饱和砂土物态动力固结有限元分析研究

摘要

本文针对饱和砂土液化破坏问题，基于考虑砂土物态变化特性的循环弹塑性本构模型及物态动本构模型，结合土体动力反应分析的动量守恒方程、质量守恒方程以及描述土骨架的几何方程、孔隙水渗流定律和土骨架与渗流相互作用的有效应力原理3个基本关系，详细推导了基于饱和砂土物态动本构模型和循环弹塑性本构模型的动力固结控制方程组，并进行了空间域和时间域的离散，得到了用有限元法求解的离散方程。开发了固液两相介质耦合反应的动力固结平面有限元计算分析程序，具有能够输入竖向、水平向单个方向或双向耦合的谐波及随机波的功能以及震后固结分析的功能，且可以考虑人工粘性边界。以模型试验砂土堤和碎石桩处理砂土地基为分析对象，进行的动力反应及震后固结计算表明，考虑砂土物态变化特性的动本构模型能够有效地预测循环荷载作用下土体的动孔压瞬态波动及有效应力路径的循环变化轨迹，反映了动荷作用过程砂土剪缩剪胀的物态变化；能够确定动力反应过程残余变形的发展以及震后固结变形的发展；能够模拟碎石桩的显著排水作用，有效抑制了加固区域动孔隙水压力的的上升，加固区始终存在一个零孔压区域；与砂土堤基振动台模型试验结果对比，循环弹塑性本构模型预测的动孔隙水压力在加载初期阶段上升过快，表明加载初期砂土堤基的塑性变形发展较大；物态本构模型预测的动孔隙水压力发展较慢，它更加符合模型试验测试结果；引入粘性边界后，能够有效降低孔隙水压力的波动性和加速度的放大倍数，使得边界单元的动力反应趋于合理。上述结果验证了物态动力固结分析程序的可靠性和正确性。本文的研究实现了饱和砂土物态本构模型由理论走向实践的转折，有一定的应用价值。