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1、岩土工程界第11卷第11期检测与分析加载波形对粉质粘土塑性变形影响的数值分析1钟勇强(1.淮阴工学院交通工程系)摘要利用建立的三维有限元模型,在动三轴试验验证的基础上,用数值分析的方法研究了不同加载波形对粉质粘土塑性变形的影响。关键词粉质粘土动三轴加载波形塑性变形数值分析土在循环荷载作用下塑性变形的主要影响因素[1]2有限元模型的建立可归纳为两类,一类是土的物理参数,即内因因素;另一类是外因因素,即动应力幅值、围压、频率、根据动三轴试验土样击实成型试件建立直径为加载波形等。本文主要采用数值分析的方法对不同70mm,高度为140mm的圆柱体三维有限元模型如加载波形作用下粉
2、质粘土的塑性变形规律进行研图2所示。定义土的材料属性中密度为-3究。1.96g#cm,杨氏模量为18MPa,泊松比为0.35,-7渗透系数110emm/s,孔隙率为0.3,内摩擦角1动三轴试验34b,膨胀角0b,固结不排水。因为内摩擦角大于试验采用的土样是长春市卫星路取土场的中液22b,Drucker-Prager模型不能很好逼近Mohr-限粉质粘土,基本物理力学参数见表1。Coulomb模型,故采用土的Mohr-Coulomb模型模[3]拟。所施加轴向荷载为正弦波形且考虑土样自表1试验粉质粘土物理力学指标重,频率为1Hz,即q(t)=0.5qd+0.5qdsin2Pt
3、,其密度Q/最佳含水液限塑限塑性指粘聚力内摩擦g#cm-3量X/%XL/%XP/%数Ipc/kPa角U/b中q(t)为任意t时刻的轴向动荷载值。侧面受围压1.96213422.411.64734R3的作用,底面边界条件指定为ENCASTRE(U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0)完全地约束底本文试验土样直径为70mm,高度为140mm[4]面,在单元类型中选择四面体单元C3D8RP,共划圆柱体击实成型试件(图1)。试样等压固结后,在分975个结点,742个单元。不排水条件下先施加大小为0.5qd静荷载然后施加正弦波荷载,振幅0.5qd,频率为1Hz。试验仪器为日
4、本DTC-306型多功能电液伺服动态三轴仪,采用应力控制方式。一台WX2400X)Y绘图仪用[2]于记录试验数据,选用应变5%为破坏标准图2三维有限元模型将数值模拟和试验的塑性变形进行对比分析如图3所示,试验和模拟的每一组数据中,塑性变形随循环次数的变化趋势非常一致,经过列表统计分图1动三轴试验现场及土样析,累积塑性变形模拟值与实验值间的百分比误差1收稿日期22008-06-2259检测与分析GEOTECHNICALENGINEERINGWORLDVOL111No111图3模拟和试验塑性变形的比较最大为16.30%,在有限元允许误差20%以内,最小(2)三角形波作用下塑
5、性变形:图6中三角形的仅为0.19%,很好的满足了精度要求,可以用数荷载的周期也为1s,0~0.5s时间内线性加载到应值模拟的方法来研究粉质粘土的塑性变形。力幅值,0.5~1s时间内减到0,以后的每个周期都是如此。图7所示的三角形波作用下塑性变形规律3不同加载波形对粉质粘土塑性变形的影响和正弦波基本相同,数值上有所差异。(1)正弦波作用下塑性变形:图4为正弦波循环荷载示意,所加荷载幅值为580kPa。从图5正弦波作用下上表面中心点处竖向位移(U3)-时间(t)关系中可以看出土的变形累积特性,在周期性荷载的作用下,每经过一次循环回到初始位置便产生一定的塑性变形,土体塑性变
6、形不断累积,表现出土的循环活动性。加载的初期,土样的变形发展较快,但是当加载周数到一定的次数时,土样变形逐渐缓慢,土体达到一种振稳状态。(3)矩形波作用下塑性变形:图8中矩形荷载的周期为1s,0~0.5s时间内以恒定的等应力幅值加载,0.5~1s时间内不加载,以后的每次循环都是如此。图9所示矩形波作用下上表面中心点处位移-时间变形曲线呈锯齿型,而不像正弦波和三角形波那样光滑,这与应力的加载形式有关。(4)三种波形荷载作用下塑性变形的比较:加载波形分别为矩形、三角形、正弦波形时,不同波形对塑性变形的影响是不同的。从图10和图11中我们可以看出,矩形波作用下的塑性变形要大于
7、正弦波同时也大于三角形波,而三角形波和正弦波作用60岩土工程界第11卷第11期检测与分析图11不同波形作用下塑性变形与循环次数关系曲线4结论借助动三轴试验有关数据和数值分析方法,建立了三维有限元分析模型,分析了粉质粘土在循环下的塑性变形十分接近。由此可见,不同波形对塑荷载作用下的塑性变形特性。不同波形对塑性变形性变形的影响取决于荷载最大值时历时的长短。矩的影响是不同的。矩形波作用下的塑性变形要大于形波每个周期内在最大值处停留的时间最长,故塑正弦波同时也大于三角形波,而三角形波和正弦波性变形最大;三角形波和正弦波加载波形接近,故变作用下的塑
