粘性土的动力特性实验及数值模拟

1、 832吉林大学学报(地球科学版第38卷0引言随着我国经济建设和交通运输事业的发展,车流量、行车速度和载重量不断增加,特别是随着高速铁路建设,如京沪高速等在我国的大规模开展,循环施加的交通荷载1刮对路基受力变形特性的影响也越来越大3刮;而我国东部沿海地区广泛分布着高含水量的粘性土,路基的沉降病害问题十分突出,如高速公路路面因路基下沉而致开裂。因此,对粘性土受循环荷载作用下的动力特性问题进行研究具有十分重要的意义。土体动三轴试验可以很好地模拟动荷载的施加过程及土体现场实际的三向受力状态,因此试验结果更能反映土体实际变形状况。但动三轴试验本身从制件到荷载试验,需耗费大量物力和时间,故本文尝试采用有

2、限元数值模拟来替代部分实际试验,以节省研究的时间和费用,推动土动力学研究以更快的速度发展6。7J。l循环荷载下粘性土弹塑性模型迄今为止,研究土体动荷载作用下变形特性的本构模型有三大类,即边界面模型、套叠屈服面模型及基于广义塑性理论的弹塑性模型"剖。本文在有限元分析中使用基于MohrCoulomb屈服准则的弹塑性模型。2动三轴试验2.1试验土样实验采用长春市卫星路取土场的中液限粉质粘土,取样深度2.5m。其基本物理力学参数如下:密度为1.96g/cm3,最佳含水量为21%,液限为34%,塑性指数为11.6,内聚力(f为47kPa,内摩擦角(垆为34。2.2动三轴试验.试验土样为直径70

3、mm、高度140mm的圆柱体击实成型试件(图1。试样真空抽气饱和后等向固结,在不排水条件下先施加大小为0.5qa静荷载,然后施加正弦波荷载,振幅0.5qa,频率为1Hz。其中q。为试验中的竖向荷载,单位kPa。仪器为日本DTC一306型多功能电液伺服动态三轴仪,采用应力控制方式。一台WX2400XY绘图仪用于记录试验数据,选用应变5%为破坏标准。图1动三轴试验现场及土样Fig.1Scene and soil specimen of the dynamic tri-axial test2.3滞回曲线图2为实验所得的不同动应力和围压条件下部分动应力和位移关系图。从图中可以看出,土在往复荷载作用下会

4、因土粒相互滑移形成新的排列而产生不可恢复的永久塑性变形。3有限元计算分析3.1三维有限元模型的建立用ABAQUS软件建立的三维有限元模型L9。10如图3所示。模型中定义的土材料属性:密度为1.96g/ cm3,杨氏模量为18MPa,泊松比为0.35,渗透系数为1.0×10mm/s,孔隙率为0.3,内摩擦角34。,膨胀角0。,固结不排水。根据土的参数及ABAQUS 软件有限元模型适用条件,采用MohrCoulomb 模型进行数值模拟。所施加荷载为正弦波形且考虑土样自重,频率为1Hz,即q(一0.5qd-t-O.5qd sin2nt。其中:q(为任意t时刻的轴向动倚载值,见图4。3.2模

5、拟和试验塑性变形的比较与分析由于实验刚开始阶段不稳定,加上有非线性静载段的影响,处理数据复杂而且不准确,所以将第二次加载作为处理和分析数据的起点,每一次的塑性变形从第二次加载开始进行累加,将实验的数值和有限元模拟的数值进行对比。本文取出了4组数据进行分析比较,如图5。从图5可以看出,随着循环次数的增加,累积塑性变形逐渐增加,实验和模拟的每一组数据中,塑性 变形随循环次数n的变化趋势非常一致,而且每一第5期戴文亭,陈星,张弘强:粘性土的动力特性实验及数值模拟833(aol-480kPa,o3=100kPa,9周破坏(bol=580kPa,o3=200kPa,15周破坏(c01640kPa,03=

6、300kPa,23周破坏(doI=680kPa,o,=300kPa,7周破坏图2不同动应力和围压条件下动应力和位移关系图Fig.2Dynamic stcess-displacement graph under different dynamic load amplitude and confining pressure图3三维有限元模型Fig.3The three-dimensional finite element modelqd量萼和/2O0.250.500.751.001.25t/s图4循环荷载谱Fig.4Cyclic loading spectrum 次循环的塑性变形和累计塑性变形都吻

7、合很好。经过统计分析,累积塑性变形模拟值与实验值问的误差最大为16.30%,在有限元允许误差20%以内,最小的仅为0.19%,很好地满足了精度要求。这些都充分说明所建立的有限元模型是正确的,模型中选取的参数是合理的,也表明用模拟的方法来替代动三轴实验是可行的,该方法将极大地节省研究的时间和各种费用,在土动力学分析研究中有推广应用的价值。实验和模拟之间的误差主要有3个方面的原因:一是仪器原因,如记录数据采用的是WX2400X Y绘图仪而不是数字记录,从记录笔绘出的图形上量取数据时存在一定的误差,动三轴实验设备本身也存在一定的偏心,带来误差;二是人为原因,如动三轴实验所需要的土件在制件过程中如不严

8、格按照实验规程制作和击实,会造成土体中粒度成分和级配、土体及土粒结构和胶结程度的很大差异,而这些因素都会在一定程度上影响到土的动力学特性,土件在动三轴实验仪上表现出性质可能完全不同,对结果影响很大,又如实验过程中的手动操作部分和模拟时一些参数的选取都会带来一定的误差;三是环境原因,比如试样保存和实验过程中外界环境温度的变化和水分的散失都会影响实验结果的精确 程度。 吉林大学学报（地球科学版） （）： 第卷 确的。通过对几组数据的统计分析可以看出，由仪 器、人为和环境三方面原因引起的累积塑性变形模 拟值与实验值间的误差最大为，在有限元 允许误差以内，最小的仅为，很好满足 了精度的要求。这表明用模

9、拟的方法来替代动三轴 实验是可行的，该方法将极大地节省研究的时间和 各种费用，在土动力学分析研究中有推广应用的价 值。 在建立的三维有限元模型基础上，进行了土体 塑性变形各影响因素的数值模拟分析研究，得到了 应力幅值、围压、频率、加荷周数和加载波形对塑性 变形影响的规律。 参考文献（）： 白冰，周健，曹宇春冲击荷载作用下饱和软粘土变形 和孔压特性的若干问题同济大学学报， ）： 。 ， ，（）： 赵成刚土力学的现状及其数值分析方法中某些问题 的讨论岩土力学。，（）： 订。，（）：一 谢定义土动力学西安：西安交通大学出版社， 孙璐，邓学钧车辆一路面相互作用产生的动力荷载 东南大学学报，（）： ， ： ， 曾静，王靖涛土的本构关系的数值建模方法岩 石力学与工程学报，（增刊）： ，（）： 张兴强，阎澎旺，邓卫东交通荷载作用下加筋道路 机理分析岩土工程学报，（）： ， ， ， ， （）： 朱向荣，王金昌软件中部分土模型简介及 其工程应用岩