土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪研发及应用

为模拟波浪荷载条件下土的动力变形与强度特性,研制开发了能够实施复杂应力路径试验的土工设备土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪.该设备能够实现多种固结条件、多种静力与循环剪切的复杂应力路径试验,具有广泛的适用性.对设备研制与开发及技术参数确定中的若干具体问题进行了探讨,有关经验对于类似土工设备研制具有一定的参考价值.初步的试验结果表明:竖向-扭转双向耦合循环剪切试验能够较好地模拟主应力轴连续旋转的复杂应力路径条件;采用内置式的荷载传感器和微小位移传感器,能够较大地提高试验测量精度.

主应力方向对饱和松砂不排水单调剪切特性影响的试验研究

利用大连理工大学新开发的“土工静力–动力液压–三轴扭转多功能剪切仪”,针对相对密度为30%的福建标准砂,在不排水条件下控制试验过程中主应力方向、中主应力系数、平均主应力保持不变,进行了单调剪切试验。以此着重探讨了主应力方向对有效内摩擦角、有效应力路径及应力-应变关系的影响。研究表明,主应力方向对在不排水条件下饱和松砂的单调剪切特性具有显著影响。

复合加载模式作用下地基承载性能数值分析

确定竖向荷载(V)、水平荷载(H)和力矩(M)共同作用下建筑物地基的破坏模式及在荷载空间(H,V,M)中的破坏包络面是地基设计中的关键问题。为提高Swipe试验方法计算精度,提出了改进方案,进而利用有限元方法分析了复合加载模式作用下均质粘性土地基上条形基础的破坏包络面。计算表明,基于改进Swipe试验方法的数值模拟结果明显好于常规Swipe试验方法。针对海洋工程中实际复合加载模式的特点,探讨了竖向荷载分量V对地基破坏模式和H-M荷载平面上的破坏包络线的影响,结果表明竖向荷载分量显著地改变了地基的破坏模式及包络线的形状。

强度折减有限元法中边坡失稳的塑性区判据及其应用

将抗剪强度折减法基本概念、弹塑性有限元分析原理与计算结果图形实时显示技术相结合,提出了以广义塑性应变及塑性开展区作为边坡失稳的评判依据,并与以非线性迭代收敛条件作为失稳评判指标的强度折减有限元方法进行了对比。对于天然垂直边坡的算例数值分析表明,采用广义塑性应变与塑性开展区作为失稳判据可以比较准确地预测边坡潜在破坏面的形状与位置及相应的稳定安全系数,验证了这种失稳判据的合理性。对开挖边坡和开挖支护边坡的实例计算结果表明本文方法对于复杂的边坡稳定性分析是实用的。

波浪作用下海床孔隙水压力发展过程与液化的数值分析

为了探讨波浪作用下海床的液化特性与孔隙水压力发展过程,本文在海床动力响应弹性分析的基础上,将不排水条件下孔压增长模式与动力固结方程相结合,对波浪作用下海床中瞬态与残余孔隙水压力的发展过程与变化规律进行了有限元模拟与分析;对善功企与山崎浩之所提出的海床液化评判准则进行了修正,根据所估算的总孔隙水压力,对波浪作用下海床的液化势进行了评价。

土工格栅加筋挡土墙工作性能的非线性有限元数值分析

针对土工格栅加筋挡土墙发展了有限元数值分析方法,依此对某一足尺试验墙进行具体的有限元数值计算,将计算结果与试验实测结果进行了对比分析,验证了加筋挡土墙结构应力与变形有限元分析的可靠性,进而通过变动填土的强度特性和刚度特性以及加筋的刚度、长度和间距等参数,进行了数值计算,通过对比分析探讨了填土及加筋对土工格栅加筋挡土墙工作性能的影响程度,为加筋挡土墙的设计提供了参考依据。

双向耦合剪切条件下饱和松砂的液化特性试验研究

为了模拟海床及海洋建筑物遭受波浪荷载时所引起的循环应力,进行了一系列均等固结条件下的应力控制式轴向–扭转双向耦合循环剪切试验。加载路径在σd/2-τ应力空间内为椭圆。试验在保证椭圆面积不变的情况下,分别变化竖向和扭转向的荷载分量幅值,以此来探讨双向耦合剪切试验中各个分量的变化对饱和松砂的循环强度特性的影响。试验结果表明砂土在双向耦合荷载作用下,其液化强度与加载椭圆路径的面积和两个荷载分量比值密切相关。当轴向应力与剪应力幅值的比值保持不变时,砂土液化强度随着椭圆面积的增大而降低。而在椭圆面积保持不变时,当竖向与扭转向荷载分量的比值小于某一临界值0.6～0.75时,砂土液化强度随着比值的增加而增大,当竖向与扭转向荷载分量的比值大于某一临界值0.6～0.75时,砂土的液化强度随着比值的增加而减小,在临界值0.6～0.75之间表现出最高的强度。另外,在一个周期内孔隙水压力的循环变化与轴向应力相位一致,与循环剪应力相位相差90。

非饱和重塑土的干燥收缩试验研究

基质吸力和净平均应力的增大均可引起土体的压缩变形。针对砂土、粉土、黏土和软土4种不同类型土体,结合试样收缩曲线和土水特征曲线分析了土体干燥过程中基质吸力和孔隙比的关系。试验结果表明:土体干燥收缩过程中随着基质吸力的增大试样不断发生收缩,当基质吸力增大到某特定值时,基质吸力的增大对试样收缩变形无明显影响,称此基质吸力为缩限吸力。屈服吸力s0和缩限吸力ss将试样收缩过程分为弹性阶段、弹塑性阶段和缩限阶段3个阶段。并且不同类型土体的缩限吸力不相同,缩限吸力值与土体的塑性指数密切相关。在干燥收缩过程中,当试样的饱和度减小到90%时试样完成了绝大部分收缩,当试验饱和度达到70%时土样的孔隙比基本保持不变。

非饱和土的理论土-水特征曲线

基于热力学理论建立了规则等直径圆球土颗粒之间的弯液面方程,运用迭代法对这一高度非线性方程组进行了求解,进而确定了理论意义上的基质吸力。文中考虑了基质吸力的作用面积,提出了等效基质吸力和广义土-水特征曲线的概念。分析表明,饱和度为0时等效基质吸力为0,随着饱和度的增大,等效基质吸力逐渐增大,并在某一饱和度处达到最大,此时土的强度最高。针对等直径土颗粒松散排列方式进行了具体计算与讨论。计算表明,与基质吸力相比,等效基质吸力随饱和度的变化并不十分显著,而无论基质吸力还是等效基质吸力均随颗粒空间排列间隙的增大而迅速减小,由此所得到的两种土-水特征曲线强烈地依赖于接触角的变化。

非饱和土的基质吸力和张力吸力

首先在既往关于非饱和土分类方法的基础上,根据孔隙水弯液面与土颗粒表面的搭接状态,将双开敞非饱和土进一步细分为搭接双开敞非饱和土和不搭接双开敞非饱和土。然后基于热力学原理,提出了另外一个与基质吸力紧密相关而又不同的吸力概念-张力吸力。通过基于水封闭非饱和土的理论计算,得出了张力吸力与基质吸力之间的定量关系,同时利用作者们所提出的等效吸力概念,对比了由基质吸力、张力吸力所产生的等效吸力,从而一方面揭示了张力吸力在非饱和土力学中的重要性,另一方面论证了等效吸力概念的科学性与实用性。

一般应力条件下土的抗剪强度参数探讨

土的抗剪强度指标一般通过室内常规土工三轴压缩剪切试验获得,但实际工程中土体并不处于这种理想的轴对称应力状态.因此,研究一般应力条件下与三轴应力条件下强度参数之间的相互关系十分必要.针对不同中主应力系数,基于推广的空间准滑动面强度准则即SMP准则及广义Mises准则,通过理论分析建立了各种应力状态下一般粘性土强度参数之间的换算关系,比较了不同中主应力系数情况下和平面应变条件下的强度参数.结果表明,中主应力系数对土的抗剪强度具有比较显著的影响.

考虑三向应力效应的最大Mises应力复合断裂判据

通过对脆性断裂过程中开裂扩展机理的分析,提出了径向平面最大Mises应力(RPMS)概念。在平面应变条件下考虑泊松比的影响,对不同应力复合比的I-II复合型载荷作用下裂尖处应力分布进行了分析,以此为基础,考虑裂尖处三向应力状态对断裂过程的影响,将径向平面上的最大Mises应力作为裂纹开裂扩展的控制因素。据此,针对复合型载荷模式,提出了裂尖复合脆性断裂判据及裂纹开裂方向表达式。将计算结果与现有试验或其他理论进行了对比分析,以此验证了该径向平面上最大Mises应力断裂判据的合理性。

考虑蠕变性土工格栅加筋挡土墙应力与变形有限元分析

土工格栅加筋挡土墙在岩土加固工程中得到了广泛应用。采用粘弹塑性流变模型考虑地基和填土的流变性,采用作者所建议的经验型粘弹性本构模型考虑土工格栅的蠕变性,对于土工格栅加筋挡土墙发展了非线性有限元数值分析方法,通过变动参数的对比计算与分析探讨了逐层填筑过程、加筋长度及间距布置方式等因素对土工格栅加筋挡土墙长期变形与应力特性的影响。计算与分析表明:填筑过程对面板侧向变形、格栅拉力与应变及地基中水平位移与竖向沉降具有较大的影响;加筋使墙后填土应力重新分布;面板位移、格栅拉力及应变在经历一段时间后趋于稳定状态。

波浪引起的海底管线周围海床动力响应分析

在目前的海床–管线相互作用问题研究中,管线与海床交界面一般假定为不可滑动,没有考虑海床–管线接触效应,同时也没有考虑土体和管线加速度效应对海床动力响应的惯性影响,同工程实际情况存在较大差异。为此,分别基于Biot动力固结理论和弹性动力学理论列出海床和海底管线的控制方程,进而根据摩擦接触理论考虑海床与管线之间的相互作用效应,建立海床–管线相互作用的有限元计算模型。根据计算发现,海床–管线接触效应对管线附近海床中的有效应力影响显著,不同的管沟形状对海床中由波浪所引起的超静孔隙水压力及有效应力影响显著。

黄河三角洲粉土循环剪切特性的试验研究

利用土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,对黄河三角洲埕北海域原状粉土试样进行了循环三轴和循环扭剪试验,以此探讨了原状海底粉土的动力变形与强度特性,确定了最大动剪切模量及动力变形参数随剪应变的变化规律。基于循环三轴试验结果,建立了残余孔隙水压力发展变化规律的双曲线经验模式,对动强度关于循环次数的依赖性提出了经验关系,确定了有关试验参数及其关于固结应力比的依赖性。与循环三轴试验结果相对比,认为在土工抗震设计中采用循环三轴试验结果稍偏于保守。

土工格栅蠕变特性的试验研究及粘弹性本构模型

土工格栅的蠕变特性是影响土工格栅加筋支挡结构长期工作性能的重要因素。通过实验室内蠕变试验,针对不同荷载和温度组合,对土工格栅的蠕变特性进行了对比试验。通过对试验结果的综合比较,详细地分析了土工格栅载荷-应变等时曲线、蠕变曲线及松驰曲线的变化特征,由此并基于粘弹性理论提出了能够反映土工格栅蠕变特性的粘弹性本构模型,提出了模型参数的合理确定方法。并通过模型预测与试验结果的对比论证了所建议粘弹性本构模型的可靠性。

K0固结条件下砂土的循环剪切特性试验研究

利用土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,针对福建标准砂Dr=30%,在K0固结条件下,进行不同围压下的循环三轴试验,探讨了K0固结过程和K0固结条件下砂土的孔隙水压力特性与强度特性,并与原有均等固结条件和非均等固结条件下的循环三轴试验进行对比分析。通过分析和比较表明,砂土的K0固结试验过程可以分为两个阶段,第1个阶段是初期的缓慢变形阶段,第2个阶段是后期的稳定发展阶段,围压对静止土压力系数K0的测定有一定影响。不同固结过程对砂土动孔隙水压力的发展有很大的影响,K0固结条件下试样出现明显的剪胀现象。另外,K0固结条件下砂土动强度高于非均等固结条件(Kc=1.67)下砂土动强度,低于非均等固结条件(Kc=2.94)下砂土动强度。

静力与动力组合应力条件下饱和松砂变形特性的试验研究

利用大连理工大学新引进与研制开发的土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,针对福建标准砂,在相对密度为Dr=3 0 %的松散状态下,在不同的三向非均等固结应力状态下进行了应力控制式循环扭剪试验和竖向-扭转耦合剪切试验,通过对比试验结果着重探讨了初始固结主应力方向与循环应力变化模式对饱和松砂动应力-应变关系特性的影响,并采用相对有效应力比峰值与广义剪应变作为参变量对应力-应变模式进行了探讨。试验结果表明,相对有效应力比峰值与广义剪应变之间符合良好的双曲线关系,初始固结主应力方向对砂土的应力-应变关系特性具有不容忽视的影响。

面板堆石坝边坡稳定性可靠性分析及其应用

结合已有试验数据对堆石料的抗剪强度参数进行了统计分析 ,分别采用验算点法和统计矩法对面板堆石坝下游坝坡的稳定性进行了可靠性分析 ,结果表明了这两种方法在面板堆石坝边坡稳定可靠性分析中的适用性 ;进而以洪家渡面板堆石坝为算例 ,对其抗剪强度参数的统计量进行了敏感性分析 ,说明了对面板堆石坝边坡稳定性进行可靠性分析的必要性 ,对可靠性理论在岩土工程中的应用进行了有益的尝试 .

不同应力路径下饱和黏土耦合循环剪切特性

地基土单元体在波浪荷载的作用下将发生主应力轴连续旋转,这对土的强度和变形特性会产生显著的影响。针对饱和黏土,利用土工静力-动力液压三轴-扭转多功能扭剪仪进行了均等固结下的耦合循环剪切试验,着重研究了不同循环应力路径对应力-应变关系和强度特性的影响。试验结果表明,耦合循环荷载下黏土扭转剪切分量和正向偏差分量的应力-应变关系曲线与应力路径有关,且随着振动次数的增加逐渐疏松,割线模量Es和Gs不断衰减,这与不固结不排水条件下的应力-应变关系曲线的变化规律明显不同;扭转剪切分量大的椭圆应力路径的动强度略小于正向偏差分量大的动强度。饱和黏土在不同应力路径下的力学特性的试验研究可以为建立复杂应力路径下的本构模型提供试验依据。