非共軸本構模型的數值應用及離心機試驗研究.pdf

1、在許多實際巖土工程問題中，例如基坑開挖、淺基礎地基承載力與變形特性、地震或波浪荷載對海床的作用等，主應力方向的旋轉所引起的初始主應力狀態(tài)的改變是不容忽視的。在主應力方向的旋轉過程中，主應力方向與塑性主應變增量方向的旋轉變化趨勢不是一致的，即存在著非共軸現象。對于非共軸現象的描述及分析是當前土力學研究中的熱點問題之一。采用合理的本構模型對非共軸現象及其影響進行研究，通過離心機試驗結果對非共軸模型的數值計算結果的合理性進行驗證，能夠完善傳統(tǒng)

2、的巖土材料彈塑性本構模型，也能夠為重大工程結構和地基設計提供依據，具有重要的理論價值和實際工程意義。
　　本文圍繞著非共軸現象及其對應力-應變關系的影響進行了系統(tǒng)的研究，通過砂土單剪試驗的數值模擬研究了非共軸現象及其影響因素，針對淺基礎地基承載力與變形特性進行數值計算分析和離心機模型試驗研究，通過離心機試驗結果對非共軸模型計算結果的合理性進行了驗證。主要研究內容和結論如下:
　　1.將角點結構非共軸理論應用到傳統(tǒng)彈塑性共軸本

3、構模型中，建立了一種非共軸本構模型。對砂土單剪試驗進行有限元數值模擬，研究了非共軸現象及其對應力-應變關系的影響。研究結果表明:非共軸模型得到的主應力方向和塑性主應變增量方向在剪切變形的初期是不重合的，隨著剪切變形的深入發(fā)展，兩者逐漸趨于一致。非共軸現象對應力-應變關系具有“軟化”作用，即非共軸模型計算得到的剪應力比的增長速度滯后于共軸模型計算結果的增長速度。與理想彈塑性情況下的計算結果相比，非共軸現象對應力-應變關系的影響在應變硬化情

4、況下更加明顯。當采用應力峰值作為密砂的抗剪強度時，需要考慮非共軸模型與共軸模型計算結果之間的差異;當采用臨界狀態(tài)的殘余強度作為抗剪強度時，非共軸模型與共軸模型計算結果之間沒有差異。靜止側壓力系數、豎向應力和流動法則等因素對非共軸現象具有顯著的影響。
　　2.在理想彈塑性、應變硬化和應變軟化情況下，采用共軸和非共軸模型對淺基礎地基荷載-變形問題進行數值分析，研究了非共軸現象對地基荷載-位移關系的影響。研究結果表明:非共軸現象對地基荷

5、載-位移曲線具有“軟化”作用，即非共軸模型得到的地基荷載的增長速度要滯后于共軸模型計算結果的增長速度。隨著淺基礎下方土體單元水平位置的增加，主應力方向的旋轉越來越顯著，非共軸現象也越來越明顯。非共軸現象在淺基礎邊緣下方深度較淺處比較明顯。與理想彈塑性情況下的計算結果相對比，非共軸現象對地基荷載-位移關系的影響在應變硬化和應變軟化情況下更加明顯，在應變硬化和軟化模型的基礎上考慮非共軸現象的影響具有實際意義。研究非共軸現象對數值計算結果的影

6、響時，需要考慮基礎形式、基礎埋深和偏心距的變化。
　　3.對淺基礎地基承載力與變形特性進行了離心機模型試驗研究，分析了地基荷載-沉降關系的特點、地基承載力系數Nr與基礎寬度的關系、以及基礎尺寸效應。研究結果表明:對于中密砂地基而言，試驗所得到的地基豎向荷載-位移關系曲線沒有顯著的拐點或曲線斜率突變階段;隨著豎向位移的增加，豎向荷載-位移曲線的初始斜率隨著基礎寬度的增加而增加;將確定地基承載力特征值fak時所采用的V/D提高到0.0

7、15～0.05時，試驗結果與理論公式的結果比較接近;基礎尺寸效應在基礎沉降較大時比較明顯，試驗所得到的Nr與理論公式結果比較接近;當基礎沉降較小時，基礎尺寸效應不明顯，試驗所得到的Nr低于理論公式結果。對于密砂地基而言，離心機試驗得到的豎向荷載-位移關系曲線具有明顯的拐點;地基承載力隨著基礎寬度的增加而增加;地基承載力隨著基礎埋深的增加而增加，該結論在基礎寬度較小時比較明顯;達到地基承載力時的基礎沉降δ對于Nq的影響不明顯，δ對Nr的影

8、響比較明顯，考慮δ時的Nr低于不考慮δ時的Nr;基礎形式的變化對Nr的影響比較明顯，其對Nq的影響不明顯。與方形淺基礎的試驗結果相比，圓形淺基礎試驗結果中的基礎尺寸效應更加明顯。
　　4.對淺基礎離心機試驗進行數值模擬，將數值計算結果與試驗結果進行對比分析。從地基荷載-位移關系和地基承載力兩個方面，驗證了非共軸模型計算結果的合理性。研究結果表明:當基礎沉降較小時，數值計算得到的豎向荷載-位移關系曲線的斜率大于離心機試驗結果的斜率，