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随着我国经济的快速发展,需要建设一系列海工建筑物诸如海洋平台、人工岛、码头等以满足国家经济发展的设施要求,由于波浪荷载是海洋地基土受到的最为严峻和频繁的动荷载,海工建筑物设计则需要考虑风、浪、流等环境荷载的作用以及荷载作用后建筑物的稳定性,在这种情况下,海洋粘土在波浪荷载作用下的动力性状,特别是波浪荷载作用后土体强度特性的变化将成为工程建设成功与否的关键因素之一。因此明确海洋粘土在波浪荷载作用下的动力特性以及波浪荷载作用后土体的静力性质才能更好的为我国的经济建设提供技术支撑。
为了研究波浪荷载大小和周期对不同深度土体在波浪荷载作用过程中以及作用后性状的影响,本文利用GDS动三轴仪对天津港软粘土进行了不同固结压力的一系列试验,其中包括不同循环应力比、不同频率的循环荷载作用下土体动三轴试验,循环荷载作用后不排水剪切试验以及未经历循环荷载作用试样的正常固结不排水剪切试验。
试验结果表明,循环荷载幅值σd的大小、循环荷载频率f以及固结压力σc的大小对循环荷载作用下土体的应变特性、孔压特性和动模量弱化特性都有比较大的影响:循环荷载作用下土体的轴向应变由循环应变幅值εq和累积应变εq两部分组成,二者均随着循环应力比η的增大和循环荷载频率f的减小而增大,且随着固结压力σc的增大而增大;平均孔压比值uo/uc随着循环应力比η的增大、固结压力σc的减小以及循环频率f的减小而增大;循环应力比η越大,循环荷载频率f越低,固结压力σc越高,则循环荷载作用下土体的动模量Ec弱化程度越高。
通过与未经历循环荷载作用试样的固结不排水剪切试验相比较,发现循环荷载作用后土体不排水剪切试验的强度、孔隙水压力、模量均表现出一定的规律性,即:循环荷载作用后土体的强度是降低的,具体表现为抗剪强度指标c,ψ值的降低,且降低的幅度随着循环荷载应力幅值σd的增大和循环荷载荷载频率f的减小而增大;平均孔压比值ua/uc则随着循环应力比η的增大、循环荷载频率f的减小和固结应力σc的增大而减小;未经历循环荷载作用的土样静模量E弱化速度和幅度均大于循环荷载作用后的土样,循环荷载作用后土体的静模量E弱化速度和幅度则随着循环应力比η的增大、循环频率f的减小以及固结压力σc的增大而减小。
未经历循环荷载土样的正常固结不排水剪切试验应力-应变关系是可以进行归一化分析的,结果表明天津港海洋粘土按主应力差的渐进值(σ1-σ3)u进行应力-应变关系归一化的效果要优于按固结压力σ3进行应力-应变关系归一化的效果;同时土体在不同循环应力比η和不同循环频率f的循环荷载作用后不排水剪切试验的应力-应变关系也是可以进行归一化分析的,并且用建立起来的归一化方程可以对不同围压下的应力-应变关系进行很好的预测。
采用状态相关的弹塑性本构模型,对试验结果进行了数值模拟;通过对模拟结果和试验结果的对比分析发现,状态相关的弹塑性本构模型不仅能够较好的模拟常规CU试验的应力-应变关系,同时还可以模拟循环荷载作用下土体的应力-应变关系。