軟土不排水循環(huán)彈塑性本構(gòu)關(guān)系及其在海洋錨固基礎(chǔ)變形分析中的應(yīng)用.pdf

1、許多海洋錨固基礎(chǔ)，如吸力錨、法向承力錨和大直徑筒形基礎(chǔ)等，不僅遭受來自上部結(jié)構(gòu)的工作荷載，還遭受來自波浪的循環(huán)荷載。分析海洋基礎(chǔ)在這些荷載下的變形過程及承載力對(duì)海洋基礎(chǔ)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)尤為重要。為此本文建立了軟土的不排水循環(huán)彈塑性本構(gòu)關(guān)系，并將其應(yīng)用于海洋錨固基礎(chǔ)的變形分析。
　　以Mises屈服準(zhǔn)則構(gòu)建邊界約束面方程，利用硬化模量插值方法及映射中心移動(dòng)方法，在偏應(yīng)力空間中構(gòu)建硬化模量場，建立了一個(gè)總應(yīng)力形式的增量彈塑性邊界面模型。該

2、模型依據(jù)徑向映射法則建立彈塑性模量插值函數(shù)，并認(rèn)為加卸載過程中映射中心隨加卸載路徑變化而不斷移動(dòng)，通過彈塑性模量的插值及映射中心的移動(dòng)，使得硬化模量場的演化規(guī)律表述簡單，跟蹤循環(huán)應(yīng)力路徑所需記憶的參數(shù)較少。另外，模型通過在彈塑性模量插值函數(shù)中引入反映剪應(yīng)變累積速率和大小的參數(shù)控制累積剪應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，不僅可描述循環(huán)加載時(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線的非線性、滯回性、應(yīng)變累積性等基本特性，還可預(yù)測(cè)不同初始應(yīng)力水平、循環(huán)應(yīng)力水平下土單元的應(yīng)力應(yīng)變

3、響應(yīng)。進(jìn)一步，闡述了利用循環(huán)三軸壓縮試驗(yàn)確定模型參數(shù)的方法，開展了不同靜應(yīng)力比，循環(huán)應(yīng)力比下的循環(huán)三軸拉伸、循環(huán)扭剪試驗(yàn)，用三軸壓縮試驗(yàn)確定的模型參數(shù)預(yù)測(cè)循環(huán)三軸拉伸及循環(huán)扭剪試驗(yàn)結(jié)果，通過預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了模型對(duì)不同應(yīng)力狀態(tài)的適用性。
　　編制所建循環(huán)彈塑性本構(gòu)模型的UMAT子程序，將其嵌入有限元軟件ABAQUS。依據(jù)所建本構(gòu)模型的特點(diǎn)，形成了基于該模型的彈塑性應(yīng)力狀態(tài)確定方法。采用子增量顯示歐拉算法確定每次迭代計(jì)

4、算后的彈塑性應(yīng)力狀態(tài)，通過在子程序中設(shè)置與當(dāng)前應(yīng)力點(diǎn)彈塑性模量相關(guān)的狀態(tài)變量來更新每個(gè)迭代步的彈塑性矩陣；采用徑向返回方法把超越邊界面的應(yīng)力狀態(tài)修正到邊界面上，確保任意時(shí)刻計(jì)算后的應(yīng)力狀態(tài)始終落在邊界面內(nèi)或者邊界面上；建立了應(yīng)力反向判斷方法，即依據(jù)偏應(yīng)力增量與邊界面上像應(yīng)力點(diǎn)處的外法線向量之間的夾角判斷應(yīng)力反向，進(jìn)而更新映射中心，確定應(yīng)力反向后的應(yīng)力狀態(tài)。通過聯(lián)合UMAT子程序與ABAQUS增量求解主程序的功能，形成了計(jì)算軟土不排水循環(huán)

5、變形時(shí)程的增量彈塑性有限元方法。進(jìn)一步，利用該有限元算法對(duì)循環(huán)三軸及循環(huán)扭剪試驗(yàn)兩種簡單的邊值問題進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過有限元預(yù)測(cè)結(jié)果與用本構(gòu)模型編制的單元預(yù)測(cè)程序計(jì)算結(jié)果的比較，初步驗(yàn)證形成的增量彈塑性有限元算法的正確性。
　　開展了吸力錨在最佳系泊點(diǎn)受平均荷載與循環(huán)荷載共同作用的1g模型試驗(yàn)。在強(qiáng)度均勻和強(qiáng)度沿深度線性變化的土層中，開展了吸力錨的靜力加載試驗(yàn)、平均荷載與等幅循環(huán)荷載共同作用以及平均荷載與變幅循環(huán)荷載共同作用下的吸力錨模

6、型試驗(yàn)。研究了不同試驗(yàn)條件下錨的變形過程、破壞模式、承載力特性及孔壓發(fā)展規(guī)律。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在循環(huán)荷載作用下，錨均因發(fā)生過大的系泊向累積位移而破壞，當(dāng)無豎向附加荷重時(shí)，無論等幅還是變幅加載，錨的豎向累積位移均大于水平累積位移，在等幅加載下表現(xiàn)為典型的豎向破壞模式，在變幅加載下表現(xiàn)為偏于豎向破壞的中間破壞模式；當(dāng)在豎向施加0.3kN的附加荷重時(shí)，錨在循環(huán)荷載作用下表現(xiàn)為典型的水平破壞模式。與靜力加載相比，循環(huán)加載時(shí)錨的運(yùn)動(dòng)方向角明顯增大，豎向

7、運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，甚至發(fā)生破壞模式的轉(zhuǎn)變，分析錨底和錨側(cè)被動(dòng)區(qū)測(cè)點(diǎn)處孔壓的變化規(guī)律可知，這可能是由于孔壓累積導(dǎo)致豎向承載力的減弱比水平承載力更為顯著所致。
　　利用建立的增量彈塑性有限元方法對(duì)吸力錨的模型試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值分析，通過數(shù)值分析結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了有限元分析方法的可行性。建立了均勻土層和分層土中吸力錨的三維有限元計(jì)算模型，對(duì)吸力錨在等幅循環(huán)荷載以及變幅循環(huán)荷載作用下的變形過程進(jìn)行模擬分析。進(jìn)一步，將有限元分析結(jié)果與模型試

8、驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了有限元分析方法的可行性。對(duì)比結(jié)果顯示，在不同的加載條件下，有限元算法得到的錨沿系泊方向的位移時(shí)程曲線，錨系泊點(diǎn)沿水平方向、豎直方向累積位移的預(yù)測(cè)結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果基本一致；錨破壞時(shí)的變形情況，破壞模式及循環(huán)破壞次數(shù)也與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。表明建立的增量彈塑性有限元算法可以在一定程度上評(píng)價(jià)靜荷載與循環(huán)荷載共同作用下吸力錨基礎(chǔ)的變形失穩(wěn)過程，還可以依據(jù)適當(dāng)?shù)奈灰破茐臉?biāo)準(zhǔn)確定錨的循環(huán)承載力。另外，還利用建立的彈塑性有限元算