软土不排水循环弹塑性本构关系及其在海洋锚固基础变形分析中的应用

发布时间：2017-12-23 10:30

  本文关键词：软土不排水循环弹塑性本构关系及其在海洋锚固基础变形分析中的应用　出处：《天津大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

  更多相关文章： 弹塑性本构模型 边界面理论 非等向硬化模量场 软黏土 土性试验 有限元算法 本构积分算法 吸力锚 模型试验 循环承载力

【摘要】：许多海洋锚固基础,如吸力锚、法向承力锚和大直径筒形基础等,不仅遭受来自上部结构的工作荷载,还遭受来自波浪的循环荷载。分析海洋基础在这些荷载下的变形过程及承载力对海洋基础的稳定性评价尤为重要。为此本文建立了软土的不排水循环弹塑性本构关系,并将其应用于海洋锚固基础的变形分析。以Mises屈服准则构建边界约束面方程,利用硬化模量插值方法及映射中心移动方法,在偏应力空间中构建硬化模量场,建立了一个总应力形式的增量弹塑性边界面模型。该模型依据径向映射法则建立弹塑性模量插值函数,并认为加卸载过程中映射中心随加卸载路径变化而不断移动,通过弹塑性模量的插值及映射中心的移动,使得硬化模量场的演化规律表述简单,跟踪循环应力路径所需记忆的参数较少。另外,模型通过在弹塑性模量插值函数中引入反映剪应变累积速率和大小的参数控制累积剪应变随循环次数的变化规律,不仅可描述循环加载时应力应变曲线的非线性、滞回性、应变累积性等基本特性,还可预测不同初始应力水平、循环应力水平下土单元的应力应变响应。进一步,阐述了利用循环三轴压缩试验确定模型参数的方法,开展了不同静应力比,循环应力比下的循环三轴拉伸、循环扭剪试验,用三轴压缩试验确定的模型参数预测循环三轴拉伸及循环扭剪试验结果,通过预测结果与试验结果的对比,验证了模型对不同应力状态的适用性。编制所建循环弹塑性本构模型的UMAT子程序,将其嵌入有限元软件ABAQUS。依据所建本构模型的特点,形成了基于该模型的弹塑性应力状态确定方法。采用子增量显示欧拉算法确定每次迭代计算后的弹塑性应力状态,通过在子程序中设置与当前应力点弹塑性模量相关的状态变量来更新每个迭代步的弹塑性矩阵;采用径向返回方法把超越边界面的应力状态修正到边界面上,确保任意时刻计算后的应力状态始终落在边界面内或者边界面上;建立了应力反向判断方法,即依据偏应力增量与边界面上像应力点处的外法线向量之间的夹角判断应力反向,进而更新映射中心,确定应力反向后的应力状态。通过联合UMAT子程序与ABAQUS增量求解主程序的功能,形成了计算软土不排水循环变形时程的增量弹塑性有限元方法。进一步,利用该有限元算法对循环三轴及循环扭剪试验两种简单的边值问题进行预测,通过有限元预测结果与用本构模型编制的单元预测程序计算结果的比较,初步验证形成的增量弹塑性有限元算法的正确性。开展了吸力锚在最佳系泊点受平均荷载与循环荷载共同作用的1g模型试验。在强度均匀和强度沿深度线性变化的土层中,开展了吸力锚的静力加载试验、平均荷载与等幅循环荷载共同作用以及平均荷载与变幅循环荷载共同作用下的吸力锚模型试验。研究了不同试验条件下锚的变形过程、破坏模式、承载力特性及孔压发展规律。试验发现,在循环荷载作用下,锚均因发生过大的系泊向累积位移而破坏,当无竖向附加荷重时,无论等幅还是变幅加载,锚的竖向累积位移均大于水平累积位移,在等幅加载下表现为典型的竖向破坏模式,在变幅加载下表现为偏于竖向破坏的中间破坏模式;当在竖向施加0.3kN的附加荷重时,锚在循环荷载作用下表现为典型的水平破坏模式。与静力加载相比,循环加载时锚的运动方向角明显增大,竖向运动增强,甚至发生破坏模式的转变,分析锚底和锚侧被动区测点处孔压的变化规律可知,这可能是由于孔压累积导致竖向承载力的减弱比水平承载力更为显著所致。利用建立的增量弹塑性有限元方法对吸力锚的模型试验进行数值分析,通过数值分析结果与模型试验结果的对比,验证了有限元分析方法的可行性。建立了均匀土层和分层土中吸力锚的三维有限元计算模型,对吸力锚在等幅循环荷载以及变幅循环荷载作用下的变形过程进行模拟分析。进一步,将有限元分析结果与模型试验结果进行比较,验证了有限元分析方法的可行性。对比结果显示,在不同的加载条件下,有限元算法得到的锚沿系泊方向的位移时程曲线,锚系泊点沿水平方向、竖直方向累积位移的预测结果与模型试验结果基本一致;锚破坏时的变形情况,破坏模式及循环破坏次数也与试验结果基本一致。表明建立的增量弹塑性有限元算法可以在一定程度上评价静荷载与循环荷载共同作用下吸力锚基础的变形失稳过程,还可以依据适当的位移破坏标准确定锚的循环承载力。另外,还利用建立的弹塑性有限元算法对法向承力锚和吸力沉箱基础的循环失稳过程进行了数值分析,验证了该方法对不同结构形式海洋锚固基础的普遍适用性。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P75

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本文编号：1323537