粘性土的动力特性实验及数值模拟

粘性土的动力特性实验及数值模拟戴文亭,陈 星,张弘强吉林大学交通学院,长春 130025摘要:使用产自日本的DT C-306型多功能电液伺服动态三轴仪,对粉质粘土进行动三轴试验。

在试验提供的各种参数和数据的基础上,利用有限元程序A BA Q U S 建立动三轴试件的三维有限元模型,模拟在循环荷载作用下粉质粘土的动力变形特性;并通过与动三轴试验相关数据的大量对比分析,验证了模型的可靠性。

然后在建立的三维有限元模型的基础上,进一步用数值模拟的方法研究了土体动力变形与各影响因素间的关系,得出如下结论:初始弹性模量、阻尼系数、受荷形式对土的塑性变形影响最大,应力幅值、围压、频率、加荷周数次之,加载波形的影响最小,不同波形对塑性变形的影响取决于荷载最大值时历时的长短。

有限元数值模拟方法在一定程度上可以替代动三轴实验。

关键词:动三轴;循环荷载;动力特性;有限元法;数值模拟;粘性土中图分类号:P642.11 文献标识码:A 文章编号:1671-5888(2008)05-0831-06收稿日期:2008-03-07基金项目:国家/8630项目(2007A A11Z114)作者简介:戴文亭(1964)),男,江苏丰县人,副教授,博士,主要从事道路岩土工程方面的教学与研究工作,E -ma il:da-iw enting 64@163.co m 。

Experiment and Nu merical Simulation ofDynamic Behavior for Cohesive SoilsDAI Wen -ting,CH EN Xing ,ZH A NG H ong -qiangColleg e of Tr ansportation and Tr af f ic ,J ilin Univ er sity ,Ch angch un130025,ChinaAbstract:T he dy namic tr-i ax ial instr um ent of DT C -306m ade in Japan is used to make cy clic tr-i ax ial test o f silty clay under dy nam ical loading by lo ad control.On the basis o f various parameters and data offered fr om the test,utilizing comm on finite element procedur e ABAQUS to set up the three -d-i m ensio nal finite element mo del of the dy nam ic tr-i ax ial sam ple,the dynamical defor mation behavior o fsilty clay under cy clic load is simulated.T hr oug h a lot of co ntrast analy sis to the dynamic tr-i ax ial test relation data,the r eliability of the m odel is validated.Then based on the finished three -dim ensional f-i nite element m odel,the relationship betw een dy namic deform ation and the influence factors is re -searched,and the results are as follo w s:the first im po rtant influential factors of so il plastic defo rmatio n ar e initial elastic modulus,damping facto r and ty pe of cy clic load,then the m ag nitude of cyclic lo ad,sur -r ounding stress,frequency and the number of cyclic times,and the m inimum influential facto r is type o f load w av e.T he numerical sim ulation method of finite elem ent can substitute the dynamic tr-i ax ial test to a certain ex tent.Key words:dynam ic tr-i ax ial test;cyclic load;dynamical behav io r;finite elem ent method;numer-i cal sim ulation;viscosity soil第38卷 第5期2008年9月吉林大学学报(地球科学版)Jour nal of Jilin U niver sity(Ea rth Science Editio n)Vo l.38 No.5Sep.20080引言随着我国经济建设和交通运输事业的发展,车流量、行车速度和载重量不断增加,特别是随着高速铁路建设,如京沪高速等在我国的大规模开展,循环施加的交通荷载[1-2]对路基受力变形特性的影响也越来越大[3-6];而我国东部沿海地区广泛分布着高含水量的粘性土,路基的沉降病害问题十分突出,如高速公路路面因路基下沉而致开裂。

因此,对粘性土受循环荷载作用下的动力特性问题进行研究具有十分重要的意义。

土体动三轴试验可以很好地模拟动荷载的施加过程及土体现场实际的三向受力状态,因此试验结果更能反映土体实际变形状况。

但动三轴试验本身从制件到荷载试验,需耗费大量物力和时间,故本文尝试采用有限元数值模拟来替代部分实际试验,以节省研究的时间和费用,推动土动力学研究以更快的速度发展[6-7]。

1循环荷载下粘性土弹塑性模型迄今为止,研究土体动荷载作用下变形特性的本构模型有三大类,即边界面模型、套叠屈服面模型及基于广义塑性理论的弹塑性模型[7-8]。

本文在有限元分析中使用基于Mohr-Coulomb屈服准则的弹塑性模型。

2动三轴试验2.1试验土样实验采用长春市卫星路取土场的中液限粉质粘土,取样深度2.5m。

其基本物理力学参数如下:密度为1.96g/cm3,最佳含水量为21%,液限为34%,塑性指数为11.6,内聚力(c)为47kPa,内摩擦角(U)为34b。

2.2动三轴试验试验土样为直径70mm、高度140m m的圆柱体击实成型试件(图1)。

试样真空抽气饱和后等向固结,在不排水条件下先施加大小为0.5q d静荷载,然后施加正弦波荷载,振幅0.5q d,频率为1H z。

其中q d为试验中的竖向荷载,单位kPa。

仪器为日本DT C-306型多功能电液伺服动态三轴仪,采用应力控制方式。

一台WX2400X-Y绘图仪用于记录试验数据,选用应变5%为破坏标准。

图1动三轴试验现场及土样Fig.1Scene and soil specimen of the dynamic tr-i axial test2.3滞回曲线图2为实验所得的不同动应力和围压条件下部分动应力和位移关系图。

从图中可以看出,土在往复荷载作用下会因土粒相互滑移形成新的排列而产生不可恢复的永久塑性变形。

3有限元计算分析3.1三维有限元模型的建立用ABAQUS软件建立的三维有限元模型[9-10]如图3所示。

模型中定义的土材料属性:密度为1.96g/ cm3,杨氏模量为18MPa,泊松比为0.35,渗透系数为1.0@10-7m m/s,孔隙率为0.3,内摩擦角34b,膨胀角0b,固结不排水。

根据土的参数及ABAQUS 软件有限元模型适用条件,采用M ohr-Co ulo mb模型进行数值模拟。

所施加荷载为正弦波形且考虑土样自重,频率为1H z,即q(t)=0.5q d+0.5q d sin2P t。

其中:q(t)为任意t时刻的轴向动荷载值,见图4。

3.2模拟和试验塑性变形的比较与分析由于实验刚开始阶段不稳定,加上有非线性静载段的影响,处理数据复杂而且不准确,所以将第二次加载作为处理和分析数据的起点,每一次的塑性变形从第二次加载开始进行累加,将实验的数值和有限元模拟的数值进行对比。

本文取出了4组数据进行分析比较,如图5。

从图5可以看出,随着循环次数的增加,累积塑性变形逐渐增加,实验和模拟的每一组数据中,塑性变形随循环次数n的变化趋势非常一致,而且每一832吉林大学学报(地球科学版)第38卷图2不同动应力和围压条件下动应力和位移关系图Fig.2Dynamic stress -displacement graph under different dynamic load amplitude and confiningpressure图3三维有限元模型Fig.3The three -dimensional f inite elem entmodel图4循环荷载谱Fig.4Cyclic loading spectrum次循环的塑性变形和累计塑性变形都吻合很好。

经过统计分析,累积塑性变形模拟值与实验值间的误差最大为16.30%,在有限元允许误差20%以内,最小的仅为0.19%,很好地满足了精度要求。

这些都充分说明所建立的有限元模型是正确的,模型中选取的参数是合理的,也表明用模拟的方法来替代动三轴实验是可行的,该方法将极大地节省研究的时间和各种费用,在土动力学分析研究中有推广应用的价值。

实验和模拟之间的误差主要有3个方面的原因:一是仪器原因,如记录数据采用的是WX2400X -Y 绘图仪而不是数字记录,从记录笔绘出的图形上量取数据时存在一定的误差,动三轴实验设备本身也存在一定的偏心,带来误差;二是人为原因,如动三轴实验所需要的土件在制件过程中如不严格按照实验规程制作和击实,会造成土体中粒度成分和级配、土体及土粒结构和胶结程度的很大差异,而这些因素都会在一定程度上影响到土的动力学特性,土件在动三轴实验仪上表现出性质可能完全不同,对结果影响很大,又如实验过程中的手动操作部分和模拟时一些参数的选取都会带来一定的误差;三是环境原因,比如试样保存和实验过程中外界环境温度的变化和水分的散失都会影响实验结果的精确程度。

833第5期 戴文亭,陈 星,张弘强:粘性土的动力特性实验及数值模拟图5模拟和实验塑性变形的比较Fig.5Accumulated plastic deform ation comparison of simulation and test4影响土塑性变形的参数变化规律土的塑性变形的主要影响因素分为内部因素和外部因素。