地基与结构的非线性特征

地基与结结构的非非线性特特征和共共同作用用11地基基与结构构的非线线性特征征和共同同作用土的应力力—应变变关系土的变形形特征和和本构模模型钢筋混凝凝土的材材料变形形性质的的非线性性特征地基土与与基础结结构的非非线性共共同作用用和反演演分析理理论11.1概概述应力—应应变关系系：亦称本构构关系，，是在整整理分析析试验数数据的基基础上提提出来的的。在试验基基础上提提出某种种数学模模型，把把特定条条件下的的试验结结果推广广到一般般情况，，这种数数学模型型就叫做做本构模型型。弹性变形形、塑性性变形一般情况况下岩土土类介质质在应力力超过一一定限度度（弹性性极限或或称屈服服应力））后，其其变形在在卸载后后有一部部分变形形可恢复复，另一一部分变变形是不不可恢复复的，前前者称可逆变形形或弹性变变形，后后者一般般称为不可逆变变形或是塑性性变形。。传统的弹弹性理论论是基于金金属材料料的变形形机制发发展起来来的。。岩土的变变形性态态不完全等等同于金金属材料料，土有有别于金金属和混混凝土等等连续的的统一体体固体材材料，需需要研究究岩土弹弹塑性状状态下特特有的属属性。应力与应应变应力球张张量和应应力偏张张量I1J1J2共同作用用分析结构物的的重量由由土的支支承力和和地下水水的浮力力来平衡衡，即通通常所说说的静力力平衡。。上部结构构与其基础结构构和支承介介质地基土组成静力平衡衡体系，这三部部分是彼彼此不可可分离的的整体，，每一部部分的工工作性状状都是三三者共同同作用的的结果。。11.3土土的的本构构模型型11.3.1土土的的变形形特性性三轴压压缩试试验：：真三三轴，，常规规三轴轴1）非非线性性和弹弹塑性性土体应应力-应变变关系系(a)硬硬化型型(b)软软化型型土体具具有的的剪缩缩和剪剪胀特特征统统称剪胀性性。对于软软土和和松砂砂，剪剪应力力引起起土体体压缩缩，称称为剪缩；对于于密实实粘土土和紧紧砂，，剪应应力引引起土土体膨膨胀，，称为为剪胀。砂土的的剪胀胀性正常固固结粘粘土与与松砂砂应力力－应应变双双曲线线超固结结粘土土或密密实砂砂2）应应力路路径和和应力力历史史的影影响应力路路径是是指应应力空空间中中代表表应力力状态态点在在加载载时移移动的的轨迹迹。不不同的的应力路路径代代表不不同的的加荷荷方式式。应力历历史即即指历历史上上的应应力路路径，，也影影响着着土体体今后后的变变形。。3）中中主应应力的的影响响中主应应力σσ2对土体体变形形有影影响。。4）固固结压压力的的影响响在土体体的三三轴试试验中中，大大幅度度地改改变固固结压压力σσ3将发现现其（（σ1-σ3）~εεa和εa~εv曲线的的特征征有所所不同同。统统表表现出出剪缩缩和硬硬化现现象。三轴压压缩试试验：：常规规三轴轴5）各各向异异性地基土土的各向异异性分分原生生和再再生两两种。原生各各向异异性是是由于于地基基土水水平向向成层层，水水平和和竖向向土的的结构构有差差异，，导致致土体体应力力-应应变关关系和和渗透透性的的各向向异性性。再生各各向异异性是是土体体各向向应力力状态态不同同引起起的新新的各各向异异性。。6）流流变性性具有弹性、、塑性性和粘粘滞性性的粘弹弹塑性性体。。土体的的应变变和强强度除除与有有效应应力有有关外外，还还受到到时间的影响响，这这种特特征称称为土的流流变性性质。。本讲本讲要要点了解共共同作作用分分析；；理解土土的变变形特特性11.3.2弹弹性性非线线性模模型1.Duncan-chang模模型；；Duncan等等人利利用常常规三三轴压压缩试试验所所得的的一组组试验验曲线线，找找出其其共同同数学学公式式，从从这一一数学学公式式导出出切线线弹性性模量量Et的变化化公式式：第一类类是以以弹性性模量量和泊泊松比比两个个常数数表达达，称称作非非线性性弹性性模型型；第二类类称作作非非线性性模型型国内外外广泛泛采用用，既既适用用于粘粘性土土，也也适用用于砂砂土，，但不不适应应于密密砂，，超固固结土土。主要优点：：可以利利用常常规三三轴剪剪切实实验所所确定定的计计算参参数。。局限性性：非线性性弹性性模型型一般般只适适用于于荷载载不太太大的的条件件，不不太接接近破破坏的的条件件。此模型型应用用单一一剪切切试验验结果果进行行全部部应力力应变变分析析，均均根据据围压压为常常量的的试验验结果果推算算，因因此它它适应应于土土体的的稳定定分析析为主主的工工程。。Duncan-chang模模型没没有考考虑剪胀性性和应应力路路径问问题11.3.3弹弹塑塑性模模型弹塑性性模型型把总应变变分为为弹性性应变变和塑塑性应应变两两部分分。LADE-DANCAN模型型，清清华大大学的的模型型。从能量量公式式出发发，推推导其其屈服服函数数，并并选出出加工工硬化化定律律，从从而建建立应应力应应变关关系，，如著著名剑桥模模型。。11.4钢钢筋混混凝土土材料料变形形性质质的非非线性性特征征钢筋混混凝土土梁M~n试验验曲线线①在混混凝土土出现现裂缝缝之前前，即即图中中OA段：：②混凝凝土出出现裂裂缝后后，钢钢筋进进入流流动状状态之之前，，即图图中AB段段③长期期刚度度B为为式中Mq和MK为按荷荷载效效应的的准永永久组组合、、标准准组合合计算算的弯弯矩，，按《混混凝土土结构构设计计规范范》（（GBJ50010-2002））中第第8.2.5条条采用用。11.5地地基基土与与基础础结构构的非非线性性共同同作用用对地基基土和和基础础结构构材料料（钢钢筋混混凝土土）分分别采采用前前述的的非线线性本本构关关系，，用荷荷载增增量法法，即即可按按共同同作用用方程程进行行非线线性共共同作作用分分析。。对每级级荷载载建立立平衡衡方程程，地地基土土和基基础结结构的的刚度度系按按上一一级荷荷载施施加后后累计计的应应力水水平来来确定定。（1））地基基上的的有限限大板板考虑基基础材材料的的非线线性可可大大大提高高承载载能力力的估估计值值。（2））地基基上的的无限限大板板(3)空间间问题题的试试验验验证地基与与基础础不同同非线线性组组合下下共同同作用用的结结果①板为为线弹弹性，，地基基土亦亦为线线弹性性；②板为为非线线性弹弹性，，地基基土仍仍为线线弹性性；③板为为线弹弹性，，地基基土为为非线线性弹弹性。。④板和和地基基土均均为非非线性性弹性性。刚性板板:地地基土土的非非线性性对基底底反力力和板板内力力的分分布形形式与与数值值大小小起着着决定定性的的影响响。柔性板板:决定反反力和和内力力分布布形式式与大大小的的主要要因素素是钢筋混混凝土土的非非线性性，而地地基土土的非非线性性所起起作用用相比比较而而言就就很小小。不同非线性性组合下基基础板计算算结果11.6地地下工程程反分析首先建立问问题的力学学模型，然然后根据介介质的力学学参数、受受力状态和和边界条件件以及施工工条件，求求出岩土体体的位移、、应力和应应变等物理理量，这一一过程称之之为正分析。从结果反过过来寻求岩岩土体的本本构模型和和相应的计计算参数的的过程与正正分析正好好相反，称之为反分