饱和软粘土动力本构模型研究与地铁隧道长期振陷分析

论文摘要

伴随着地铁建设的迅猛发展，地铁运行荷载造成软土地基的长期沉降问题也引起了足够的重视，如何预测沉降、有效合理地控制和减小沉降成为软土地区交通建设中亟待解决的一大技术难题。但从研究现状来看，研究多集中于地震荷载分析，对长时间施加的往复荷载以及饱和软土这种反应敏感的土类研究较少，目前还未发现有合适的本构模型能够同时考虑各向异性与循环荷载作用下的复杂的变形特征，也没有建立能用于工程应用的计算方法。因此本文以临界状态理论与边界面理论为出发点，较为系统地总结了上海淤泥质饱和软粘土的各向异性以及循环加载特性，提出了循环荷载下各向异性边界面模型和基于运动硬化准则的边界面模型，可更为合理的计算饱和软土的显著各向异性以及动力特性，并建立了一个易于工程实现的预测方法来计算地铁隧道的长期沉降，从而为下一步探索控制和减少路基长期沉降的有效途径提供了可靠的理论依据和数值分析手段。因此，本课题具有重大的理论意义和工程实用价值。 本课题取得了如下创新性的研究成果： 1．鉴于以往试验研究大多不能反映土体实际固结状态，因此采用GDS土体多功能三轴试验机，对上海饱和淤泥质软粘土进行了一系列的偏压固结静力三轴压缩试验以及大数目循环次数的循环三轴试验，针对其在围压、动应力水平、排水条件影响下的变形规律进行了系统分析。试验表明，动应力水平或围压水平越大，累积变形与孔压也越大；随着循环次数达到一定数目，软粘土的累积变形与孔压增长速度逐渐缓慢直至趋于稳定；部分排水条件下的累积变形高于不排水条件。 2．基于边界面理论建立了循环荷载下的各向异性边界面模型，模型既可以反映各向异性的影响，又可以描述循环荷载条件下卸载再加载的弹塑性特性。该模型具有以下特点：其一，在修正剑桥模型屈服面中引入各向异性张量和形状参数，边界面形状灵活又可以反映初始各向异性的影响；其二，引入旋转硬化准则可较好考虑应力各向异性的影响；其三，引入运动的映射中心，将卸载再加载时的映射中心改为卸载起始点，从而改变了传统边界面模型将映射中心固定在应力空间原点以及弹性卸载的概念，这样模型可以反映出卸载的弹塑性

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 饱和软粘土变形特性的研究现状
• 1.2.1 饱和软粘土在静荷载作用下的变形特性
• 1.2.2 饱和软粘土在动荷载作用下的变形特性
• 1.3 循环荷载下饱和软粘土变形特性的研究现状
• 1.3.1 循环荷载作用下软土变形特性的试验研究
• 1.3.2 循环荷载作用下土体本构模型研究
• 1.3.3 循环荷载作用下软土地基长期沉降的计算方法研究
• 1.4 研究目的和主要内容
• 1.4.1 研究目的
• 1.4.2 研究方法和研究内容
• 第2章 临界状态土力学与修正剑桥模型
• 2.1 引言
• 2.2 临界状态理论
• 2.2.1 状态边界面的提出
• 2.2.2 临界状态理论
• 2.2.3 剑桥模型与修正剑桥模型
• 2.3 修正剑桥模型的数值积分格式
• 2.3.1 三维应力条件下本构方程的数值积分
• 2.3.2 三轴试验条件下本构方程的数值积分
• 2.4 临界状态模型的缺陷
• 2.5 修正剑桥模型的一些扩展形式
• 2.5.1 边界面模型（单面模型）
• 2.5.2 基于旋转硬化准则的各向异性边界面模型
• 2.5.3 基于运动硬化准则的边界面模型（两面或三面模型）
• 2.6 小结
• 第3章 饱和软粘土的循环三轴试验研究
• 3.1 引言
• 3.2.1 国外循环荷载试验研究
• 3.2.2 国内循环荷载试验研究
• 3.3 试验装置与方法
• 3.3.1 试验装置
• 3.3.2 试样制备
• 3.3.3 试验方案的确定
• 3.3.4 试验步骤
• 3.4 试验结果分析
• 3.4.1 偏压固结不排水三轴试验
• 3.4.2 不排水循环三轴试验（偏压固结）
• 3.4.3 部分排水循环三轴试验（偏压固结）
• 3.5 小结
• 第4章 循环荷载下粘土的各向异性边界面模型
• 4.1 引言
• 4.2 边界面理论
• 4.2.1 单面边界面模型（Dafalias和Hermann，1982）
• 4.2.2 单面边界面模型的评价
• 4.2.3 边界面模型的扩展
• 4.3 循环荷载下粘土的各向异性边界面模型
• 4.3.1 本构理论
• 4.3.2 三轴试验条件下本构方程的数值积分形式
• 4.3.3 模型评价
• 4.3.4 参数标定
• 4.3.5 模型验证
• 4.4 小结
• 第5章 基于运动硬化准则的边界面模型
• 5.1 引言
• 5.2 运动硬化理论
• 5.2.1 硬化规律简述
• 5.2.2 几种常用的运动硬化准则
• 5.2.2 几种常用的运动硬化准则
• 5.2.3 基于运动硬化理论的本构模型介绍
• 5.3 基于运动硬化准则的边界面模型
• 5.3.1 本构理论
• 5.3.2 循环过程的模拟
• 5.3.3 三轴试验条件下本构模型的数值积分形式
• 5.3.4 模型评价
• 5.3.5 参数标定
• 5.3.6 模型验证
• 5.4 小结
• 第6章 地铁运行荷载下软土地基长期沉降分析
• 6.1 引言
• 6.2 软土地基长期沉降的实用计算方法
• 6.2.1 计算方法与步骤
• 6.2.2 循环累积变形与累积孔压计算模型的建立
• 6.2.3 地铁荷载下软土地基的长期沉降
• 6.3 小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 本文工作总结
• 7.2 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果