双向增强复合地基桩土应力比计算方法研究

研究目的:桩土应力比是反映双向增强复合地基工作特性的重要指标。由于路堤荷载下双向增强复合地基承载变形机理复杂,本文以双桩范围内的路堤与双向复合地基为研究对象,考虑路堤土拱效应、加筋层网兜效应、应力扩散效应等多重效应的共同作用,建立路堤-水平加筋垫层-竖向桩体-桩间土协调变形的二维理论分析模型,探究各影响因素对桩土应力比的影响规律。研究结论:(1)桩土应力比随填土重度、桩间距的增加而减小,随填料内摩擦角的增大呈先增加后减小趋势,随路堤填筑高度、格栅层数、填料黏聚力的增加而增大;(2)桩土应力比对各参数的敏感性由高到低排序为:桩间距、路堤填筑高度、路堤填土重度、路堤填料黏聚力、格栅层数及路堤填料内摩擦角;(3)本研究成果可为类似工程的桩土应力比计算提供理论依据及工程借鉴。

相对密实度和固结应力比对北部湾海砂动力特性影响的试验研究

北部湾地区拥有丰富的海洋资源,海洋工程在这一地区的发展日益重要,了解海砂在不同固结应力比和密实度条件下的动力特性,对于海岸线保护、港口建设、堤防工程等都至关重要。为探究北部湾海砂的动力特性,针对北部湾海砂开展了一系列的固结不排水循环动三轴试验,分析了相对密实度和固结应力比对北部湾海砂的轴向累积应变、动弹性模量、动孔压以及滞回曲线的影响。研究表明:在相同振次水平下,随着固结应力比和相对密实度的增大,海砂的轴向累积应变随之减小;动孔压随着固结应力比的增大线性减小,在低相对密实度(Dr≤50%)下,动孔压随振次的增大而增大,在高相对密实度(Dr=70%)下,动孔压随振次先增后减;动弹性模量随着振次的增加出现刚度软化现象,增大相对密实度与固结应力比,较明显地减缓了动弹性模量的衰减速率;随着固结应力比和相对密实度的增大,滞回曲线包围的面积减小,滞回曲线由不封闭曲线转为封闭曲线。这些研究成果可以为北部湾围填海工程提供一定的参考。

应力比对高强钢丝腐蚀疲劳寿命的影响研究

建立了高强钢丝腐蚀疲劳寿命模型,用于预测不同应力比和应力范围下的腐蚀疲劳寿命,研究应力比对腐蚀疲劳寿命的影响。利用应力比与应力范围之间的关系,处理了不同应力比和应力范围下高强钢丝腐蚀疲劳耦合试验数据。基于处理后的试验数据,对寿命模型进行参数估计,建立了高强钢丝腐蚀疲劳寿命模型,研究了不同应力比下腐蚀疲劳寿命的演化规律。结果表明:高强钢丝腐蚀疲劳寿命模型的预测值与试验数据吻合较好。该模型对高应力范围的腐蚀疲劳寿命预测值小于试验数据,对低应力范围的腐蚀疲劳寿命预测值大于试验数据。随着应力比的增大,高强钢丝的S-N曲线逐渐左移,而且斜率的绝对值逐渐变小。高强钢丝的腐蚀疲劳寿命随应力比的增大而减小。当应力比较大时,应力范围对腐蚀疲劳寿命的影响减小。应力比对低应力范围下的腐蚀疲劳寿命影响更显著。

路堤下复合地基的垫层对桩土应力比的影响分析

垫层是复合地基的核心,其主要作用是调节桩土应力比。但是,目前复合地基的垫层多采用厚度约30 cm的砂石垫层。简单模式的垫层,尚不能充分发挥垫层对桩土应力比的调节作用,使得复合地基的工作性状最优。针对路堤下不同黏结强度桩复合地基垫层的弹性模量、厚度对桩土应力比的影响展开数值模拟分析,得出:复合地基桩土应力比随垫层弹性模量和垫层厚度的增加而提高,但它的提高幅度反而逐步缩小。每种复合地基垫层都有其敏感厚度,垫层的敏感厚度可以作为垫层厚度设计的参考。垫层的敏感厚度与复合地基桩本身的黏结强度、垫层的弹性模量有关。桩的弹性模量越大,桩土应力比对垫层的弹性模量和厚度变化越敏感,变化幅值也越大。可以通过改变复合地基垫层材料、密实度、黏结强度、厚度等来改变垫层对桩土应力比的调节作用,改善复合地基的工作性状。

水泥土搅拌桩长芯复合地基桩土应力比计算研究

桩土应力比是复合地基的重要设计参数,加芯搅拌桩复合地基桩土应力比的计算是一个工程技术难题。针对长芯搅拌桩,采用“截面法”将其划分上部等芯桩和下部刚性桩:前者采用考虑柔性性荷载作用下的侧阻分段非线性分布模式,后者采用线性侧阻分布模式;采用叠加原理计算长芯搅拌桩的桩土应力比。研究表明:高填方路堤柔性荷载作用下,侧阻分段非线性分布模式提高了桩的竖向荷载的分担比。桩径越大、桩长越长,桩土应力比越大。桩长对桩土应力比的影响幅度大于桩径。本文结果可为相关研究提供参考。

孔内深层强夯复合地基桩土应力比试验研究

通过开展孔内深层强夯单桩复合地基现场静载试验和桩土应力测试,获取了不同荷载作用下孔内深层强夯复合地基的平均桩顶应力、桩间土应力、桩土应力比、荷载分担比及其变化规律。试验结果表明:孔内深层强夯复合地基的桩间土承担了主要的上部荷载,约占50%~63%,随着荷载增大,桩间土承担的荷载比例逐步增大;对于孔内深层强夯复合地基,随着荷载的增大,桩土应力比随荷载的增大而减小,数值介于2~5之间;对粘性素填土地基,孔内深层强夯复合地基在处理后的桩间土地基承载力比处理前可提高220%。

应力比对高强钢丝疲劳寿命影响试验研究

为明确应力比对钢丝疲劳寿命的影响,验证断裂力学模型对钢丝疲劳寿命评估的适用性。在将钢丝点蚀坑等效为缺口的假设基础上,开展了不同应力比下不同预制深度缺口钢丝样本的疲劳试验,建立了考虑应力比效应的疲劳寿命经验方程。试验结果表明:钢丝样本的疲劳寿命受应力比的影响明显,随应力比的增大而明显减小。预制缺口深度和应力比的增大均会导致钢丝样本疲劳强度的下降。采用考虑应力比效应的断裂力学模型对钢丝样本进行了疲劳寿命预测,预测结果处于±2倍误差带内。断裂力学模型对于不同应力比下的缺口钢丝疲劳寿命预测具有一定的适用性。

CFG桩复合地基褥垫层厚度与桩土应力比的数值模拟和试验

CFG桩复合地基设计中,褥垫层厚度的确定一般是根据经验在一定范围内选取,这样给出的褥垫层厚度值并不确定是否是最适合的,从而对CFG桩复合地基承载力的发挥造成不确定性的影响。为了充分发挥桩与桩周土的承载能力,使两者更好的协同工作,本文通过数值模拟结合试验验证的方法,分析了影响桩土荷载分担比的两个主要因素,其一是所受荷载的大小,其二是褥垫层厚度。建立在此前成果上,研发了针对CFG桩复合地基设计时确定垫层厚度的计算模拟技术,旨在提供科学选取垫层厚度的理论支持,确保桩体及其周围土的承载能力得以充分发挥。

考虑温度和应力比影响的15-5PH不锈钢焊接疲劳性能分析

飞机结构疲劳设计离不开基础材料的S-N曲线数据,而温度和应力比是影响材料疲劳性能的重要因素,为精确分析温度和应力耦合下的疲劳性能,本文针对发动机部件常用的15-5PH不锈钢材料,完成了三种温度下的静力拉伸试验和两种温度、三种应力比的疲劳S-N曲线试验,提供了随温度变化的抗拉强度线性拟合方程和基于三参数幂函数法的任意应力比的S-N曲线方程。结果表明在室温至320℃区间内,随温度的升高,15-5PH不锈钢材料的抗拉强度下降14.96%,疲劳极限随温度变化不大,可用室温的疲劳极限进行安全寿命设计。

柔性摩天轮索径夹角与结构应力比关系的研究

摩天轮索径夹角的大小与主轴长度密切相关,夹角越大,主轴长度越长,整体稳定性越好。但是主轴越长,其受到的扭矩将增大,造成主轴用量变大乃至制作加工、吊装困难、成本上升等一系列问题。故以主轴长度代替索径夹角,采用MIDAS Gen软件通过数值模拟的方法研究了摩天轮各结构构件在相同荷载不同主轴长度,即不同索径夹角下的应力比变化趋势,确定了该摩天轮合理的主轴长度,由此确定了合理的索径夹角,并通过新的轮辐索结构布置方式解决了在有限轴距的情况下来增大索径夹角的问题。

硬壳层对管桩复合地基桩-土应力比的影响

为研究就地固化硬壳层对预应力管桩复合地基桩-土应力比的影响,以绍兴钱滨线泥浆池路段为背景,开展现场试验和数值模拟分析,研究路堤荷载作用下预应力管桩复合地基的受力和变形;从桩-土应力比的角度,着重探讨硬壳层对桩基复合地基承载性能的影响规律;分析路堤高度与桩帽净间距之比、桩帽宽度与桩帽净间距之比等设计参数对桩-土应力比发展的影响机制.研究结果表明:硬壳层的存在能够有效提高桩基复合地基的承载特性;在本文试验条件下,就地固化硬壳层的预应力管桩复合地基最大水平位移发生在地表以下5~6 m处,区别于传统桩基复合地基的土体水平位移沿深度逐渐降低的规律;桩-土应力比在23~37,高于传统桩基复合地基.

高强铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳起裂机理及应力比的影响研究

分别对7050-T7451铝合金母材及其搅拌摩擦焊接头进行高周疲劳试验,获得了应力比为0.1、0.3和0.5下母材与接头的S-N曲线,借助扫描电镜分析母材与接头断口区域的微观形貌,并进一步探究了粗大第2相对疲劳行为的影响.据此,Al_(23)CuFe_(4)、Al_(7)Cu_(2)Fe和Al_(2)Mg_(3)Zn_(3)是首选的接头裂纹起始点,而Mg_(2)Si是母体材料的主要断裂起始点,裂纹倾向于沿着密集的粗大第2相传播,对于较大的裂纹来说变得更加明显.根据实验观察,可以确定两种不同的裂纹形核机制分别为裂纹在粗大第2相的主体中形核和裂纹在第2相和基体的界面上出现.第1种形核机制主要出现在Mg_(2)Si中,第2种形核机制则以Al_(23)CuFe_(4)、Al_(7)Cu_(2)Fe和Al_(2)Mg_(3)Zn_(3)等白色第2相为主,又因为母材和焊缝的粗大第2相存在显著差异,所以,需要对不同相在焊缝和母材中的差异进行针对性分析,以此来确定接头与母材试样疲劳起裂机理的异同.结果表明,低应力比下,与基体连接紧密的白色第2相产生的应力集中低于母材的屈服强度,故与母材连接较弱的Mg_(2)Si相成为母材疲劳裂纹萌生的主要位置,而焊缝中由于热机械作用使得白色第2相粗化,其完整性相对母材中的白色第2相显著降低,进而成为裂纹萌生的主要位置.随应力比增加,白色第2相产生的应力集中增加,母材和焊缝中白色第2相成为裂纹萌生位置的数量逐渐增加.

机器学习法预测不同应力比6005A-T6铝合金疲劳裂纹扩展速率

本文开展了不同应力比(R为0.05,0.1,0.3,0.5,0.6)条件下的6005A-T6铝合金紧凑拉伸试样疲劳裂纹扩展速率试验,在此基础上采用BPNN、SVR、KNN和XGboost共4种机器学习方法,比较了4种机器学习方法预测6005A-T6铝合金疲劳裂纹扩展速率的能力;作为对照组,利用试验数据拟合得到了传统的Forman疲劳裂纹扩展率方程。结果表明:应力比R对6005A-T6铝合金裂纹扩展速率存在显著影响,相同应力强度因子范围ΔK下,裂纹扩展速率da/d N随R增大而提高,且R的增大会使裂纹更早进入稳定扩展阶段;4种机器学习模型建立的裂纹扩展率预测内推模型均能体现裂纹扩展过程中速率的非线性变化特征,且对试验数据的拟合系数r^(2)均达0.99以上,普遍高于Forman方程的0.82;4种机器学习模型建立的裂纹扩展率预测外推模型,BPNN算法的拟合系数r^(2)仍高于0.99;KNN算法消耗的训练时间最短,XGboost算法具有最佳的疲劳裂纹扩展速率内推预测能力,而BPNN算法则具有更好的扩展率外推预测性能表现。

应力比对EH36钢在海洋腐蚀环境中疲劳裂纹扩展速率的影响

EH36钢因强度高、低温韧性好、自重较轻等性能优势而被广泛应用于大型海洋平台。为评估在海洋腐蚀环境中改变应力比对EH36钢腐蚀疲劳性能的影响,采用三级应力比(R=0.1、0.3、0.5)分别开展了空气环境、海水全浸环境和海水浪溅环境中EH36钢的疲劳裂纹扩展试验。在同一应力强度因子幅值(ΔK)下,EH36钢在三种环境中均表现出应力比R升高对疲劳裂纹扩展速率d a/d N的加速作用。空气环境中应力比对裂纹扩展速率会产生较大影响,对材料常数C和m影响很小,但在海水全浸环境和海水浪溅环境中,应力比增大不仅促进了裂纹扩展,而且使材料常数C和m发生变化。载荷条件相同时,海水全浸环境和海水浪溅环境中的裂纹扩展速率明显大于空气环境中的裂纹扩展速率,两种腐蚀环境对疲劳裂纹扩展行为的作用效果基本一致。通过观察断口形貌发现空气中的试件断口形貌表现为准解理特征,海水全浸环境和海水浪溅环境中的CT试件断口形貌大致相同,更接近于解理断裂。

应力比及宽厚比对CP800复相钢疲劳性能的影响

不同宽厚比CP800复相钢薄板试样的疲劳性能有明显差异。选用两种厚度相同但宽度不同的试样(宽厚比分别为2.5和8.75),研究了CP800钢在R=-1和0.1两种不同应力比下的疲劳特性。利用超景深三维显微镜和SIGMA-500型热场发射扫描电子显微镜观察试样疲劳断口的宏观和微观形貌。结果表明:在加载方式相同的条件下,试样的尺寸对疲劳试验结果有明显影响。宽厚比大的试样在拉压疲劳试验中出现弯曲,试验无效,必须使用防屈曲装置;而宽厚比小的试样不会弯曲失效。在拉拉疲劳试验中,试样的尺寸对试验结果影响不大。

CFG桩复合地基新型嵌入式褥垫层桩-土应力比改善特性

CFG桩复合地基具有较好的环保效益,近年来在软基处理中推广迅速。鉴于天然地基自身较差的工程特性,加之CFG桩施工扰动易引发表层土持力性能进一步弱化,受荷状态下刚性的CFG桩与桩间土易形成过大的桩-土应力比,褥垫层结构破坏风险增大,不利于复合地基协同受力。研究提出对截桩面下约50 cm厚剧烈影响区土层采用压实碎石换填,再铺设水泥土垫层而形成新型嵌入式褥垫层结构,以改善CFG桩复合地基持力性能,得到以下结论:①基于单桩复合地基现场载荷试验对比分析,采用嵌入式褥垫层测得的桩-土应力比显著低于常规平铺褥垫层,极限载荷下桩-土应力比较常规褥垫层的22.9降至13.8,降幅约40%,且全过程桩-土应力比曲线波动相对平缓,尤其是达到极限承载力后无陡降,有利于地基安全受荷;②采用数值试验手段模拟CFG群桩复合地基竖向受荷特性,嵌入式褥垫层对桩间土压缩层起到了显著的综合强化作用,既有效减小了桩向褥垫层的相对刺入,也使得褥垫层的变形形态更均匀平整,局部刺入和翘起得到有效缓解,避免了桩-土应力比过大对褥垫层结构的破坏;③嵌入式褥垫层条件下不同部位CFG桩的水平变形状态更优,顶部较强的约束将CFG桩受力模式由接近“悬臂式”变为接近“简支式”,对复合地基边桩和角桩的变形受力状态改善显著。

温升作用对深海沉积物静力特性及临界循环应力比的影响研究

针对取自中国南海西部海槽的深海黏土质沉积物,在不排水升温条件下开展了重塑试样的静动力学试验。探讨了温升作用对土体的不排水抗剪强度、孔压发展规律及临界循环应力比的影响。基于Yao的理论框架给出了不排水升温导致超孔压的表达式,讨论了不同温度条件下土体的不排水抗剪强度与临界循环应力比的关系。试验结果表明,不排水升温产生的超孔压导致土体的有效应力降低,削弱了土体的不排水抗剪强度,使土体展现出了拟似超固结土的力学特性;对于分级加载的循环剪切工况,累积应变的发展速度随温度的提高显著增加,但在剪切初期,温升作用抑制了累积孔压的发展,甚至导致负累积孔压的产生。以归一化累积孔压产生的分化标准作为判定门槛循环应力比的方法不能很好地适用于具有超固结特性的土体。建议综合考虑累积变形及孔压的发展规律讨论土体的界限循环应力比。整体来看,随着温度的升高土体的抗剪强度及临界循环应力比显著降低,在工程中应当引起充分重视。

不同褥垫层厚度下大直径CFG桩复合地基桩土应力比试验研究

褥垫层厚度是调整复合地基工作状态的主要参数。基于相似关系开展了室内模型试验,分析了砂土地基中不同褥垫层厚度下大直径CFG桩复合地基桩土应力比的变化规律。试验结果表明:当褥垫层厚度一定时,桩土应力比随荷载增加先快速上升后趋于稳定;当荷载一定时,桩土应力比随褥垫层厚度增大而逐渐减小;在加载初期,桩间土发挥主要承载作用,随着荷载增加,桩体逐渐发挥承载能力;褥垫层具有应力扩散作用,过薄不利于桩间土承载能力的发挥,过厚不利于桩体承载能力的发挥;当桩土应力比为5.4~11.2,砂土地基的褥垫层厚度与桩径比合理取值范围为0.37~0.74,能够充分发挥桩土共同承载能力。基于试验结果,提出能合理反映砂土地基中褥垫层厚度对桩土应力比影响规律的数学模型,以期为类似工程设计施工提供借鉴。

微型劈裂注浆桩复合地基桩土应力比算法研究

劈裂注浆技术是加固黄土地基的常用技术,在进行劈裂注浆桩复合地基沉降计算时,需要合理的桩土应力比公式作为理论支撑。根据黄土劈裂注浆原理将桩周土划分为注浆压密区和原地基土区,认为注浆压密区土体呈现水泥土特性。考虑到劈裂注浆桩与注浆压密区间相互作用受劈裂支脉的影响,在假设桩侧摩阻力线性分布的基础上,建立了劈裂注浆桩侧摩阻力计算方法,结合垫层桩土体在应力与位移协调下的相互作用,得到了桩土应力比计算公式。通过现场试验结果与计算结果对比发现,两者相对误差在10%左右,满足工程实用性。最后采用单一变量法分析发现,劈裂支脉长度的增加使得桩体所分担荷载增加,而注浆压密区压缩模量增加能够明显分担桩体应力。

应力集中系数和应力比对7050铝合金疲劳性能的影响

通过轴向疲劳试验方法可得到S-N曲线,首先,本文研究了不同应力集中系数Kt和应力比R对7050铝合金疲劳性能的影响,然后,应用金相显微镜分析了试样表面的端口形貌。结果表明:在不同应力集中系数、不同应力比下进行试验,能够得到7050铝合金S-N曲线的试验应力选取范围,可为该种材料的轴向疲劳试验应力的选取提供了数据支撑,提升试验人员的试验效率;通过对断口观察可知,随着应力集中系数的增大,裂纹源增多,裂纹扩展区增大,瞬断区减小。。