波浪荷载引起主应力轴旋转下砂土剪切特性的试验和模型研究

摘要

波浪荷载是海洋工程中最为重要的荷载之一，波浪的周期性运动会在海床表面形成循环往复的波压力。在波压力作用下海床中一点土体单元上的正应力与剪应力均在循环变化，这就使得主应力轴发生了持续不断地旋转。经典塑性力学认为，当主应力轴方向旋转而主应力的大小保持不变时属于中性变载，不会产生塑性应变。然而大量相关试验研究表明主应力轴旋转会对土体的变形、强度以及孔压产生重要的影响，由主应力轴旋转效应引发的海床失稳已成为某些海洋工程失事的重要原因之一。因此针对由波浪荷载引起的主应力轴旋转对砂土剪切特性的影响，开展相应的试验研究和模型分析具有重要的理论意义和工程应用价值。 目前有关波浪荷载引起的主应力轴旋转效应的试验研究多集中于圆形应力路径下的循环主应力轴旋转试验，相关依据为当采用无限厚度海床动力响应的解析解计算时，所得到的由波浪荷载引起的轴向偏差应力（σ'z-σ'x）/2的幅值与剪应力(τ)zx的幅值相等且相位差为90°。但通常情况下海床为有限厚度，而以往研究表明海床的厚度对海床的动力响应影响较大，因此波浪荷载作用下有限厚度海床内土体单元上的应力路径也应不同于无限厚度海床条件下的圆形应力路径，但目前针对有限厚度海床内土体单元上的应力状态所进行的试验研究还相对较少。此外剪胀性是砂土的一个重要材料特性，考虑状态依赖性的剪胀理论虽然可以较好地反映砂土的剪胀特性，但在目前所提出的考虑状态依赖性的砂土弹塑性本构模型中，很少可以同时考虑主应力轴方向效应。 本文围绕波浪荷载引起的主应力轴旋转对砂土剪切特性的影响，并结合砂性土自身工程特性，开展了一系列的试验和本构模型研究工作。论文的研究成果一方面克服了传统圆形应力路径下砂土动强度特性难以直接用于分析有限厚度海床稳定性的不足，另一方面也为分析由主应力轴旋转引起的砂土变形问题提供了一种可能的方法。本文主要研究内容和成果如下: (1)证明了在线性规则波浪引起的主应力轴循环旋转下，有限厚度弹性海床内一点土体单元上的应力路径在[（σ'z-σ'x）/2，(τ)zx]平面上应为非标准椭圆形而不是圆形或标准椭圆形，并推导得出了决定该非标准椭圆形应力路径大小和形状的3个特征参数，即轴向偏差应力幅值、剪应力幅值以及初始相位差。 (2)基于非标准椭圆形应力路径下的不排水循环主应力轴旋转试验，分别研究了轴向偏差应力幅值、剪应力幅值以及初始相位差对砂土动强度的影响。研究表明:随着初始相位差的增大，砂土破坏周次的对数呈线性减小;同时由于初始相位差的存在，使得在相同破坏周次下，由非标准椭圆形应力路径下的循环主应力轴旋转试验得到的砂土动强度可能会高于由循环三轴试验和循环扭剪试验得到的动强度。 (3)基于非标准与标准椭圆形应力路径下砂土动强度关系，以及一系列标准椭圆应力路径下的循环主应力轴旋转试验，归纳总结了非标准椭圆形应力路径的特征参数同破坏周次的函数关系表达式，并以此为基础提出了一种量化非标准椭圆形应力路径下砂土动强度的方法。 (4)通过一系列固定主应力轴方向的不排水单调剪切试验，研究了主应力轴方向对砂土剪胀性的影响，并结合考虑状态依赖性的砂土剪胀理论，提出了一个含有主应力轴方向的状态参量。利用所提出的状态参量模拟了多组不同试验条件下的固定主应力轴方向的单调剪切试验，验证了该状态参量的引入可以较好地反映出主应力轴方向对砂土剪切特性的影响。 (5)基于广义塑性力学理论，将主应力轴方向和状态参量作为独立变量，建立了一个可以同时考虑主应力轴方向效应和状态依赖性的砂土弹塑性本构模型，并提供了模型参数的标定方法。该模型不但可以较好地模拟由主应力轴旋转引起的砂土变形，同时也克服了一般的本构模型在模拟处于不同初始相对密实度或不同初始围压的同一砂土时需要采用不同模型参数的不足。通过对多种不同类型的静力和动力试验的模拟验证了模型的有效性和准确性。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状及进展

1．2．1 波浪作用下海床动力响应

1．2．2 主应力轴方向效应

1．2．3 砂土剪胀性

1．3 论文的研究目的和主要内容

1．3．1 研究目的

1．3．2 研究内容

2 主应力轴方向对砂土动强度的影响

2．1 概述

2．2 无限厚度海床与圆形应力路径

2．3 有限厚度海床与椭圆形应力路径

2．3．1 有限厚度海床动力响应解析解

2．3．2 椭圆形应力路径

2．3．3 实例说明

2．4 椭圆形应力路径下砂土动强度试验

2．4．1 试验基本原理和过程

2．4．2 椭圆形应力路径与圆形应力路径的动强度差异

2．4．3 非标准椭圆形应力路径动强度分析

2．4．4 标准椭圆形动强度分析

2．4．5 破坏周次与特征参量的综合表达式

2．5 椭圆形应力路径下的砂土动强度分析

2．5．1 最大剪应力幅值的局限性

2．5．2 破坏周次与动强度

2．5．3 非标准椭圆形应力路径的动强度

2．5．4 复杂应力条件下动强度的统一量化法

2．5．5 动强度统一量化法的应用

2．6 本章小结

3 含有主应力轴方向角的砂土状态参量

3．1 概述

3．2 砂土剪胀性

3．2．1 砂土剪胀性的表现

3．2．2 剪胀方程

3．3 砂土状态依赖性

3．3．1 临界状态

3．3．2 考虑状态依赖性的剪胀理论

3．3．3 状态线

3．4 主应力轴方向对剪胀性的影响

3．4．1 试验设计

3．4．2 试验结果分析

3．5 含有主应力轴方向的状态参量

3．5．1 状态参量

3．5．2 算例验证

3．5．3 本构模型

3．6 本章小结

4 考虑主应力轴方向效应和状态依赖性的砂土本构模型

4．1 概述

4．2 PZ3模型介绍

4．2．1 弹塑性刚度矩阵

4．2．2 加载和塑性流动向量

4．2．3 塑性模量

4．2．4 加卸载准则

4．3 考虑主应力轴方向效应的本构模型

4．3．1 本构描述

4．3．2 参数标定方法

4．3．3 实测参数

4．3．4 模型验证

4．4 考虑主应力轴方向效应与状态依赖性的砂土本构模型

4．4．1 基本理论

4．4．2 基本方程

4．4．3 参数标定

4．4．4 模型验证

4．4．5 模型应用

4．5 本章小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 创新点

5．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介