动主应力轴连续旋转下饱和砂土的亚塑性本构模型及其液化机理研究

强地震作用下许多土工结构物的失事都是由于地基液化或由于液化引起的变形造成的，而引起液化的一个重要因素就是饱和砂土的主应力轴发生了连续旋转导致砂土的强度降低。所以探讨动主应力轴连续旋转下饱和砂土的本构关系具有很强的实践意义。本项目针对普通的亚塑性本构模型不能考虑动主应力轴旋转的影响，以饱和砂土为研究对象，在热力学和非线性连续介质力学的基础上，结合考虑颗粒之间微观接触的应变张量- - 粒间应变张量提出一个可以考虑动主应力轴连续旋转情况下改进的亚塑性本构模型。通过空心扭剪实验和改进的亚塑性本构模型模拟共同探究动主应力轴循环旋转下饱和砂土变形特性、强度特性和孔压变化规律等。通过把考虑动主应力轴连续旋转情况下改进的亚塑性本构模型的有限元程序植入到ABAQUS软件，利用植入后的软件揭示地震荷载下饱和砂土液化的过程和机理以及液化的影响因素，为防止强震下砂土液化、改进重大工程结构及地基设计奠定理论和技术基础。

砂土液化的一个重要原因是饱和砂土的主应力轴发生了连续旋转导致砂土的强度降低。因而探讨动主应力轴连续旋转下饱和砂土的本构关系具有很强的理论与实践意义。针对普通的亚塑性本构模型不能考虑主应力轴旋转的影响，以饱和砂土为研究对象，在热力学和非线性连续介质力学的基础上。通过把亚塑性本构模型里的Jaumann应力率用Green-Melnnis-Naghdi应力率代替，同时对模型的非线性项乘以一个考虑中主应力参数的因子进行了改进。改进后的亚塑性模型对于动荷载的模拟会出现一个重要缺点——棘轮效应。为克服棘轮效应，结合考虑颗粒之间微观接触的应变张量- - 粒间应变张量提出一个可以考虑动主应力轴连续旋转情况下改进的亚塑性本构模型。对于粒间应变张量涉及到的本构参数，通过优化方法确定。相比原亚塑性模型而言，考虑粒间应变张量改进的亚塑性模型能够更好的反映动主应力轴连续旋转情况下饱和砂土的力学特性。通过空心圆柱扭剪实验和改进的亚塑性本构模型共同探究不同中主应力参数下动主应力轴循环旋转下砂土的强度特性和变形特性。在循环动荷载作用下，产生的轴向应变主要为拉伸应变，环向应变为压缩应变。随着主应力轴的循环旋转, 轴向应变和环向应变呈周期性的起伏变化，但在不同中主应力参数下表现出不同的发展趋势。在动主应力轴循环旋转过程中，初始循环周体应变的增加速率最快，随循环次数的增加，体应变的增加速率呈递减趋势，但总体表现为体缩总量的不断累积。最后建立动主应力轴循环旋转下改进的亚塑性理论程序，探讨砂土液化机理。通过Fortran程序编写软件，并进行了登记。该软件体现动荷载下饱和砂土的累积变形规律、有效应力累积降低规律以及孔隙水压力逐渐增加的规律。通过软件可以实现饱和砂土液化的渐进过程，通过过程可以分析液化的机理以及液化的影响因素。这些成果为防止强震下砂土液化、改进重大工程结构及地基设计奠定理论和技术基础。