1、 832吉林大學學報(地球科學版第38卷0引言隨著我國經濟建設和交通運輸事業(yè)的發(fā)展,車流量、行車速度和載重量不斷增加,特別是隨著高速鐵路建設,如京滬高速等在我國的大規(guī)模開展,循環(huán)施加的交通荷載1刮對路基受力變形特性的影響也越來越大3刮;而我國東部沿海地區(qū)廣泛分布著高含水量的粘性土,路基的沉降病害問題十分突出,如高速公路路面因路基下沉而致開裂。因此,對粘性土受循環(huán)荷載作用下的動力特性問題進行研究具有十分重要的意義。土體動三軸試驗可以很好地模擬動荷載的施加過程及土體現(xiàn)場實際的三向受力狀態(tài),因此試驗結果更能反映土體實際變形狀況。但動三軸試驗本身從制件到荷載試驗,需耗費大量物力和時間,故本文嘗試采用有

2、限元數(shù)值模擬來替代部分實際試驗,以節(jié)省研究的時間和費用,推動土動力學研究以更快的速度發(fā)展6。7J。l循環(huán)荷載下粘性土彈塑性模型迄今為止,研究土體動荷載作用下變形特性的本構模型有三大類,即邊界面模型、套疊屈服面模型及基于廣義塑性理論的彈塑性模型"剖。本文在有限元分析中使用基于MohrCoulomb屈服準則的彈塑性模型。2動三軸試驗2.1試驗土樣實驗采用長春市衛(wèi)星路取土場的中液限粉質粘土,取樣深度2.5m。其基本物理力學參數(shù)如下:密度為1.96g/cm3,最佳含水量為21%,液限為34%,塑性指數(shù)為11.6,內聚力(f為47kPa,內摩擦角(壚為34。2.2動三軸試驗.試驗土樣為直徑70

3、mm、高度140mm的圓柱體擊實成型試件(圖1。試樣真空抽氣飽和后等向固結,在不排水條件下先施加大小為0.5qa靜荷載,然后施加正弦波荷載,振幅0.5qa,頻率為1Hz。其中q。為試驗中的豎向荷載,單位kPa。儀器為日本DTC一306型多功能電液伺服動態(tài)三軸儀,采用應力控制方式。一臺WX2400XY繪圖儀用于記錄試驗數(shù)據(jù),選用應變5%為破壞標準。圖1動三軸試驗現(xiàn)場及土樣Fig.1Scene and soil specimen of the dynamic tri-axial test2.3滯回曲線圖2為實驗所得的不同動應力和圍壓條件下部分動應力和位移關系圖。從圖中可以看出,土在往復荷載作用下會

4、因土粒相互滑移形成新的排列而產生不可恢復的永久塑性變形。3有限元計算分析3.1三維有限元模型的建立用ABAQUS軟件建立的三維有限元模型L9。10如圖3所示。模型中定義的土材料屬性:密度為1.96g/ cm3,楊氏模量為18MPa,泊松比為0.35,滲透系數(shù)為1.0×10mm/s,孔隙率為0.3,內摩擦角34。,膨脹角0。,固結不排水。根據(jù)土的參數(shù)及ABAQUS 軟件有限元模型適用條件,采用MohrCoulomb 模型進行數(shù)值模擬。所施加荷載為正弦波形且考慮土樣自重,頻率為1Hz,即q(一0.5qd-t-O.5qd sin2nt。其中:q(為任意t時刻的軸向動倚載值,見圖4。3.2模

5、擬和試驗塑性變形的比較與分析由于實驗剛開始階段不穩(wěn)定,加上有非線性靜載段的影響,處理數(shù)據(jù)復雜而且不準確,所以將第二次加載作為處理和分析數(shù)據(jù)的起點,每一次的塑性變形從第二次加載開始進行累加,將實驗的數(shù)值和有限元模擬的數(shù)值進行對比。本文取出了4組數(shù)據(jù)進行分析比較,如圖5。從圖5可以看出,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,累積塑性變形逐漸增加,實驗和模擬的每一組數(shù)據(jù)中,塑性 變形隨循環(huán)次數(shù)n的變化趨勢非常一致,而且每一第5期戴文亭,陳星,張弘強:粘性土的動力特性實驗及數(shù)值模擬833(aol-480kPa,o3=100kPa,9周破壞(bol=580kPa,o3=200kPa,15周破壞(c01640kPa,03=

6、300kPa,23周破壞(doI=680kPa,o,=300kPa,7周破壞圖2不同動應力和圍壓條件下動應力和位移關系圖Fig.2Dynamic stcess-displacement graph under different dynamic load amplitude and confining pressure圖3三維有限元模型Fig.3The three-dimensional finite element modelqd量萼和/2O0.250.500.751.001.25t/s圖4循環(huán)荷載譜Fig.4Cyclic loading spectrum 次循環(huán)的塑性變形和累計塑性變形都吻

7、合很好。經過統(tǒng)計分析,累積塑性變形模擬值與實驗值問的誤差最大為16.30%,在有限元允許誤差20%以內,最小的僅為0.19%,很好地滿足了精度要求。這些都充分說明所建立的有限元模型是正確的,模型中選取的參數(shù)是合理的,也表明用模擬的方法來替代動三軸實驗是可行的,該方法將極大地節(jié)省研究的時間和各種費用,在土動力學分析研究中有推廣應用的價值。實驗和模擬之間的誤差主要有3個方面的原因:一是儀器原因,如記錄數(shù)據(jù)采用的是WX2400X Y繪圖儀而不是數(shù)字記錄,從記錄筆繪出的圖形上量取數(shù)據(jù)時存在一定的誤差,動三軸實驗設備本身也存在一定的偏心,帶來誤差;二是人為原因,如動三軸實驗所需要的土件在制件過程中如不嚴

8、格按照實驗規(guī)程制作和擊實,會造成土體中粒度成分和級配、土體及土粒結構和膠結程度的很大差異,而這些因素都會在一定程度上影響到土的動力學特性,土件在動三軸實驗儀上表現(xiàn)出性質可能完全不同,對結果影響很大,又如實驗過程中的手動操作部分和模擬時一些參數(shù)的選取都會帶來一定的誤差;三是環(huán)境原因,比如試樣保存和實驗過程中外界環(huán)境溫度的變化和水分的散失都會影響實驗結果的精確 程度。 吉林大學學報（地球科學版） （）： 第卷 確的。通過對幾組數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析可以看出，由儀 器、人為和環(huán)境三方面原因引起的累積塑性變形模 擬值與實驗值間的誤差最大為，在有限元 允許誤差以內，最小的僅為，很好滿足 了精度的要求。這表明用模

9、擬的方法來替代動三軸 實驗是可行的，該方法將極大地節(jié)省研究的時間和 各種費用，在土動力學分析研究中有推廣應用的價 值。 在建立的三維有限元模型基礎上，進行了土體 塑性變形各影響因素的數(shù)值模擬分析研究，得到了 應力幅值、圍壓、頻率、加荷周數(shù)和加載波形對塑性 變形影響的規(guī)律。 參考文獻（）： 白冰，周健，曹宇春沖擊荷載作用下飽和軟粘土變形 和孔壓特性的若干問題同濟大學學報， ）： 。 ， ，（）： 趙成剛土力學的現(xiàn)狀及其數(shù)值分析方法中某些問題 的討論巖土力學。，（）： 訂。，（）：一 謝定義土動力學西安：西安交通大學出版社， 孫璐，鄧學鈞車輛一路面相互作用產生的動力荷載 東南大學學報，（）： ， ： ， 曾靜，王靖濤土的本構關系的數(shù)值建模方法巖 石力學與工程學報，（增刊）： ，（）： 張興強，閻澎旺，鄧衛(wèi)東交通荷載作用下加筋道路 機理分析巖土工程學報，（）： ， ， ， ， （）： 朱向榮，王金昌軟件中部分土模型簡介及 其工程應用巖