一种砂土循环动力响应预测方法技术

本发明专利技术公开了一种砂土循环动力响应预测方法，首先通过固结试验得到土体临界状态孔隙比与围压关系曲线；采用静三轴仪测定砂土在静力荷载作用下的应力应变关系，得到静力加载应力应变曲线；采用动三轴仪测定砂土在动力荷载作用下的应力应变关系，得到动力应力应变曲线；然后在应力空间中构建塑性硬化模量场作为评估模型；分别依次对三个曲线进行拟合，得到模型中的土体参数；基于评估模型，利用土体参数来预测砂土循环动力响应。本发明专利技术提供的方法同时评估砂土在排水条件与不排水条件下应力应变特性，不仅能够准确描述排水条件下砂土的强度演变规律，并且通过精确捕捉孔压的变化，可以准确计算不排水条件下砂土的有效应力变化规律。化规律。化规律。

【技术实现步骤摘要】
一种砂土循环动力响应预测方法


[0001]本专利技术涉及岩土力学
，具体涉及一种砂土循环动力响应预测方法。

技术介绍

[0002]目前已有的适用于砂土动力加载的评估方法，主要关注不排水条件下的应力应变响应，尤其是地震荷载作用下的砂土振动液化现象。然而，现有针对排水条件下砂土动力响应的评估方法又缺乏对不排水条件下应力应变特性的考虑。对于风、浪、流作用于海洋工程结构物而引起的长期、低频动力荷载，结构周围的砂土基本处于完全排水状态，此时土体刚度变化受内部颗粒排布演变的影响。而对于短期、高频的循环荷载，砂土处于不排水状态，土体的应力应变特性受孔压影响，与排水状态的刚度演变有所不同。现有技术或者针对不排水条件下的砂土动力加载响应，或者针对排水状态，缺乏对两种土体状态的统筹考虑。

技术实现思路

[0003]有鉴于此，本专利技术实施例提供了一种砂土循环动力响应预测方法，通过构建评估模型同时反映砂土在排水条件与不排水条件下应力应变特性，进而对砂土的循环动力响应有较好的预测精度。
[0004]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0005]本专利技术实施例提供了一种砂土循环动力响应预测方法，包括：
[0006]通过固结试验得到土体临界状态孔隙比与围压关系曲线；
[0007]采用静三轴仪测定砂土在静力荷载作用下的应力应变关系，得到静力加载应力应变曲线；
[0008]采用动三轴仪测定砂土在动力荷载作用下的应力应变关系，得到动力应力应变曲线；
[0009]在应力空间中构建塑性硬化模量场作为评估模型；
[0010]分别依次对所述土体临界状态孔隙比与围压关系曲线、所述静力加载应力应变曲线及所述动力应力应变曲线进行拟合，得到模型中的土体参数；
[0011]基于所述评估模型，利用所述土体参数来预测砂土循环动力响应。
[0012]可选的，所述在应力空间中构建塑性硬化模量场作为评估模型，包括：构建反映土体所经历最大应力水平的解析面方程、计算加载指数、建立状态相关剪胀方程计算土体剪胀比、构建应力应变增量关系、计算塑性模量及计算孔压增量。
[0013]可选的，通过以下公式构建解析面方程Y：
[0014][0015]式中：分别为应力点(p,s)在塑性模量场中共轭点的坐标，符号“：”表示张量间的双点积，z为决定土体应变方向的参数、w为土体硬化速率的控制参数，M是临界状态
应力比，其在压缩与拉伸时的取值分别为M
c
、M
e
，计算公式为：
[0016][0017]式中：φ为临界状态摩擦角。
[0018]可选的，共轭应力点处解析面的外法线方向y即为塑性加载方向，用以计算加载指数L，其表达式如下：
[0019][0020][0021]式中：K
p
为当前应力状态所对应的塑性模量，L的数值大小代表了即将发生的塑性变形的大小，同时L的正负号定义了土体的加卸载准则，其数学表达如下：
[0022][0023]可选的，建立状态相关剪胀方程，包括：
[0024]采用剪胀方程来计算土体的剪胀比d：
[0025][0026]式中：d0为控制体应变大小的材料常数，取值为正数；分别为塑性体应变增量与塑性偏应变增量n
d
为反映体应变对状态参数依赖程度的模型参数；ρ为加载起始点到应力点的距离，为应力共轭点到加载起始点的距离；ψ为当前孔隙比e和临界状态孔隙比e
c
之差状态参数，即
[0027]ψ＝e
‑
e
c
ꢀꢀꢀ
(7)
[0028]其中
[0029][0030]式中：p
at
代表标准大气压，作为对平均正应力p进行归一化处理的参考值；e
Γ
为极限孔隙比，λ为控制临界孔隙比大小的参数，ξ为反映应力对临界孔隙比影响程度的参数。
[0031]可选的，构建应力应变增量关系，包括：
[0032]采用次弹性方程描述弹性本构关系，其中，剪切模量G通过以下经验公式进行计算：
[0033][0034]式中：G0为材料常数，体积模量K通过泊松比ν与剪切模量G换算得到，关系如下：
[0035][0036]弹性应变增量与应力增量的关系表示为：
[0037][0038]将剪胀比作为塑性变形方向m的矢量元素，即m＝[d,t]T
，其中t为反映土体压缩或拉伸状态的标量值，土体处于压缩状态时t＝+1，土体处于拉伸状态时t＝
‑
1，土体的塑性应变增量由下式计算：
[0039][0040]式中：<>为Macauley符号，L>0时<L>＝L，L≤0时<L>＝0，
[0041]土体的应力应变增量关系表示为:
[0042][0043]其中，塑性模量表示为：
[0044][0045]式中：s
in
为每一个加载事件开始时的偏应力；C(ζ)为硬化度量函数，反映应力历史中土体颗粒排布演变对刚度变化的影响；n
p
为控制塑性模量对状态参数依赖程度的模型参数。
[0046]可选的，所述硬化度量函数用以评估排水与不排水条件下砂土体积变化与剪切带累积发展对土体强度的影响，其表达式如下：
[0047][0048]其中
[0049][0050][0051]式中：ζ
v
为度量颗粒排布破坏的累积塑性体应变长度，仅累计负的塑性体应变，ζ
v
始终为负，且ζ
v
的累积会降低C(ζ)的取值；ζ
q
为度量颗粒排布强化的累积塑性剪应变长度，ζ
q
始终为正，且无论加载、卸载，ζ
q
一直增大，ζ
q
的累积会使得C(ζ)增大；ω为材料常数；(1
‑
e)为密度控制项，反映孔隙比对土体刚度的影响；γ1为控制塑性模量大小的参数、γ2为反映累积剪应变影响的参数、χ为反映累积体应变影响的参数，代表当前应力状态与历史最大应力状态的差值，反映最大应力历史对土体强度演变的影响。
[0052]可选的，孔压的增量du
w
采用以下公式进行计算：
[0053][0054]可选的，利用公式(8)拟合所述临界孔隙比与围压关系曲线，标定土体临界状态参数(e
Γ
、λ、ξ)。
[0055]可选的，利用公式(13)表示的应力应变增量关系拟合静力加载应力应变曲线，获得土体静力强度参数(G0、ν、M、d0、n
d
、n
p
、ω、χ)，其过程包括：
[0056]假定参数d0、n
d
、n
p
、ω、χ初值进行计算，通过对比试验与计算得到的剪应力峰值，调整n
p
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种砂土循环动力响应预测方法，其特征在于，包括：通过固结试验得到土体临界状态孔隙比与围压关系曲线；采用静三轴仪测定砂土在静力荷载作用下的应力应变关系，得到静力加载应力应变曲线；采用动三轴仪测定砂土在动力荷载作用下的应力应变关系，得到动力应力应变曲线；在应力空间中构建塑性硬化模量场作为评估模型；分别依次对所述土体临界状态孔隙比与围压关系曲线、所述静力加载应力应变曲线及所述动力应力应变曲线进行拟合，得到模型中的土体参数；基于所述评估模型，利用所述土体参数来预测砂土循环动力响应。2.根据权利要求1所述的砂土循环动力响应预测方法，其特征在于，所述在应力空间中构建塑性硬化模量场作为评估模型，包括：构建反映土体所经历最大应力水平的解析面方程、计算加载指数、建立状态相关剪胀方程计算土体剪胀比、构建应力应变增量关系、计算塑性模量及计算孔压增量。3.根据权利要求2所述的砂土循环动力响应预测方法，其特征在于，通过以下公式构建解析面方程Y：式中：分别为应力点(p,s)在塑性模量场中共轭点的坐标，符号“：”表示张量间的双点积，z为决定土体应变方向的参数、w为土体硬化速率的控制参数，M是临界状态应力比，其在压缩与拉伸时的取值分别为M
c
、M
e
，计算公式为：式中：φ为临界状态摩擦角。4.根据权利要求3所述的砂土循环动力响应预测方法，其特征在于，共轭应力点处解析面的外法线方向y即为塑性加载方向，用以计算加载指数L，其表达式如下：式如下：式中：K
p
为当前应力状态所对应的塑性模量，L的数值大小代表了即将发生的塑性变形的大小，同时L的正负号定义了土体的加卸载准则，其数学表达如下：
5.根据权利要求4所述的砂土循环动力响应预测方法，其特征在于，建立状态相关剪胀方程，包括：采用剪胀方程来计算土体的剪胀比d：式中：d0为控制体应变大小的材料常数，取值为正数；分别为塑性体应变增量与塑性偏应变增量n
d
为反映体应变对状态参数依赖程度的模型参数；ρ为加载起始点到应力点的距离，为应力共轭点到加载起始点的距离；ψ为当前孔隙比e和临界状态孔隙比e
c
之差状态参数，即ψ＝e
‑
e
c
ꢀꢀꢀꢀ
(7)其中式中：p
at
代表标准大气压，作为对平均正应力p进行归一化处理的参考值；e
Γ
为极限孔隙比，λ为控制临界孔隙比大小的参数，ξ为反映应力对临界孔隙比影响程度的参数。6.根据权利要求5所述的砂土循环动力响应预测方法，其特征在于，构建应力应变增量关系，包括：采用次弹性方程描述弹性本构关系，其中，剪切模量G通过以下经验公式进行计算：式中：G0为材料常数，体积模量K通过泊松比ν与剪切模量G换算得到，关系如下：弹性应变增量与应力增量的关系表示为：将剪胀比作为塑性变形方向m的矢量元素，即m＝[d,t]
T
，其中t为反映土体压缩或拉伸状态的标量值，土体处于压缩状态时t＝+1，土体处于拉伸状态时t＝
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李洲，张炜，代加林，翟汉波，罗仑博，于光明，杜梦蛟，李鹏，
申请(专利权)人：中国长江三峡集团有限公司，
类型：发明
国别省市：