饱和黄土动力本构模型及其在桩—土—结构体系地震动力相互作用中的应用
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摘要
桩基础作为一种历史悠久且在当今仍被广泛使用的基础形式，在抗震方面具有良好的性能。但在近几次的大地震中，均发现桩基础出现不同程度、不同形式的破坏现象。地震作用下，桩-土-结构体系动力相互作用是当前岩土工程领域的一个研究热点与难点。本文考虑到我国广大黄土地区当前的实际情况，针对该课题研究中常常忽视土体的真实动力力学特性的现象，结合所构建的结构性饱和黄土动力本构模型针对饱和黄土场地以及桩-饱和黄土-结构体系进行了一系列有限元-无限元耦合地震反应分析。论文的主要内容以及取得的主要成果如下：
1．基于饱和黄土的不排水三轴剪切试验，定义了两类超固结状态，分析总结了围压、超固结比、偏压固结比对饱和黄土不排水变形模量和不排水强度的影响规律；引入应力分担率来考察饱和黄土的结构性，结合试验研究了各种因素对其形态的影响；
2．基于室内动三轴试验，研究了五种因素，即围压、超固结比、偏压固结比、动剪应力比、加载频率，对饱和黄土动力特性，包括变形模量以及不排水强度退化规律、超孔隙水压力发展规律的影响，详细分析了各种现象规律产生的原因；
3．建立了饱和黄土的基本应力应变关系式；导出了K_0正常固结饱和黄土不排水强度的理论表达式，并对其进行了考虑土颗粒之间粘结强度的修正；给出了超固结状态与正常固结状态之间不排水强度的变化关系式；考虑拉压不同性质以及中主应力影响对其进行了修正；引入似超固结的概念，建立了变形模量、不排水强度随似超固结比的变化规律；结合试验数据，探讨了结构变化对变形模量以及不排水强度的影响，给出了相应的拟合公式；基于对孔压增长模型的总结以及实验结果，提出了适合于本次研究所用饱和黄土在不排水动力加载下超孔隙水压力的增长模型；
4．给出了饱和黄土动力本构模型建立的步骤，并结合试验数据对其参数的确定进行了研究；引入结构性发挥系数，提出了相应的计算模式；建立了考虑结构性的饱和黄土动荷载作用下不排水变形模量、强度的退化规律关系式，最终构建了考虑饱和黄土结构性的动力本构模型；基于ABAQUS二次开发平台对其实现了程序开发，并进行了相应的验证；
5．基于所建立的结构性饱和黄土的动力本构模型进行了场地、端承桩-土-结构体系、摩擦桩-土-结构体系的地震反应有限元分析，建立了相应的有限元-无限元相耦合的模型；研究了土层厚度变化、超孔隙水压力、土体结构性、地下水位变化，表面硬土层厚度、桩长细比、桩土界面力学行为、地震输入方式等因素对场地、桩-土-结构体系地震反应特性的影响，总结了相应的规律，给工程实践提出了有意义的指导与建议。
The pile foundation has a long history and still be widely used nowadays, it exhibits good seismic performance. But in the large earthquakes lately, the destroies of pile foundations were found to be commonly in different degrees and styles. The dynamic interaction of pile-soil-structure system under earthquake is a popular study in Geotechnical Engineering currently, and it's also a very difficult job. In this paper, the author pay attention to the loess area of our country, and then, on the basis of the established structral dynamic model of saturated loess, the earthquake responses of saturated loess field and pile-saturated loess-structure system are analyzed by finite-infinite element coupling method. The main research and results are as follows.
1. Two different kinds of over-consolidated ratio are defined. Under un-drained tri-axial shearing tests of saturated loess, the effects of some factors, such as consolidated pressure, over-consolidated ratio and anisotropic consolidated ratio, on the un-drained deformation modulus and un-drained strength of saturated loess are analyzed. The stress share ratio is introduced to study the structure of saturated loess, it's variational regulations are studied combine with experiments.
2. Under un-drained dynamic tri-axial shearing tests of saturated loess, the effects of five factors, which includes consolidated pressure, over-consolidated ratio, anisotropic consolidated ratio, dynamic shearing stress ration and loading frequency, on the degradation of un-drained deformation modulus and un-drained strength of saturated loess are studied, the regulation of super-pore pressure's development are also analyzed.
3. The basic stress-stain relations is established to saturated loess. The un-drainied strength of K_0 normal consolidated saturated loess is deduced, and some modified is did to it considering the bond stress of soil grains. The variation relationship is put forward which between the un-drained strength of over-consolidated state to the ones of normal consolidated state, and some modified is did to consider the effects of intermediate principal stress, the different between tension and compression. The quasi-over-consolidated ratio is introduced to consider the effect of super pore pressure, and the formulation is applied to consider the influence of shearing strain. The degenerated formulation of saturated loess' deformation modulus and un-drained strength are deduced at last. The models and the tests results of the super-pore pressure development are summarized, and then the super-pore pressure development model is gave which was fit for the loess used in this tests.
4. The established steps of saturated loess' dynamic model are gave, and some parameters included are studied combine with tests datum. The structure exertion coefficient is introduced and a calculated model is gave. The degradation formulations of saturated loess' un-drained deformation modulus and un-drained strength are deduced which consider the soil's structure. The structural dynamic model of saturated soil is build up and implimented using Fortran language, relevant validation is did through ABAQUS finite element program at last.
5. On the basis of the established saturated loess' structral dynamic model, the earthquake responses of the loess field, end bearing pile-loess-structure and friction pile-loess-structure systems are analyzed by finite-infinite element coupling method. The effects of some factors, which include the change of soil' thickness, super-pore pressure, soil' structure, the change of groundwater level, the thickness of hard soil on the surface, the slenderness ration of pile, the mechanical characteristic of interface between pile and soil, the import mode of earthquake, on the earthquake responses of the loess field, pile-loess-structure systems, and some useful suggestions are gave to engineering practice.
1．基于饱和黄土的不排水三轴剪切试验，定义了两类超固结状态，分析总结了围压、超固结比、偏压固结比对饱和黄土不排水变形模量和不排水强度的影响规律；引入应力分担率来考察饱和黄土的结构性，结合试验研究了各种因素对其形态的影响；
2．基于室内动三轴试验，研究了五种因素，即围压、超固结比、偏压固结比、动剪应力比、加载频率，对饱和黄土动力特性，包括变形模量以及不排水强度退化规律、超孔隙水压力发展规律的影响，详细分析了各种现象规律产生的原因；
3．建立了饱和黄土的基本应力应变关系式；导出了K_0正常固结饱和黄土不排水强度的理论表达式，并对其进行了考虑土颗粒之间粘结强度的修正；给出了超固结状态与正常固结状态之间不排水强度的变化关系式；考虑拉压不同性质以及中主应力影响对其进行了修正；引入似超固结的概念，建立了变形模量、不排水强度随似超固结比的变化规律；结合试验数据，探讨了结构变化对变形模量以及不排水强度的影响，给出了相应的拟合公式；基于对孔压增长模型的总结以及实验结果，提出了适合于本次研究所用饱和黄土在不排水动力加载下超孔隙水压力的增长模型；
4．给出了饱和黄土动力本构模型建立的步骤，并结合试验数据对其参数的确定进行了研究；引入结构性发挥系数，提出了相应的计算模式；建立了考虑结构性的饱和黄土动荷载作用下不排水变形模量、强度的退化规律关系式，最终构建了考虑饱和黄土结构性的动力本构模型；基于ABAQUS二次开发平台对其实现了程序开发，并进行了相应的验证；
5．基于所建立的结构性饱和黄土的动力本构模型进行了场地、端承桩-土-结构体系、摩擦桩-土-结构体系的地震反应有限元分析，建立了相应的有限元-无限元相耦合的模型；研究了土层厚度变化、超孔隙水压力、土体结构性、地下水位变化，表面硬土层厚度、桩长细比、桩土界面力学行为、地震输入方式等因素对场地、桩-土-结构体系地震反应特性的影响，总结了相应的规律，给工程实践提出了有意义的指导与建议。
The pile foundation has a long history and still be widely used nowadays, it exhibits good seismic performance. But in the large earthquakes lately, the destroies of pile foundations were found to be commonly in different degrees and styles. The dynamic interaction of pile-soil-structure system under earthquake is a popular study in Geotechnical Engineering currently, and it's also a very difficult job. In this paper, the author pay attention to the loess area of our country, and then, on the basis of the established structral dynamic model of saturated loess, the earthquake responses of saturated loess field and pile-saturated loess-structure system are analyzed by finite-infinite element coupling method. The main research and results are as follows.
1. Two different kinds of over-consolidated ratio are defined. Under un-drained tri-axial shearing tests of saturated loess, the effects of some factors, such as consolidated pressure, over-consolidated ratio and anisotropic consolidated ratio, on the un-drained deformation modulus and un-drained strength of saturated loess are analyzed. The stress share ratio is introduced to study the structure of saturated loess, it's variational regulations are studied combine with experiments.
2. Under un-drained dynamic tri-axial shearing tests of saturated loess, the effects of five factors, which includes consolidated pressure, over-consolidated ratio, anisotropic consolidated ratio, dynamic shearing stress ration and loading frequency, on the degradation of un-drained deformation modulus and un-drained strength of saturated loess are studied, the regulation of super-pore pressure's development are also analyzed.
3. The basic stress-stain relations is established to saturated loess. The un-drainied strength of K_0 normal consolidated saturated loess is deduced, and some modified is did to it considering the bond stress of soil grains. The variation relationship is put forward which between the un-drained strength of over-consolidated state to the ones of normal consolidated state, and some modified is did to consider the effects of intermediate principal stress, the different between tension and compression. The quasi-over-consolidated ratio is introduced to consider the effect of super pore pressure, and the formulation is applied to consider the influence of shearing strain. The degenerated formulation of saturated loess' deformation modulus and un-drained strength are deduced at last. The models and the tests results of the super-pore pressure development are summarized, and then the super-pore pressure development model is gave which was fit for the loess used in this tests.
4. The established steps of saturated loess' dynamic model are gave, and some parameters included are studied combine with tests datum. The structure exertion coefficient is introduced and a calculated model is gave. The degradation formulations of saturated loess' un-drained deformation modulus and un-drained strength are deduced which consider the soil's structure. The structural dynamic model of saturated soil is build up and implimented using Fortran language, relevant validation is did through ABAQUS finite element program at last.
5. On the basis of the established saturated loess' structral dynamic model, the earthquake responses of the loess field, end bearing pile-loess-structure and friction pile-loess-structure systems are analyzed by finite-infinite element coupling method. The effects of some factors, which include the change of soil' thickness, super-pore pressure, soil' structure, the change of groundwater level, the thickness of hard soil on the surface, the slenderness ration of pile, the mechanical characteristic of interface between pile and soil, the import mode of earthquake, on the earthquake responses of the loess field, pile-loess-structure systems, and some useful suggestions are gave to engineering practice.
引文
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