非共軸本構(gòu)模型的數(shù)值應(yīng)用及離心機(jī)試驗(yàn)研究

非共軸本構(gòu)模型的數(shù)值應(yīng)用及離心機(jī)試驗(yàn)研究在許多實(shí)際巖土工程問題中,例如基坑開挖、淺基礎(chǔ)地基承載力與變形特性、地震或波浪荷載對海床的作用等,主應(yīng)力方向的旋轉(zhuǎn)所引起的初始主應(yīng)力狀態(tài)的改變是不容忽視的。在主應(yīng)力方向的旋轉(zhuǎn)過程中,主應(yīng)力方向與塑性主應(yīng)變增量方向的旋轉(zhuǎn)變化趨勢不是一致的,即存在著非共軸現(xiàn)象。對于非共軸現(xiàn)象的描述及分析是當(dāng)前土力學(xué)研究中的熱點(diǎn)問題之一。采用合理的本構(gòu)模型對非共軸現(xiàn)象及其影響進(jìn)行研究,通過離心機(jī)試驗(yàn)結(jié)果對非共軸模型的數(shù)值計(jì)算結(jié)果的合理性進(jìn)行驗(yàn)證,能夠完善傳統(tǒng)的巖土材料彈塑性本構(gòu)模型,也能夠?yàn)橹卮蠊こ探Y(jié)構(gòu)和地基設(shè)計(jì)提供依據(jù),具有重要的理論價值和實(shí)際工程意義。本文圍繞著非共軸現(xiàn)象及其對應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,通過砂土單剪試驗(yàn)的數(shù)值模擬研究了非共軸現(xiàn)象及其影響因素,針對淺基礎(chǔ)地基承載力與變形特性進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析和離心機(jī)模型試驗(yàn)研究,通過離心機(jī)試驗(yàn)結(jié)果對非共軸模型計(jì)算結(jié)果的合理性進(jìn)行了驗(yàn)證。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下：1.將角點(diǎn)結(jié)構(gòu)非共軸理論應(yīng)用到傳統(tǒng)彈塑性共軸本構(gòu)模型中,建立了一種非共軸本構(gòu)模型。對砂土單剪試驗(yàn)進(jìn)行有限元數(shù)值模擬,研究了非共軸現(xiàn)象及其對應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響。研究結(jié)果表明：非共軸模型得到的主應(yīng)力方向和塑性主應(yīng)變增量方向在剪切變形的初期是不重合的,隨著剪切變形的深入發(fā)展,兩者逐漸趨于一致。非共軸現(xiàn)象對應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系具有“軟化”作用,即非共軸模型計(jì)算得到的剪應(yīng)力比的增長速度滯后于共軸模型計(jì)算結(jié)果的增長速度。與理想彈塑性情況下的計(jì)算結(jié)果相比,非共軸現(xiàn)象對應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響在應(yīng)變硬化情況下更加明顯。當(dāng)采用應(yīng)力峰值作為密砂的抗剪強(qiáng)度時,需要考慮非共軸模型與共軸模型計(jì)算結(jié)果之間的差異；當(dāng)采用臨界狀態(tài)的殘余強(qiáng)度作為抗剪強(qiáng)度時,非共軸模型與共軸模型計(jì)算結(jié)果之間沒有差異。靜止側(cè)壓力系數(shù)、豎向應(yīng)力和流動法則等因素對非共軸現(xiàn)象具有顯著的影響。2.在理想彈塑性、應(yīng)變硬化和應(yīng)變軟化情況下,采用共軸和非共軸模型對淺基礎(chǔ)地基荷載-變形問題進(jìn)行數(shù)值分析,研究了非共軸現(xiàn)象對地基荷載-位移關(guān)系的影響。研究結(jié)果表明：非共軸現(xiàn)象對地基荷載-位移曲線具有“軟化”作用,即非共軸模型得到的地基荷載的增長速度要滯后于共軸模型計(jì)算結(jié)果的增長速度。隨著淺基礎(chǔ)下方土體單元水平位置的增加,主應(yīng)力方向的旋轉(zhuǎn)越來越顯著,非共軸現(xiàn)象也越來越明顯。非共軸現(xiàn)象在淺基礎(chǔ)邊緣下方深度較淺處比較明顯。與理想彈塑性情況下的計(jì)算結(jié)果相對比,非共軸現(xiàn)象對地基荷載-位移關(guān)系的影響在應(yīng)變硬化和應(yīng)變軟化情況下更加明顯,在應(yīng)變硬化和軟化模型的基礎(chǔ)上考慮非共軸現(xiàn)象的影響具有實(shí)際意義。研究非共軸現(xiàn)象對數(shù)值計(jì)算結(jié)果的影響時,需要考慮基礎(chǔ)形式、基礎(chǔ)埋深和偏心距的變化。3.對淺基礎(chǔ)地基承載力與變形特性進(jìn)行了離心機(jī)模型試驗(yàn)研究,分析了地基荷載-沉降關(guān)系的特點(diǎn)、地基承載力系數(shù)Nγ與基礎(chǔ)寬度的關(guān)系、以及基礎(chǔ)尺寸效應(yīng)。研究結(jié)果表明：對于中密砂地基而言,試驗(yàn)所得到的地基豎向荷載-位移關(guān)系曲線沒有顯著的拐點(diǎn)或曲線斜率突變階段；隨著豎向位移的增加,豎向荷載-位移曲線的初始斜率隨著基礎(chǔ)寬度的增加而增加；將確定地基承載力特征值fak時所采用的V/D提高到0.015～0.05時,試驗(yàn)結(jié)果與理論公式的結(jié)果比較接近；基礎(chǔ)尺寸效應(yīng)在基礎(chǔ)沉降較大時比較明顯,試驗(yàn)所得到的Nγ與理論公式結(jié)果比較接近；當(dāng)基礎(chǔ)沉降較小時,基礎(chǔ)尺寸效應(yīng)不明顯,試驗(yàn)所得到的Nγ低于理論公式結(jié)果。對于密砂地基而言,離心機(jī)試驗(yàn)得到的豎向荷載-位移關(guān)系曲線具有明顯的拐點(diǎn)；地基承載力隨著基礎(chǔ)寬度的增加而增加；地基承載力隨著基礎(chǔ)埋深的增加而增加,該結(jié)論在基礎(chǔ)寬度較小時比較明顯；達(dá)到地基承載力時的基礎(chǔ)沉降δ對于Nq的影響不明顯,δ對Nγ的影響比較明顯,考慮δ時的Nγ低于不考慮δ時的Nγ；基礎(chǔ)形式的變化對Nγ的影響比較明顯,其對Nq的影響不明顯。與方形淺基礎(chǔ)的試驗(yàn)結(jié)果相比,圓形淺基礎(chǔ)試驗(yàn)結(jié)果中的基礎(chǔ)尺寸效應(yīng)更加明顯。4.對淺基礎(chǔ)離心機(jī)試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬,將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析。從地基荷載-位移關(guān)系和地基承載力兩個方面,驗(yàn)證了非共軸模型計(jì)算結(jié)果的合理性。研究結(jié)果表明：當(dāng)基礎(chǔ)沉降較小時,數(shù)值計(jì)算得到的豎向荷載-位移關(guān)系曲線的斜率大于離心機(jī)試驗(yàn)結(jié)果的斜率,共軸模型與非共軸模型的計(jì)算結(jié)果之間的差異不明顯；隨著基礎(chǔ)沉降的增加,非共軸模型與共軸模型計(jì)算得到的荷載-位