非共轴本构模型的数值应用及离心机试验研究

非共轴本构模型的数值应用及离心机试验研究在许多实际岩土工程问题中,例如基坑开挖、浅基础地基承载力与变形特性、地震或波浪荷载对海床的作用等,主应力方向的旋转所引起的初始主应力状态的改变是不容忽视的。在主应力方向的旋转过程中,主应力方向与塑性主应变增量方向的旋转变化趋势不是一致的,即存在着非共轴现象。对于非共轴现象的描述及分析是当前土力学研究中的热点问题之一。采用合理的本构模型对非共轴现象及其影响进行研究,通过离心机试验结果对非共轴模型的数值计算结果的合理性进行验证,能够完善传统的岩土材料弹塑性本构模型,也能够为重大工程结构和地基设计提供依据,具有重要的理论价值和实际工程意义。本文围绕着非共轴现象及其对应力-应变关系的影响进行了系统的研究,通过砂土单剪试验的数值模拟研究了非共轴现象及其影响因素,针对浅基础地基承载力与变形特性进行数值计算分析和离心机模型试验研究,通过离心机试验结果对非共轴模型计算结果的合理性进行了验证。主要研究内容和结论如下：1.将角点结构非共轴理论应用到传统弹塑性共轴本构模型中,建立了一种非共轴本构模型。对砂土单剪试验进行有限元数值模拟,研究了非共轴现象及其对应力-应变关系的影响。研究结果表明：非共轴模型得到的主应力方向和塑性主应变增量方向在剪切变形的初期是不重合的,随着剪切变形的深入发展,两者逐渐趋于一致。非共轴现象对应力-应变关系具有“软化”作用,即非共轴模型计算得到的剪应力比的增长速度滞后于共轴模型计算结果的增长速度。与理想弹塑性情况下的计算结果相比,非共轴现象对应力-应变关系的影响在应变硬化情况下更加明显。当采用应力峰值作为密砂的抗剪强度时,需要考虑非共轴模型与共轴模型计算结果之间的差异；当采用临界状态的残余强度作为抗剪强度时,非共轴模型与共轴模型计算结果之间没有差异。静止侧压力系数、竖向应力和流动法则等因素对非共轴现象具有显著的影响。2.在理想弹塑性、应变硬化和应变软化情况下,采用共轴和非共轴模型对浅基础地基荷载-变形问题进行数值分析,研究了非共轴现象对地基荷载-位移关系的影响。研究结果表明：非共轴现象对地基荷载-位移曲线具有“软化”作用,即非共轴模型得到的地基荷载的增长速度要滞后于共轴模型计算结果的增长速度。随着浅基础下方土体单元水平位置的增加,主应力方向的旋转越来越显著,非共轴现象也越来越明显。非共轴现象在浅基础边缘下方深度较浅处比较明显。与理想弹塑性情况下的计算结果相对比,非共轴现象对地基荷载-位移关系的影响在应变硬化和应变软化情况下更加明显,在应变硬化和软化模型的基础上考虑非共轴现象的影响具有实际意义。研究非共轴现象对数值计算结果的影响时,需要考虑基础形式、基础埋深和偏心距的变化。3.对浅基础地基承载力与变形特性进行了离心机模型试验研究,分析了地基荷载-沉降关系的特点、地基承载力系数Nγ与基础宽度的关系、以及基础尺寸效应。研究结果表明：对于中密砂地基而言,试验所得到的地基竖向荷载-位移关系曲线没有显著的拐点或曲线斜率突变阶段；随着竖向位移的增加,竖向荷载-位移曲线的初始斜率随着基础宽度的增加而增加；将确定地基承载力特征值fak时所采用的V/D提高到0.015～0.05时,试验结果与理论公式的结果比较接近；基础尺寸效应在基础沉降较大时比较明显,试验所得到的Nγ与理论公式结果比较接近；当基础沉降较小时,基础尺寸效应不明显,试验所得到的Nγ低于理论公式结果。对于密砂地基而言,离心机试验得到的竖向荷载-位移关系曲线具有明显的拐点；地基承载力随着基础宽度的增加而增加；地基承载力随着基础埋深的增加而增加,该结论在基础宽度较小时比较明显；达到地基承载力时的基础沉降δ对于Nq的影响不明显,δ对Nγ的影响比较明显,考虑δ时的Nγ低于不考虑δ时的Nγ；基础形式的变化对Nγ的影响比较明显,其对Nq的影响不明显。与方形浅基础的试验结果相比,圆形浅基础试验结果中的基础尺寸效应更加明显。4.对浅基础离心机试验进行数值模拟,将数值计算结果与试验结果进行对比分析。从地基荷载-位移关系和地基承载力两个方面,验证了非共轴模型计算结果的合理性。研究结果表明：当基础沉降较小时,数值计算得到的竖向荷载-位移关系曲线的斜率大于离心机试验结果的斜率,共轴模型与非共轴模型的计算结果之间的差异不明显；随着基础沉降的增加,非共轴模型与共轴模型计算得到的荷载-位