循環(huán)軟化簡介

在低周疲勞的循環(huán)加載初期，材料對循環(huán)加載的響應(yīng)是一個(gè)由不穩(wěn)定向穩(wěn)定過渡的過程。此過程可分別用應(yīng)力控制下的應(yīng)變-時(shí)間曲線和應(yīng)變控制下的應(yīng)力-時(shí)間曲線描述。循環(huán)硬化是材料在循環(huán)過程中變形抗力不斷提高、應(yīng)變逐漸減小的現(xiàn)象。循環(huán)軟化則是材料在循環(huán)過程中變形抗力不斷減小而應(yīng)變逐漸增加的現(xiàn)象。

深水能源的開發(fā)已成為中國海洋發(fā)展戰(zhàn)略的關(guān)鍵。深水環(huán)境中，用于支撐海洋平臺的各類錨固基礎(chǔ)一般需建在海底軟弱黏土地基上，因此，研究風(fēng)、浪等循環(huán)荷載作用下軟黏土地基的工作性狀顯得尤為重要。大量研究表明，循環(huán)荷載作用下軟黏土發(fā)生剛度軟化并導(dǎo)致強(qiáng)度降低，且軟化程度與循環(huán)次數(shù)、循環(huán)應(yīng)力水平、初始偏應(yīng)力等有關(guān)，并受超固結(jié)比、主應(yīng)力方向、應(yīng)變速率、振動(dòng)頻率等多種因素的影響。土動(dòng)力試驗(yàn)結(jié)果表明：循環(huán)應(yīng)力作用下，軟土軟化特性表現(xiàn)為隨循環(huán)次數(shù)增加，應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線的剪切模量逐漸減小，循環(huán)變形逐漸增大，當(dāng)存在初始靜偏應(yīng)力時(shí)，還伴隨著塑性應(yīng)變的累積。

描述循環(huán)軟化特性模型的基本關(guān)系

描述循環(huán)軟化特性模型的基本關(guān)系主要包括：（1）描述土破壞的邊界面方程；（2）考慮循環(huán)軟化與滯回特性的硬化模量演化規(guī)則；（3）描述剛度弱化特性的循環(huán)軟化關(guān)系；（4）增量彈塑性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

循環(huán)軟化關(guān)系

靜偏應(yīng)力與循環(huán)偏應(yīng)力共同作用下的軟土試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)循環(huán)應(yīng)力不發(fā)生應(yīng)力反向時(shí)，土的剛度軟化現(xiàn)象并不明顯；否則，土將產(chǎn)生明顯的剛度軟化現(xiàn)象。且循環(huán)應(yīng)力相對于靜偏應(yīng)力比值越大，應(yīng)力反向越明顯，軟化現(xiàn)象也就越嚴(yán)重。上述軟化關(guān)系的引入主要為反應(yīng)有應(yīng)力反向時(shí)土體剛度軟化特性。

在荷載的作用下，基體和增強(qiáng)體之間呈現(xiàn)出遠(yuǎn)比天然地基復(fù)雜的相互作用。對水泥土樁復(fù)合地基的工作機(jī)理，目前還沒有統(tǒng)一的認(rèn)識，對于水泥土的動(dòng)力特性的研究更少。循環(huán)荷載作用下，飽和軟粘土將產(chǎn)生剛度軟化現(xiàn)象，循環(huán)軟化特性是研究軟土動(dòng)力特性的一個(gè)重要指標(biāo)。水泥土是否也具有軟化現(xiàn)象，各影響因素對循環(huán)軟化的影響程度如何，是目前國內(nèi)外學(xué)者研究尚少的一個(gè)重要問題。

（1）隨著應(yīng)變的增加，水泥土復(fù)合土動(dòng)彈模量逐漸減小，說明水泥土也同樣存在軟化現(xiàn)象。摻入水泥后的土樣的動(dòng)力特性有了很大程度的改善，隨著水泥摻入比的增加，復(fù)合土樣動(dòng)彈模量增加。循環(huán)應(yīng)力的大小對動(dòng)彈模量-應(yīng)變關(guān)系曲線影響并不顯著；

（2）隨著循環(huán)次數(shù)增加，軟化指數(shù)逐漸減少，復(fù)合土體軟化程度提高。隨著循環(huán)應(yīng)力的增加，在相同的循環(huán)次數(shù)下，軟化指數(shù)逐漸減少；

（3）對應(yīng)于相同的循環(huán)次數(shù)與循環(huán)應(yīng)力，隨著水泥摻入比的增加土體的軟化指數(shù)增加，這證明水泥摻入比的增加將顯著提高復(fù)合土體的強(qiáng)度。對于水泥土復(fù)合土樣，軟化指數(shù)與N之間表現(xiàn)為明顯的線性關(guān)系。

我國是一個(gè)多山地、多地震國家，山區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)形成大量高填方邊坡，不斷發(fā)生的強(qiáng)烈地震嚴(yán)重威脅邊坡穩(wěn)定和基礎(chǔ)設(shè)施安全。地震引起邊坡應(yīng)力波動(dòng)傳播、土體循環(huán)軟化，導(dǎo)致邊坡局部發(fā)生張拉和剪切破壞，并擴(kuò)展為拉裂縫和剪切帶并存的貫通滑裂面，觸發(fā)邊坡失穩(wěn)滑坡。本項(xiàng)目首先試驗(yàn)研究地震作用下土與滑裂面的循環(huán)軟化規(guī)律，確定滑裂面產(chǎn)生與擴(kuò)展準(zhǔn)則，建立基于連續(xù)變形的土體本構(gòu)模型和基于非連續(xù)變形的滑裂面本構(gòu)模型。在此基礎(chǔ)上，提出模擬滑裂面產(chǎn)生和擴(kuò)展過程的連續(xù)-非連續(xù)變形動(dòng)力有限元分析理論及相應(yīng)的求解算法，構(gòu)建邊坡地震響應(yīng)數(shù)值分析平臺。結(jié)合數(shù)值模擬和超重力離心模型試驗(yàn)，再現(xiàn)地震作用下邊坡失穩(wěn)滑坡過程，揭示高填方邊坡地震響應(yīng)動(dòng)力特征、失穩(wěn)模式及其觸發(fā)機(jī)制，分析邊坡結(jié)構(gòu)形式、地震波時(shí)頻特性等對地震穩(wěn)定性的影響規(guī)律。最后，基于連續(xù)-非連續(xù)變形分析，提出邊坡地震穩(wěn)定安全系數(shù)分析方法，為高填方邊坡地震穩(wěn)定性評價(jià)提供技術(shù)支撐。

（1）單調(diào)反復(fù)荷載下的塑性變形累積使道床受擠壓，密實(shí)度增大，殘余位移與卸載點(diǎn)處位移比值隨重復(fù)荷載次數(shù)線性減小，散粒體道床逐漸趨向彈性狀態(tài)。重復(fù)加卸載作用下殘余塑性變形的累積會(huì)影響道床的傳力能力，即同等位移條件下的道床縱向承載能力增加。

（2）散粒體道床在周期性荷載作用下的卸載曲線與加載曲線不重合，形成一條閉合的滯回曲線，存在明顯的能耗現(xiàn)象；隨循環(huán)周次的增加，道床體現(xiàn)出循環(huán)軟化特性，縱向承載能力下降。對于始終處于拉伸 － 壓縮往復(fù)變化狀態(tài)的道床而言，應(yīng)考慮縱向往復(fù)荷載作用下道床阻力 － 位移曲線的軟化效應(yīng)，在進(jìn)行無縫線路設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，若嚴(yán)格按照現(xiàn)有規(guī)范取值，將會(huì)高估道床的縱向傳力能力。

（3）位移幅值對周期性荷載作用下道床縱向阻力性能影響明顯，當(dāng)循環(huán)位移幅值較大時(shí)，道床受擾動(dòng)較大。無縫線路設(shè)計(jì)理論僅是考慮理想彈塑性阻力，對于大塑性變形后阻力變化、大溫差循環(huán)變化等問題的分析，應(yīng)分段、分區(qū)域考慮線路阻力非線性滯回特性。