本文關(guān)鍵詞：軟土不排水循環(huán)彈塑性本構(gòu)關(guān)系及其在海洋錨固基礎(chǔ)變形分析中的應(yīng)用　出處：《天津大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：許多海洋錨固基礎(chǔ),如吸力錨、法向承力錨和大直徑筒形基礎(chǔ)等,不僅遭受來自上部結(jié)構(gòu)的工作荷載,還遭受來自波浪的循環(huán)荷載。分析海洋基礎(chǔ)在這些荷載下的變形過程及承載力對海洋基礎(chǔ)的穩(wěn)定性評價尤為重要。為此本文建立了軟土的不排水循環(huán)彈塑性本構(gòu)關(guān)系,并將其應(yīng)用于海洋錨固基礎(chǔ)的變形分析。以Mises屈服準(zhǔn)則構(gòu)建邊界約束面方程,利用硬化模量插值方法及映射中心移動方法,在偏應(yīng)力空間中構(gòu)建硬化模量場,建立了一個總應(yīng)力形式的增量彈塑性邊界面模型。該模型依據(jù)徑向映射法則建立彈塑性模量插值函數(shù),并認(rèn)為加卸載過程中映射中心隨加卸載路徑變化而不斷移動,通過彈塑性模量的插值及映射中心的移動,使得硬化模量場的演化規(guī)律表述簡單,跟蹤循環(huán)應(yīng)力路徑所需記憶的參數(shù)較少。另外,模型通過在彈塑性模量插值函數(shù)中引入反映剪應(yīng)變累積速率和大小的參數(shù)控制累積剪應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律,不僅可描述循環(huán)加載時應(yīng)力應(yīng)變曲線的非線性、滯回性、應(yīng)變累積性等基本特性,還可預(yù)測不同初始應(yīng)力水平、循環(huán)應(yīng)力水平下土單元的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)。進一步,闡述了利用循環(huán)三軸壓縮試驗確定模型參數(shù)的方法,開展了不同靜應(yīng)力比,循環(huán)應(yīng)力比下的循環(huán)三軸拉伸、循環(huán)扭剪試驗,用三軸壓縮試驗確定的模型參數(shù)預(yù)測循環(huán)三軸拉伸及循環(huán)扭剪試驗結(jié)果,通過預(yù)測結(jié)果與試驗結(jié)果的對比,驗證了模型對不同應(yīng)力狀態(tài)的適用性。編制所建循環(huán)彈塑性本構(gòu)模型的UMAT子程序,將其嵌入有限元軟件ABAQUS。依據(jù)所建本構(gòu)模型的特點,形成了基于該模型的彈塑性應(yīng)力狀態(tài)確定方法。采用子增量顯示歐拉算法確定每次迭代計算后的彈塑性應(yīng)力狀態(tài),通過在子程序中設(shè)置與當(dāng)前應(yīng)力點彈塑性模量相關(guān)的狀態(tài)變量來更新每個迭代步的彈塑性矩陣;采用徑向返回方法把超越邊界面的應(yīng)力狀態(tài)修正到邊界面上,確保任意時刻計算后的應(yīng)力狀態(tài)始終落在邊界面內(nèi)或者邊界面上;建立了應(yīng)力反向判斷方法,即依據(jù)偏應(yīng)力增量與邊界面上像應(yīng)力點處的外法線向量之間的夾角判斷應(yīng)力反向,進而更新映射中心,確定應(yīng)力反向后的應(yīng)力狀態(tài)。通過聯(lián)合UMAT子程序與ABAQUS增量求解主程序的功能,形成了計算軟土不排水循環(huán)變形時程的增量彈塑性有限元方法。進一步,利用該有限元算法對循環(huán)三軸及循環(huán)扭剪試驗兩種簡單的邊值問題進行預(yù)測,通過有限元預(yù)測結(jié)果與用本構(gòu)模型編制的單元預(yù)測程序計算結(jié)果的比較,初步驗證形成的增量彈塑性有限元算法的正確性。開展了吸力錨在最佳系泊點受平均荷載與循環(huán)荷載共同作用的1g模型試驗。在強度均勻和強度沿深度線性變化的土層中,開展了吸力錨的靜力加載試驗、平均荷載與等幅循環(huán)荷載共同作用以及平均荷載與變幅循環(huán)荷載共同作用下的吸力錨模型試驗。研究了不同試驗條件下錨的變形過程、破壞模式、承載力特性及孔壓發(fā)展規(guī)律。試驗發(fā)現(xiàn),在循環(huán)荷載作用下,錨均因發(fā)生過大的系泊向累積位移而破壞,當(dāng)無豎向附加荷重時,無論等幅還是變幅加載,錨的豎向累積位移均大于水平累積位移,在等幅加載下表現(xiàn)為典型的豎向破壞模式,在變幅加載下表現(xiàn)為偏于豎向破壞的中間破壞模式;當(dāng)在豎向施加0.3kN的附加荷重時,錨在循環(huán)荷載作用下表現(xiàn)為典型的水平破壞模式。與靜力加載相比,循環(huán)加載時錨的運動方向角明顯增大,豎向運動增強,甚至發(fā)生破壞模式的轉(zhuǎn)變,分析錨底和錨側(cè)被動區(qū)測點處孔壓的變化規(guī)律可知,這可能是由于孔壓累積導(dǎo)致豎向承載力的減弱比水平承載力更為顯著所致。利用建立的增量彈塑性有限元方法對吸力錨的模型試驗進行數(shù)值分析,通過數(shù)值分析結(jié)果與模型試驗結(jié)果的對比,驗證了有限元分析方法的可行性。建立了均勻土層和分層土中吸力錨的三維有限元計算模型,對吸力錨在等幅循環(huán)荷載以及變幅循環(huán)荷載作用下的變形過程進行模擬分析。進一步,將有限元分析結(jié)果與模型試驗結(jié)果進行比較,驗證了有限元分析方法的可行性。對比結(jié)果顯示,在不同的加載條件下,有限元算法得到的錨沿系泊方向的位移時程曲線,錨系泊點沿水平方向、豎直方向累積位移的預(yù)測結(jié)果與模型試驗結(jié)果基本一致;錨破壞時的變形情況,破壞模式及循環(huán)破壞次數(shù)也與試驗結(jié)果基本一致。表明建立的增量彈塑性有限元算法可以在一定程度上評價靜荷載與循環(huán)荷載共同作用下吸力錨基礎(chǔ)的變形失穩(wěn)過程,還可以依據(jù)適當(dāng)?shù)奈灰破茐臉?biāo)準(zhǔn)確定錨的循環(huán)承載力。另外,還利用建立的彈塑性有限元算法對法向承力錨和吸力沉箱基礎(chǔ)的循環(huán)失穩(wěn)過程進行了數(shù)值分析,驗證了該方法對不同結(jié)構(gòu)形式海洋錨固基礎(chǔ)的普遍適用性。
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：P75

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