文摘

根据实验发现,软粘土的压缩和剪切蠕变。这项研究的目的是开发一个elastic-viscoplastic(执行)模型对软粘土的粘性行为。新的执行模型推导出相关联的流动法则,阴的双屈服面理论和临界状态土力学。非定常流表面与双屈服面模型,与其他现有的模型相比,认为软粘土的压缩和剪切蠕变特性。确定的模型参数可以从两种测试(即。,一般的三轴试验和三轴流变测试)。不同类型的软土,如天津沿海粘土,汕头挖泥船填补和淤积的土壤在大坝前,测试来验证构建模型的准确性。所有的比较计算和实验结果表明,新的执行模型准确反映的时间行为软粘土的剪切和压缩蠕变。

1。介绍

许多工程实例表明,软粘土明显显示时间的行为(1]。由于缺乏关心的软粘土的流变行为设计和施工期间(2),许多安全问题发生在大型基础设施项目建造在软弱地基条件下在过去的几十年。例如,超过3000人死于大规模滑坡的南坡Vaiont水库在1963年,这主要是由于弱层的蠕变变形(3]。此外,关东大机场postconstruction结算,开业于1994年,每年7厘米的速度增长,到达一个50年的设计值。

软粘土的工程性质(例如,低强度的力量和大型postconstruction结算)还是让项目建在软土分布地区越来越有挑战性。因此,它是非常迫切需要开发一个可用的粘性材料本构模型,以模型软粘土的时间行为。

在岩土工程中提出了许多模型来捕获的时间特性软粘土自软粘土的蠕变特性成为一个热门话题。Chaboche [4)和卡里姆Gnanendran (5)提出了一个简明的概述本构理论和简单介绍执行模型的特点及其优点和缺点。除此之外,相关的评论还可以发现文学的欧文和辛顿(6]和德赛Siriwardane [7]。执行模型主要可以分为四类(1):(1)实证模型,如主要的实证关系2,8)和半经验的二次关系9,10];(2)流变模型,如微分方法(11和工程的蠕变理论12];(3)一般stress-strain-time模型,如过分强调模型(13,14)和非定常流表面(nsf)模型(15];(4)其他贡献,如周岁以下的模型(16)和subloading表面模型(17]。前两类可以帮助进一步的现象学理解软粘土的蠕变特性。因此,前两个模型通常被视为三维本构关系的基础。然而,经验和流变模型仅限于模拟软粘土的strain-stress-time关系与特定的边界和加载条件(1]。相反,一般stress-strain-time模型可以考虑时间效应和in-viscid变形在任何可能的加载条件下,提示他们被广泛使用,特别是在有限元分析。然而,大多数stress-strain-time模型只有一个屈服面,导致现有可用的准确性不足蠕变模型在描述软土的蠕变行为。此外,静水压力和剪切应力实际上土壤颗粒之间的共存和束缚水;软粘土的时间响应可以通过两个不同的特点:剪切蠕变和压缩蠕变,可以更好地描述使用双屈服面(18- - - - - -20.]。

摘要软粘土的时间行为的实用模型。模型的主要特点如下:(1)开发模型是一个双屈服面硬化模型基于非平稳的流面理论和阴的理论框架。普通三轴和三轴流变试验可用于直接确定模型参数。(2)开发模型,相比之前执行模型,考虑压缩蠕变和剪切蠕变时间属性的适当性在不同的围岩压力。

在下面,双屈服表面执行非定常流模型提出了利用非平稳的流面理论和阴的双屈服面理论。提出了模型然后放入有限元程序Abaqus和验证各种软粘土。

2。执行模型的基本假定

回顾文献,我们发现Skrzypek [21)总菌株分为瞬时弹性段和时间组件,在岩土工程已经被学者广泛接受了几十年。时间变形,目前有两个主要假说:周岁以下和Kavazanjian16]和[22)提出,总应变率分为弹性应变率、塑性应变率和粘塑性的应变率。相比之下,德赛和张23),阴和格雷厄姆(24),而卡布韦et al。25)认为,总应变率可分为弹性应变率和粘塑性的应变率。随后,(10和香港等。18)认为粘塑性的应变率可以进一步细分为体积应变率和偏应变率。在本文中,后者假设被接受;也就是说,total strain rates are the sum of elastic components, volumetric components, and deviatoric components. 在哪里弹性应变率,粘塑性的应变率,是体积蠕变应变率,是剪切蠕变应变率。的标e和和下标和年代表示弹性应变,粘塑性的变形、体积蠕变和剪切蠕变,分别;overdot表示的一个变量。弹性应变率在(1)应该服从广义胡克定律,可以计算: 在哪里四阶张量和灵活性是一种有效的应力变化率。假设软粘土是一种各向同性材料,只有两个弹性常数的柔度矩阵:弹性模量E_e和泊松比 。

粘塑性的应变率在(1)根据定义的非平稳的流面理论Olszak和Perzyna13]。流表面可以表示如下: 在哪里加载的函数吗 , ,和 ; 是当前有效应力;K_年代是一个加工硬化参数相关的粘塑性的压力吗 ;和是一个时间变量与粘土有关。可以确定基于正常的假设关联流动法则,加载函数在哪里F等于势能函数 。 在哪里是势函数。

粘塑性的变形可以通过差异化(4):

本构方程是基于非平稳的流面理论的使用(1),(3)和(5),广义胡克定律可以写成: 在哪里 是粘塑性的柔度矩阵。

3所示。模型描述

3.1。弹性本构关系

假设软粘土是一种各向同性材料,应力应变关系服从广义胡克定律,有效应力和应变率依赖于利率;然后,粘塑性的柔度矩阵在(3)可以写成: 在哪里G剪切模量,可以根据计算(9),E可以确定是弹性模量和利用(10),泊松比。粘土,泊松比通常等于0.3,主要原因是在总应变(弹性应变的比例26])。 在哪里K_G和n材料参数,介绍了大气压力,使参数无量纲。双方的关系 和 在双对数坐标系中,一条直线和直线的截距和斜率是吗和n,分别。

3.2。压缩蠕变本构关系

通过结合相关流动法则和临界状态土力学理论,罗斯科等。27)提出了剑桥模型用子弹屈服面通常由三轴排水或不排水试验巩固和feeble-overconsolidated粘土。剑桥模型可以非常计算弹塑性变形,特别是塑性体积变形。然而,它不能反映剪切变形。因此,罗斯科和Burland28修好了剑桥模型并提出了修正剑桥模型。修正剑桥模型表示如下: 在哪里 平均有效应力和吗 是广义剪应力。更详细的表达式和可以在弹塑性力学中找到。在主应力空间中,和被称为八面体正常和剪切应力,分别;米是临界状态线的斜率(CSL);和塑性体积应变的硬化函数吗作为硬化参数。收益率曲线的修正剑桥模型是一个椭圆飞机,显示在图1。收益率曲线的形状(即。,theratio of the long axis and short axis of the ellipse) depends only on米但不与粘土的变形行为,这是不符合实际情况的软粘土。

一般来说,有效的排水剪切条件下正常固结粘土凝聚力等于零。在实践中,粘土层pre-consolidated在某种程度上,因此,内聚力不等于零。为了这个目的(29日),接替与 扩展修正剑桥模型内聚力的条件存在。方程(11)可以改写如下: 在哪里 是硬化函数;就像 , 的拦截是中超的水平轴飞机。方程(12)提出的修正剑桥模型(29日]。收益率曲线的修改后的模型如图2。修正剑桥模型可以模拟在不同条件下粘土的应力-应变特性异常。因此,提升的修正剑桥模型(29日)基本上是使用。

修正剑桥模型,e 现况关系的建设关系。然而,时不是线性的关系值很小,特别是对压实土壤,如图3。之间的线性关系e和现况会产生一定的困难在数学处理。因此,它是必要的修改方法修正剑桥模型(29日制定之间的关系和双曲函数的基础上,实验分析。图4(一)显示了 关系曲线在三轴等压条件下,本文以大气压力的地方模型参数的无量纲。

之间的关系 和如图4(一)几乎是线性的 坐标,如图4 (b)。的 曲线可以表示如下: 在哪里k直线的斜率, 的拦截是直线在水平轴上,的渐近值吗 ,和是初始双曲线的切线斜率。

之间的关系和可以用双曲函数描述。弹性体积应变与塑性体积应变相比,非常小;因此,可以认为塑性体积应变约等于总体积应变。然后,(13)也可以写成如下:

加工硬化函数可以表示如下:

用(15)(13)和替换米在(13),米₁,我们可以获得 在哪里 是一个参数,它反映了各种各样的应力-应变曲线。方程(16)是阴的双屈服面模型(26]。

三轴压缩蠕变测试获得体积改变的规则的菌株随着时间的推移,作为显示在图5。重要的是要注意,时间体积应变不包括瞬时体积应变 。许多学者描述与一个双曲线关系。双曲函数可以得到如下: 在哪里 ,h是初始双曲线的切线斜率, ,和的渐近值吗 。假设的比率和不同压力条件下是恒定的,即 , 可以进一步表达了吗h和如下:

重新排列后(17)的表达式可以得到:

用(19)(16),可以获得以下方程:

然后,表面压缩蠕变函数可以得到如下: 在哪里是加工硬化函数相关的粘塑性的体积压力吗 ,和是一个时间变量与土壤性质有关。为了简化模型结构和减少模型参数的数量,制定本构模型是通过应用相关的流理论,在加载塑性势函数功能是相同的。

3.3。剪切蠕变本构关系

体积膨胀导致两个难题:(1)的减少意味着正常的压力;(2)剪切应力的生产。塑料扩张只是依赖于剪切应变不考虑拉伸应力。它是合理的假设塑性偏应变被选中作为硬化参数的剪切蠕变屈服准则。

谢长廷et al。(1990)建议加强法律对粘土为基于三轴剪切蠕变测试如下: 在哪里G是弹性剪切模量,参数是低于米,是一个材料参数指标的大小对剪切膨胀或剪切收缩。方程(24)是阴的抛物线屈服函数的双屈服面模型(26),是显示在图6。

三轴剪切蠕变试验是获得剪切应变的变化随着时间的推移,作为显示在图7。双曲函数和t可以提出如下: 在哪里 是一个材料参数,是初始双曲线的切线斜率, 是一个材料参数,的渐近值吗 。它是合理的假设的比率和不同压力条件下是恒定的;也就是说, 。 可以进一步表达了吗和如下:

重新排列后(26)的表达式可以得到:

用(27)(24),表面剪切蠕变函数可以得到如下: 在哪里是加工硬化函数相关的粘塑性的剪切应变 ,和是时间变量与土壤性质有关。本构模型也由应用制定相关的流理论。

压缩蠕变函数阵线和剪切蠕变函数f是如图8。可以看出,两个收益率曲线分离平面分为四个区域:A1表明弹性区;A4表明粘塑性的菌株与压缩率;A2表明粘塑性的变形与剪切屈服;A3表明粘塑性的流两个收益率标准有关。因此,执行模型,它是一个全面的模型应用于软粘土,可以模拟软粘土的膨胀和时间行为。

3.4。粘塑性柔度矩阵

它可以得出结论(7)粘塑性的柔度矩阵关键是确定粘塑性的应变率 ;如何获得本节将详细介绍。

基于上述分析,可以进一步写如下: 在哪里 , 。不同的条件(30.)可以表示如下:

3.5。参数确定

有15个参数的模型,包括 ,泊松比;E弹性模量;K_G和n弹性材料参数;米₁和米₂修改后的强度参数; ,CSL的拦截在横向轴线飞机;一个,参数指标的大小对剪切膨胀或剪切收缩;l和k三轴压缩试验相关参数; ,h, ,压缩蠕变参数有关;和和 ,参数与剪切蠕变有关。

在15个参数,一个,米₁,l,k,在(16)可以从三轴压缩试验或者获得一维固结仪测试。 ,E,K_G,n,米₂,在(24)可以确定三轴剪切试验。 ,h,可以使用固结仪确定蠕变测试或三轴压缩蠕变试验。和可以确定利用三轴剪切蠕变试验。

确定的参数 ,E,K_G,n,米₂,在(24要求),许多三轴剪切试验获得的集合曲线,如图9。 的初始切线吗曲线,G_我是初始切线模量。G可以根据计算(32)。K_G可以通过绘画之间的关系 和 在双对数坐标系中。 ,和E可以确定使用(10)。米和可以通过绘制了CSL飞机。米₂可以利用评估(33)。 在哪里 是失败的比率,是失败的压力和获得的三轴剪切试验,然后呢的渐近值吗问。

的参数l,k,在(16)应该从三轴压缩或获得一维固结仪测试。部分3.2解释他们如何到达他们的价值观。 ,d的最后部分的斜率是吗曲线,如图10。

的参数 ,h,可以使用固结仪确定蠕变测试或三轴压缩蠕变试验,和他们的决心已经在部分3.2。的参数和可以确定利用三轴剪切蠕变测试,部分3.3给他们详细的计算过程。

4所示。模型验证和讨论

提出了模型中实现了有限元程序Abaqus,和验证实验数据计算结果进行了对比。

4.1。排水为天津沿海粘土三轴剪切蠕变测试

王等人。31日]排水三轴剪切蠕变试验进行的重组天津沿海粘土。这是一个的自然含水量的淤泥质粘土,塑性指数、密度、和渗透系数是40% - -67%,20,16 - 17 kN / m³和5.0×10⁻⁸cm / s,分别。比重2.64 - -2.70。在这些测试中,围岩压力100 kPa, 150 kPa, 200 kPa。偏应力60 kPa, 120 kPa, 180 kPa, 240 kPa。在多级加载的测试中,每个负载水平的持续时间是3 d的。表中列出的参数1。实验结果表明,天津沿海粘土表现出明显的加工硬化行为。

图11展示了实验结果和预测价值为天津沿海粘土的围压150 kPa。如图(11日),新执行模型符合实验结果相当不错,除了240 kPa的偏应力。实验结果的计算值高于蠕变的早期阶段(0-20 min)。江et al。32)表示,这样的问题可以得到解决,利用开发的滞后响应方程(33]。为了简化目前的模型的数学结构,滞后响应方程的概念在这里不介绍了。

在图11 (b),体积蠕变株的预测值从执行模型而获得的测试数据天津沿海粘土。很明显,预测值和测量数据之间的气体随着偏应力的增加越来越小。这种差异可能是由于应用相关联的流动法则在低偏应力条件下执行模型。伊斯兰教等。3]证明了执行模型与非伴生流动法则可以捕捉粘土比的时间属性相关的流类型执行模型。

4.2。汕头挖泥船填补不排水三轴压缩蠕变试验

罗等。34)进行不排水三轴压缩蠕变试验的重组汕头挖泥船。汕头挖泥船填充属性列出成分表2。最后,标本的直径和高度是39.1毫米和80毫米,分别。测试压力从100 kPa改为200 kPa局限于300 kPa。垂直应力必须相应地改变,从而实现偏应力水平D= 0.2,0.4,0.6,0.8。测试温度严格控制在24±1°C在整个测试周期。表中列出的参数3。

图12显示了良好的协议使用双屈服的模拟非定常流表面执行模型和实验不排水三轴压缩蠕变试验。开发模型生成一个更大的错误当压力小。预测和测量结果之间的偏差随应力水平的增加而减小。总的来说,比较表明,汕头挖泥船填补的蠕变行为是足够可靠的预测。

4.3。土壤排水三轴剪切蠕变测试淤塞的大坝

排水三轴剪切蠕变测试土壤堵塞坝前进行。淤积土的基本性质是列在表中4。收集土壤样本的深度4 - 5 m的小湾水电站水库,位于宁夏南部山区,有一个直径为50毫米和100毫米的高度。负载应用于土壤样品应用于四个阶段。下列细胞压力应用:200 kPa, 300 kPa。表中列出的参数5。

在图13实际测量数据,坝前淤积土的执行模型与仿真值。比较分析表明,执行模型可以合理地描述蠕变潮湿和稳定。加速蠕变期间,有一个明显的差异估计和测试数据。

4.4。讨论

一个现象被发现(21)和(28);即屈服面改变随着时间的推移,即使粘塑性的压力保持不变。屈服面在这个意义上,可以认为是一种不稳定的曲线相比,经典的表面流动。两者的区别流表面如图14。压缩屈服函数f_V= 0和剪切功能f_年代= 0定义一个非平稳的压缩表面和非平稳的剪切面,分别。所有可能的应力状态面躺在或在两个表面。当f_V< 0和f_年代< 0,粘土在两个表面流动,和只有弹性压力。当f_V= 0,f_年代= 0,和一个负载,弹性和粘塑性的菌株。

5。结论

在本文中,一个新的执行模型来描述软粘土的stress-strain-time性质制定。以下是执行的主要特征与双屈服面模型:(1)塑料菌株作为硬化参数对产量的双屈服面非定常流表面执行模型。(2)模型可以模拟软粘土的压缩和剪切蠕变,包括衰减蠕变、稳定蠕变。(3)与阴的双屈服面模式相比,七参数需要准确描述的定义剪切蠕变和使用三轴压缩蠕变流变测试。其余的参数可由常规三轴试验。

为了更好地描述软粘土的时间行为,后续改进执行模型与非伴生流动法则应该推广。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金资助(项目号4196020104)和博士中国教育部科研基金项目(项目号2013640111003)。