动荷载作用下人工冻土力学特性及本构模型研究

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通过室内试验研究获得动荷载作用下人工冻黏土变形规律,基于试验结果推导了人工冻土动荷载本构满足改进的西源模型,通过冻结井塔基础现场实测验证了动荷载冻土本构模型的正确性。采用正弦波模拟冻结井塔基础在提升荷载作用下的变形规律。试验方案中考虑的因数为:人工冻土震动频率取:0.2HZ、0.4HZ、0.6HZ;冻结温度:-5℃、-10℃、-15℃;固结围压:0.5MPa、1.0MPa、1.5MPa等,共计试验次数81次。通过应用正交方法安排冻黏土试验方案,只需要9次能不重复完成所有试验项目内容。并获得如下结论:动荷载作用下冻土体的动弹性模量受温度影响最大;温度升高,动弹模降低;温度降低,动弹模增大,增幅约为:10MPa/℃。动弹模随围压波动起伏,随振动频率增大而增大,达到0.25MPa/Hz。随动应变的增加而增大,达到0.05MPa/%。动剪切模量随围压的增加而增大,随荷载振次的增加而降低,随温度的降低而线性增加,增幅为:150MPa/℃。冻土的动阻尼比随应变幅值和围压的增大而增大,随着温度的降低而迅速变小,随着荷载振动频率的增大而降低。冻结黏土的动蠕变曲线分为明显的三个阶段:稳定蠕变阶段、衰减蠕变阶段和加速蠕变阶段。依据人工冻土室内动三轴试验结果,基于动力学、连续介质力学和冻土力学原理,建立人工冻土在动荷载作用下的本构模型,即弹-黏弹-黏塑性本构模型,并提出模型参数确定方法,推导出其弹性应变柔度矩阵、黏塑性应变柔度矩阵,并嵌入到大型数值模拟软件ADINA中进行拟合,并将拟合结果与试验实测数据进行比较,发现拟合值与实测值吻合较好。本文以淮南顾北矿井塔基础的工程实测为依托,利用本文提出的弹-黏弹-黏塑性动本构模型及参数确定方法对井塔基础进行数值计算,结果表明理论计算的冻结壁位移与实测位移变换规律一致,且数值相差误差在允许范围内。说明采用弹-黏弹-黏塑性动本构模型理论计算获得的冻结壁应力场和位移场是合理的。
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