不同温度下的土动力特性试验及动本构模型研究

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近年来,在热能贮存、核废料处置、爆炸软基处理、垃圾填埋场、公共交通系统等诸多工程建设领域中,大量热量在岩土体中传播、扩散,引起岩土体温度发生改变,进而影响其力学特性,故岩土体的温度效应研究具有重要的理论意义和应用价值。国内外对土体的温度效应展开了广泛的研究,获得了土体热固结、热强度和理论方面的研究成果,但都属于土体的静力特性研究。虽然,由于冻土工程的发展,考虑低温对土体动力特性影响的研究取得了一些成果。但到目前为止,考虑高温(10-100℃)对土体在振动荷载作用下土动力特性的研究很少。为此,本文针对宁波城市地下轨道交通建设场地的典型软黏土,利用温控动三轴试验装置,展开了不同温度下土动力特性试验及动本构模型的研究,主要内容如下:  (1)为研究温度对土动力特性的影响,设计了内外联合加热的温控装置,研制了温控动三轴试验系统。该系统能实现10-100℃范围内试样温度的精确控制,并可线性调节、分级加温。以宁波典型饱和淤泥质软黏土为例,初步开展了不同温度(25℃、40℃、55℃、70℃)下的土动力特性试验,验证了试验系统的有效性和可靠性。结果表明:在不同温度下,试样的滞回圈形状及发展规律与常规动三轴试验结果一致;随着温度的升高,软黏土的累积塑性应变、动阻尼比和动孔压减小,动弹性模量增大,且各增量值均随温度上升而减小,反映了软黏土的热硬化特征;累积塑性应变与温度归一化结果呈指数关系。  (2)利用该温控动三轴试验系统,针对宁波轨道交通沿线的淤泥质软黏土和淤泥质粉质黏土,开展了不同温度、动应力幅值、围压、初始静偏应力、振动频率及排水条件等振动条件下的动力特性试验,研究了上述影响因素对饱和软黏土的累积塑性应变、动弹性模量、动阻尼比和动孔压等动力特性的影响,并对淤泥质粉质黏土的试验结果进行了归一化处理,讨论了土体动弹性模量、动阻尼比、动应力比与累积塑性应变的内在关系。  (3)针对宁波镇海区淤泥质黏土,通过开展温控动三轴试验,研究了不同温度作用下土的不排水累积变形、动孔压、动阻尼比及动弹性模量变化规律,建立了考虑温度、初始静偏应力、围压、超固结比等影响因素的土体应变模型,并获得了模型参数与温度的关系。其次,循环荷载作用下饱和软黏土将产生应变软化现象,通过试验研究了温度、频率、初始偏应力、动应力和含水率对土体应变软化的影响,并在试验数据的基础上建立了一个能够考虑温度影响的应变软化模型。  (4)引入考虑温度影响的边界面模型,运用ABAQUS有限元分析软件中的THM单元和二次开发的UMAT子程序,对粉质黏土的温控动三轴试验结果进行数值模拟,并将模拟结果与试验结果进行对比分析,探讨了固结比和回弹指数对模拟结果的影响,为建立更合理的考虑温度影响的动本构模型提供帮助。
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