饱和粘土的动力弹塑性模型与地基震陷分析

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目前对震陷的计算分析主要基于动三轴试验获得的残余应变公式,采用软化模型来进行的。相比而言,弹塑性模型在理论上更为严密,并且能很好地反映土的非线性、滞回性和变形累积性等动力特性。弹塑性模型主要包括多面模型和边界面模型,前者要求记忆的循环参数较多且应力应变曲线不光滑、加载面变化规则复杂、不能反映棘轮效应;后者要求事先选择加载面的硬化规则,带有一定的先验性,因而具有内在的局限性,并且模型参数较多,很难用室内试验来确定这些参数。 当前的结构设计一般采用刚性地基假定,对于建立在基岩或坚硬场地上的结构,这种刚性地基假定是合理的。由于地基与上部结构之间存在相互作用,当地基比较软弱时,相互作用将使结构动力反应发生很大的变化,采用刚性地基假定进行结构抗震分析将导致不合理的结果。 因此,建立一个既能反映土动力主要特性及软弱地基震陷变形,又能考虑地基.上部结构动力相互作用的简便实用的弹塑性地基模型,对于工程抗震来说具有十分重要的意义。 本文主要进行了以下几个方面的研究工作: 1.采用更为简便的混合硬化准则,在多面模型基础上建立了一个能考虑土结构损伤和应力诱发各向异性对土结构破坏影响的弹塑性地基模型。模型中运动硬化参数的增量表示为偏应力增量的函数,等向硬化参数的增量表示为当前偏应力及其增量的函数,加载面变化规则简便;根据损伤力学原理及饱和粘土不排水条件下体积不变性,推导了各向同性弹塑性损伤应力-应变方程;为考虑初始应力各向异性对土体破坏的影响,本文给出了偏压固结条件下土体动强度公式和各向异性偏应力张量的表达式,将各向异性张量引入破坏面方程。此外,在数值计算时可能会出现土单元应力处于破坏面之外的情况,而实际应力只能在破坏面内移动,因此本文给出了土单元破坏后应力的修正方法以免应力超越破坏面。最后,用本文模型模拟动三轴动力响性,通过与试验结果和文献结果[167]的对比验证了本文模型的可靠性。结果表明,在等向固结条件下,本文模型与文献模型基本一致;在偏压固结条件下,本文模型与文献模型存在差异,出现差异的原因是本文模型考虑了应力各向异性对破坏的影响。 2.由于ADINA有限元软件中没有自带的Duncan-Chang E-B非线性弹性模型,因此,本文基于FORTRAN语言独立编制了静力计算采用的Duncan-Chang E-B和本文提出的动力弹塑性本构模型用户子程序,以时间变量来确定静动力本构模型的调用,在ADINA软件中实现了材料本构的二次开发并验证了程序的可靠性。 3.对地基-筏板基础-上部框架结构体系进行了整体有限元分析,分析结果表明:距离基础摆动中心越远地基震陷越大,即基础两侧的地基震陷最大,中心位置的震陷最小;地基的结构损伤也具有类似的特性;地基震陷和结构损伤随地震动强度的增大而增大,当地震动强度超过一定值时,随地震作用时间的增长地基结构呈加速破坏且震陷也呈加速增长。这表明,在强烈地震动作用下,地基发生了失稳破坏。 4.对刚性地基和弹塑性地基条件下上部结构的动力反应进行了对比分析,结果表明,对于比较软弱的地基,由于基础中部与两侧不均匀震陷的影响,筏板基础承受了很大的弯曲变形,导致弹塑性地基条件下的上部结构动力反应大于刚性地基。这说明,对于比较软弱的地基,特别是可能产生不均匀震陷的弹塑性地基,采用刚性地基假定并不总是使上部结构抗震设计偏于安全。
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