本文關(guān)鍵詞：波浪荷載引起主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)下砂土剪切特性的試驗和模型研究　出處：《大連理工大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：波浪荷載是海洋工程中最為重要的荷載之一,波浪的周期性運動會在海床表面形成循環(huán)往復(fù)的波壓力。在波壓力作用下海床中一點土體單元上的正應(yīng)力與剪應(yīng)力均在循環(huán)變化,這就使得主應(yīng)力軸發(fā)生了持續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。經(jīng)典塑性力學(xué)認(rèn)為,當(dāng)主應(yīng)力軸方向旋轉(zhuǎn)而主應(yīng)力的大小保持不變時屬于中性變載,不會產(chǎn)生塑性應(yīng)變。然而大量相關(guān)試驗研究表明主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)會對土體的變形、強度以及孔壓產(chǎn)生重要的影響,由主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)效應(yīng)引發(fā)的海床失穩(wěn)已成為某些海洋工程失事的重要原因之一。因此針對由波浪荷載引起的主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)對砂土剪切特性的影響,開展相應(yīng)的試驗研究和模型分析具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。目前有關(guān)波浪荷載引起的主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的試驗研究多集中于圓形應(yīng)力路徑下的循環(huán)主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)試驗,相關(guān)依據(jù)為當(dāng)采用無限厚度海床動力響應(yīng)的解析解計算時,所得到的由波浪荷載引起的軸向偏差應(yīng)力(σ'-σx')/2的幅值與剪應(yīng)力τzx的幅值相等且相位差為900。但通常情況下海床為有限厚度,而以往研究表明海床的厚度對海床的動力響應(yīng)影響較大,因此波浪荷載作用下有限厚度海床內(nèi)土體單元上的應(yīng)力路徑也應(yīng)不同于無限厚度海床條件下的圓形應(yīng)力路徑,但目前針對有限厚度海床內(nèi)土體單元上的應(yīng)力狀態(tài)所進行的試驗研究還相對較少。此外剪脹性是砂土的一個重要材料特性,考慮狀態(tài)依賴性的剪脹理論雖然可以較好地反映砂土的剪脹特性,但在目前所提出的考慮狀態(tài)依賴性的砂土彈塑性本構(gòu)模型中,很少可以同時考慮主應(yīng)力軸方向效應(yīng)。本文圍繞波浪荷載引起的主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)對砂土剪切特性的影響,并結(jié)合砂性土自身工程特性,開展了一系列的試驗和本構(gòu)模型研究工作。論文的研究成果一方面克服了傳統(tǒng)圓形應(yīng)力路徑下砂土動強度特性難以直接用于分析有限厚度海床穩(wěn)定性的不足,另一方面也為分析由主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)引起的砂土變形問題提供了一種可能的方法。本文主要研究內(nèi)容和成果如下：(1)證明了在線性規(guī)則波浪引起的主應(yīng)力軸循環(huán)旋轉(zhuǎn)下,有限厚度彈性海床內(nèi)一點土體單元上的應(yīng)力路徑在[(σz'-σx')/2,τzx]平面上應(yīng)為非標(biāo)準(zhǔn)橢圓形而不是圓形或標(biāo)準(zhǔn)橢圓形,并推導(dǎo)得出了決定該非標(biāo)準(zhǔn)橢圓形應(yīng)力路徑大小和形狀的3個特征參數(shù),即軸向偏差應(yīng)力幅值、剪應(yīng)力幅值以及初始相位差。(2)基于非標(biāo)準(zhǔn)橢圓形應(yīng)力路徑下的不排水循環(huán)主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)試驗,分別研究了軸向偏差應(yīng)力幅值、剪應(yīng)力幅值以及初始相位差對砂土動強度的影響。研究表明：隨著初始相位差的增大,砂土破壞周次的對數(shù)呈線性減小；同時由于初始相位差的存在,使得在相同破壞周次下,由非標(biāo)準(zhǔn)橢圓形應(yīng)力路徑下的循環(huán)主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)試驗得到的砂土動強度可能會高于由循環(huán)三軸試驗和循環(huán)扭剪試驗得到的動強度。(3)基于非標(biāo)準(zhǔn)與標(biāo)準(zhǔn)橢圓形應(yīng)力路徑下砂土動強度關(guān)系,以及一系列標(biāo)準(zhǔn)橢圓應(yīng)力路徑下的循環(huán)主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)試驗,歸納總結(jié)了非標(biāo)準(zhǔn)橢圓形應(yīng)力路徑的特征參數(shù)同破壞周次的函數(shù)關(guān)系表達式,并以此為基礎(chǔ)提出了一種量化非標(biāo)準(zhǔn)橢圓形應(yīng)力路徑下砂土動強度的方法。(4)通過一系列固定主應(yīng)力軸方向的不排水單調(diào)剪切試驗,研究了主應(yīng)力軸方向?qū)ι巴良裘浶缘挠绊?并結(jié)合考慮狀態(tài)依賴性的砂土剪脹理論,提出了一個含有主應(yīng)力軸方向的狀態(tài)參量。利用所提出的狀態(tài)參量模擬了多組不同試驗條件下的固定主應(yīng)力軸方向的單調(diào)剪切試驗,驗證了該狀態(tài)參量的引入可以較好地反映出主應(yīng)力軸方向?qū)ι巴良羟刑匦缘挠绊憽?5)基于廣義塑性力學(xué)理論,將主應(yīng)力軸方向和狀態(tài)參量作為獨立變量,建立了一個可以同時考慮主應(yīng)力軸方向效應(yīng)和狀態(tài)依賴性的砂土彈塑性本構(gòu)模型,并提供了模型參數(shù)的標(biāo)定方法。該模型不但可以較好地模擬由主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)引起的砂土變形,同時也克服了一般的本構(gòu)模型在模擬處于不同初始相對密實度或不同初始圍壓的同一砂土?xí)r需要采用不同模型參數(shù)的不足。通過對多種不同類型的靜力和動力試驗的模擬驗證了模型的有效性和準(zhǔn)確性。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：P75;P731.2

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本文編號：1312637