砂土液化后大变形的物理机制与本构模型研究

论文题目: 砂土液化后大变形的物理机制与本构模型研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 土木工程

作者: 王刚

导师: 张建民

关键词: 饱和砂土,液化后大变形,物理机制,本构模型,数值模拟

文献来源: 清华大学

发表年度: 2005

论文摘要: 饱和土体震动液化后大变形的预测是已得到广泛重视但是仍然没有解决好的热点与难点研究课题。本文在前人研究成果的基础上,较为系统地总结了饱和砂土液化后大变形的基本规律,从物理机制、本构建模、数值实现到工程应用探索了一条定量评价饱和砂土液化后大变形的合理途径。本文取得的主要新成果有:(1)提出了饱和砂土零和非零有效应力状态的体变界限条件,给出了饱和砂土液化后三个体变分量(压缩体变分量、可逆性和不可逆性剪切体变分量)组合变化的规律,揭示了饱和砂土液化后大变形的物理机制,指出是三个体变分量的组合变化规律决定了饱和砂土液化后大变形(大剪切变形、大再固结体变和流滑)的发展。(2)建立了一个物理概念明确的饱和砂土的弹塑性循环本构模型。该模型最突出的优点是:①不需要引入额外的假定和参数,仅通过对剪切引起的可逆性与不可逆性剪切体变分量的描述,就既可以合理地模拟饱和砂土液化后不排水循环剪应变的发展过程,又可以合理地模拟液化后排水再固结体变的累积过程;②从机理上反映了饱和砂土的残余体积应变与残余剪应变间的相互影响。(3)基于弹性预测-塑性返回的隐式积分算法的基本框架,针对所提出的弹塑性循环本构模型的具体特点,发展了实用的本构模型应力积分算法。该算法适用于任意排水条件,可有效地计算出液化后间歇性出现的零有效应力状态时的大变形,具有较好的稳定性。(4)对著名的VELACS研究项目的部分动力离心模型试验成果进行了模拟,较好地解释了模型试验观察到的宏观力学响应的内在机理,初步表明了本文模型及以该模型为基础的液化变形数值分析方法应用于实际边值问题分析的可靠性、有效性、合理性和优越性。(5)用经过动力离心模型试验验证的数值方法和程序对日本阪神地震中遭到严重破坏的大开地下车站进行了地震反应分析,指出大开车站的破坏可能是由于饱和砂土层液化引起的过大的土层错动位移造成的。

论文目录:

第1章 前言

1.1 选题背景及意义

1.2 研究目标及内容

第2章 地震液化问题研究综述

2.1 液化的机理

2.2 液化可能性判断

2.2.1 剪应力法

2.2.2 剪应变法

2.2.3 能量法

2.2.4 综合判别法

2.2.5 液化判断的新进展

2.3 液化稳定分析

2.3.1 分析方法

2.3.2 可液化土的抗剪强度

2.4 液化变形分析

2.4.1 侧向流动

2.4.2 地面沉降

2.5 液化分析的数值方法

2.5.1 分析方法和程序

2.5.2 循环本构模型

2.6 小结

第3章 砂土液化后大变形的基本规律与物理机制

3.1 液化后大变形的基本规律

3.1.1 试验现象

3.1.2 超静孔隙水压力的变化规律

3.1.3 循环剪应变的变化规律

3.1.4 再固结体变的变化规律

3.2 液化后大变形的物理机制

3.2.1 剪切过程中的三个体变分量

3.2.2 零和非零有效应力状态的体变界限条件

3.2.3 循环剪切大变形的机理

3.2.4 再固结体变变化的机理

3.2.5 液化后流滑产生的机理

3.3 液化后大变形的定量描述

3.4 小结

第4章 砂土循环本构模型的建立及验证

4.1 变量说明

4.2 模型的基本架构

4.2.1 本构方程

4.2.2 初始液化后的工作机制

4.3 模型的具体描述

4.3.1 弹性模量

4.3.2 边界面及映射规则

4.3.3 加载方向、流动方向及应力路径转折

4.3.4 塑性模量

4.3.5 可逆性剪胀速率

4.3.6 不可逆性剪胀速率

4.4 模型的参数确定

4.4.1 强度参数

4.4.2 模量参数

4.4.3 剪胀参数

4.4.4 参数敏感性分析

4.5 模型的初步验证

4.5.1 丰浦砂的循环扭剪试验模拟

4.5.2 内华达砂的循环单剪及三轴试验模拟

4.6 小结

第5章 砂土循环本构模型的算法实现

5.1 本构模型的任务

5.2 本文模型的特点

5.3 应力积分算法

5.3.1 弹性预测

5.3.2 加卸载判断

5.3.3 塑性修正

5.4 迭代矩阵

5.5 数值算法的表现

5.6 小结

第6章 分析方法的验证:动力离心模型试验的模拟

6.1 饱和土动力固结方程及求解方法

6.2 VELACS 项目离心模型试验的模拟

6.2.1 VELACS 项目概况

6.2.2 分析程序

6.2.3 模型1 和2 的模拟

6.2.4 模型3 的模拟

6.3 小结

第7章 边值问题的应用:大开车站的地震反应分析

7.1 大开车站及其破坏情况

7.2 已有研究及本文分析要点

7.3 地形地质情况及分析断面

7.4 有限元分析模型

7.4.1 网格及边界条件

7.4.2 材料本构模型及参数

7.4.3 输入地震动及初始条件

7.5 计算结果及分析

7.5.1 加速度响应

7.5.2 超静孔隙水压力响应

7.5.3 饱和砂层的应力应变响应

7.5.4 土层和车站的变形响应

7.5.5 大开车站破坏的可能原因分析

7.6 小结

第8章 结论

参考文献

致谢与声明

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果

发布时间: 2006-06-29

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