受压与受剪强度损伤过程中粘土结构强度的数值模拟.pdfVIP

敲牵气膏 固体力学学报 V01．24SIssue ACTAMECHANICASOLIDA June2003 SINICA 受压和受剪强度损伤过程中粘土 结构强度的数值模拟 史平安 范志庚 (中国工程物理研究院结构力学研究所．绵阳，621900) 摘要考虑了天然软粘土受压强度损伤和受剪强度损伤过程，提出了一种结构性土体本 构模型——耦合损伤模型和土体结构强度损伤函数．文中采用建立的耦合损伤模型、线弹性模 型与双曲线模型，对土木工程中重力式防波堤基础的MDM深埋基础进行了数值分析．从结构整 体位称、MDM基础附近土体中位移及应力的分布情况以及MDM基础附近土体中应力水平分布 和损伤度分布等结果表明，利用该文建立的耦合损伤土体本构模型，可以合理地模拟MDM基础 附近土体中应力水平分布和损伤度分布及其发展过程，准确地给出土体中应力的分布情况和结 构将会产生的位移．这些结果对于实际工程MDM加固范围的确定和上部结构的设计都具有重 要意义． 关键词耦合损伤模型，损伤函数钴构强度 0引言 深埋结构与土体的相互作用数值分析研究中，结构周围天然软粘土的模拟方法十分重 要．由于天然软粘土所具有的结构强度使其应力应变关系以及建立在重塑土基础上的土体 本构关系之间差别较大．冈此，建立能反映天然软粘土结构强度的软粘土结构性本构模型是 松(1999．11)等都从多个侧面对天然软粘土结构强度的形成、度量指标、损伤发展过程进行 了研究．目前国内外学者提出的各类结构性土体本构模型，都从不同角度反映了一些特征， 但无法全面地模拟上述各方面的因素．为合理模拟天然软粘土的应力应变关系。本文以相关 实验测试的资料为基础，发展了现有关于天然软粘土的结构强度损伤理论，探索性地提出一 个能够同时考虑天然软粘土压密损伤和剪切损伤的土体本构模型——耦合损伤模型．本文 最后还通过线弹性模型、双曲线模型与新建立的耦合损伤模型，对MDM深埋基础进行了数 值分析．结果表明，利用本文建立的耦合损伤土体本构模型，可以合理地模拟MDM基础附 近土体中应力水平分布和损伤度分布及其发展过程，准确地给出土体中应力的分布情况和 结构将会产生的位移． I 考虑压密损伤和剪切损伤的结构性本构模型的建立 建立反映大然软粘土结构特性的土体本构模型，主要包括两个方面的内容：一是加载后 处于不同应力状态下的土体结构强度的损伤比或损伤度的发展模式；二是不同扰动程度的 土体的应力应变关系．而目前有关天然软粘土的损伤发展指标及其相关的试验研究，主要是 针对受压损伤的情况，对于受剪损伤则较少研究．对于地基中的土体，在既受压又受剪的复 杂应力状态下，必须合理地考虑天然软粘土损伤度的发展的共同影响效果．文[I]给出了粘 土孔隙比和固结系数与应力的关系曲线，升指出土体在有效应力为IMPa至6MPa的区间内 专辑 史平安等： 受压和受剪强度损伤过程中粘土结构强度的数值模拟 ·193· 发生压缩陡降．文[2]对软粘土无侧限压缩试验和软粘土揉捏后无侧限压缩试验的对比，结 果表明，天然软粘土受压损伤存在一个明确的结构破损应力． 损伤度既与土体的应力状态或应变发展情况有关，又与土体性质有关．影响土体抵抗损 伤能力的主要因素：固结压力、土体构成、土体沉积速度所引起的胶结反应发展条件等．为同 时考虑受压损伤和受剪损伤的混合损伤，提山如下假定：土体损伤度m由受压损伤度m。和 受剪损伤度tO。以某种耦合方式共同构成；随着损伤度的发展，土体的特性逐渐向重塑土加 速靠近；重塑土的本构关系可由双曲线模型模拟．假定土体中存在初始破损，当球应力达到 P。值或剪应力达到q。值．土体即达到完全受压损伤或受剪损伤．以上述试验资料和结论为 基础．本文提出如下损伤演化函数 ∞，=max{1，[p／pd]。) (1)