明确便于实用等采用该模型进行土结构动力相互作用分析并