基于粘聚力单元的平整冰与海洋桩柱结构相互作用机理研究

平整冰与海洋桩柱结构的相互作用问题十分复杂,往往涉及到海冰的破碎、失效和堆积等现象。平整冰破坏问题本质上是一个材料脆性破坏的问题,然而传统有限元方法的单元失效机制在处理该问题时有着很大的局限性,不能合理反映平整冰破碎后碎冰的变形和运动状态。因此,有必要发展现有仿真技术,建立合理的模型化方法来解决平整冰破坏相关关键问题。本文通过自定义海冰材料本构模拟海冰材料力学特性,并通过粘聚力单元模拟平整冰破坏时裂纹的产生和扩展,通过开展海洋桩柱结构与平整冰相互作用的仿真分析,分析平整冰在受桩柱作用时的破坏失效模式及两者的相互作用载荷,并与相关模型试验比较验证本文所提出方法的可靠性。研究表明,本文所采用的方法能够有效模拟平整冰在受桩柱作用时的挤压和弯曲破坏,同时能够较为准确地预报冰载荷。研究成果对于海洋桩柱结构冰载荷的预报和结构的设计具有重要的参考意义。

泥石流物源土体标度分布参数与粘聚力的关系

颗粒级配影响土体力学性质(如粘聚力)。细颗粒(尤其是粘粒)含量对粘聚力起着决定性作用。颗粒级配可用土体特殊粒径(如D50等)来表征,但并不能避免同参异效等问题。采用土体标度分布μ和Dc两个参数,可准确地描述土体颗粒组成特征,但该分布参数的物理意义,以及特征参数与土体力学参数之间的关系尚不明确。本文实施室内试验测试,采用标度分布表征土体颗粒组成,研究在不同含水率和标度参数条件下土体粘聚力的变化特征,探讨土体颗粒组成、含水率和粘聚力之间的关系。结果表明:(1)标度分布参数μ随着细颗粒含量的增加而增大,并呈现指数函数关系;(2)随着细颗粒含量的增加,粘聚力先迅速增大后缓慢增加并趋于稳定,且粘聚力c与标度分布参数μ呈现对数函数关系;(3)粘聚力随着含水率的增大先增大后减小,即存在一个使得土体粘聚力达到最大值的含水率阈值,在达到此阈值之前,细颗粒含量对粘聚力的影响较为显著,达到该阈值之后,含水率成为更主要的影响因素;(4)基于试验结果,得到土体粘聚力随含水率及标度参数共同影响下的二元模型。研究可为明确标度分布参数的物理意义以及确定土体力学参数提供试验依据。

土的粘聚力取值分析

基坑开挖经过降水排水,土中孔隙水应力逐渐消失,抗剪强度有所增加,对降水排水的基坑可以将土的粘聚力C值、内摩擦角φ值适当提高。与此相反的是表观粘聚力因含水量增加将逐渐降低,直至饱和时吸附强度完全消失,因此须注意如何应用C值,否则在设计施工中将会产生失误。

三峡水库消落带4种草本根系抗拉特性及根系粘聚力

为明确三峡水库消落带典型草本植物根系抗拉特性并评价其固土能力,在三峡腹地忠县石宝镇消落带选取牛鞭草(Hemarthria altissima(L.f.)R.Br.)、扁穗牛鞭草(Hemarthria compressa(L.f.)R.Br.)、双穗雀稗(Paspalum paspaloides(Michx.)Scribn.)和自然恢复草本狗牙根(Cynodon dactylon(L.)Pers.),采用WinRhizo Pro.2009c根系分析系统分析了4种典型草本植物根系在土壤剖面的分布,利用拉力测试仪测定了4种草本根系的抗拉力并计算其抗拉强度,用Wu氏模型估算了根系对土壤粘聚力的增强值。结果表明,4种草地的根系大部分都分布在0—5cm土层中,根长密度(RLD)和根面积比(RAR)均沿土壤深度呈幂函数递减分布。4种消落带草本根系的平均抗拉力次序为狗牙根(5.86N)>牛鞭草(5.55N)>扁穗牛鞭草(5.50N)>双穗雀稗(4.14N)。同样,狗牙根(62.26 MPa)平均抗拉强度最大,扁穗牛鞭草(51.29 MPa)和牛鞭草(50.66 MPa)次之,双穗雀稗(48.81 MPa)最小。4种草本根系都可以显著地增加土壤粘聚力,扁穗牛鞭草、牛鞭草、双穗雀稗、狗牙根最大增强值(表层0—5cm)分别为21.09,22.47,19.51,15.40kPa,平均增加黏聚力值分别为4.90,4.69,4.42,3.12kPa。说明4种草本植物的根系均具备较好的固土潜能,其中扁穗牛鞭草和牛鞭草根系的固土能力最强,双穗雀稗次之,狗牙根最弱。研究结果可以为三峡水库消落带的植被恢复和水土保持工程提供一定依据,并适当的推广到其他水库或湖泊消落带。

岩土三轴试验中的粘聚力与内摩擦角

根据莫尔-库仑破坏准则,岩土三轴试验的轴向破坏应力与围压之间呈线性关系。根据包络线定理,通过求解三轴试验应力圆包络线,得到粘聚力c、内摩擦角φ的计算公式。该公式具有物理意义明确,表述简单,且c、φ值可分别独立计算等特点,开辟了抗剪强度参数计算的新途径。据分析,粘聚力c与σc(零围压时的轴向破坏应力)成正比,随K(轴向破坏应力随围压变化的斜率)增大而下降;内摩擦角φ只随K增大单调升高。应用该公式列出了多组岩土工程中有一定代表性的岩土三轴试验数据。

土钉支护结构似粘聚力分析

利用能量法从功率平衡的角度定量地给出了土钉支护结构的似粘聚力公式,并结合一实际工程分析了土体参数及土钉参数对似粘聚力的影响规律.分析表明:似粘聚力随土体粘聚力和土钉直径的增大而线性增长.当内摩擦角达到20°时,似粘聚力迅速增大,这表明对于内摩擦角较大的场地土钉支护更为适用.综合考虑支护的经济性,土钉间距最佳取值范围为0.5～1.5m,且不宜大于2.0m;土钉倾角对似粘聚力的影响则不大,其合理取值范围为5°～20°,并以10°左右为最佳.以上结论为土钉支护结构的设计提供了一定的依据.

一种天然胶结土粘聚力的微观本质

利用人工合成的针铁矿胶结高岭土的微观胶结机理和模型，计算了天然针铁矿胶结的贵州红粘土的粘聚力的理论值，其结果与用传统的土力学的方法实测的数据完全一致，揭示了该天然胶结土粘聚力的微观本质。

砂土质隧道围岩粘聚力影响因素的试验研究

隧道围岩中较差的砂土质隧道围岩一般在洞口段较为常见。砂土具有粘聚力是客观事实,该粘聚力会对砂土质围岩稳定性产生较大影响。本文从影响砂土质围岩坑道稳定性因素及围岩稳定性分类的角度出发,探讨了与砂土质隧道围岩稳定性相关的粘聚力的影响因素,发现砂土的密实程度对砂土围岩粘聚力有较显著的影响;细粒(d<0.075mm)含量对粘聚力的影响规律与砂土密实程度有关;采用细粒含水量而不是砂土含水量的方法来评定潮湿砂土的粘聚力的影响是较为合理的方法,并总结了细粒含水量对砂土粘聚力的影响规律。

混凝土强度对基于粘聚力的新K_R阻力曲线的影响

定量描述混凝土断裂全过程的新KR 阻力曲线 (裂缝扩展阻力曲线 ) ,可通过简便的试验和基于虚拟裂缝扩展粘聚力的解析法得到 ,它与混凝土的软化本构曲线形状密切相关。我们结合新进行的断裂试验 ,调整参数λ,从起裂韧度的解析解和其实测值相符入手 ,便可确定合理的双线性软化本构曲线形状 ,以其计算的KR 阻力曲线随混凝土强度的增加而增大。

高羊茅根系增强土壤粘聚力的试验研究

为研究植物根系与土壤颗粒粘聚情况与抗剪强度的关系,选择高羊茅植物(Festuca arundinacea Schreb)(无植物对照)盆栽于3种不同土壤基质(高岭土、重钙土、河沙)进行控制性盆栽试验。分别测定生长形成根土复合体后根土复合体抗剪强度、及其对应下的根系表面积、体积以及长度、根系作用区的土壤pH值、电导率等指标。研究试验结果表明,在同一含水率、同一垂直荷载作用下活性的植物根系提高了土体抗剪强度(与素土对照相比)、粘聚力有明显提高,而内摩擦角提高程度较小。与无根系作用的土体相比,高羊茅—高岭土、高羊茅—重钙土根土复合体粘聚力c值增幅度在100%左右;3种土壤基质中由于河沙本底粘聚力低,高羊茅—河沙根土复合体粘聚力的增长倍数最大;而内摩擦角提高程度较小。通过根系分析,土体粘聚力随根系体积的增大有所增加,根土复合体区域的土壤电导率、pH值也有所提高。此外,对植物根系提高土壤粘聚力的这种"根土关系"和根土复合体提高土壤颗粒粘聚力的机制问题进行了探讨,根土作用通过粘聚力的提高与增强直接关系到土壤结构体形成与稳定,这对研究斜坡土壤的植物稳定与土壤破坏下的抗冲性、抗侵蚀能力大小与破坏分离过程等都有一定的指导意义。

考虑粘聚力及墙背粘着力的主动土压力公式

考虑滑裂面上填土的粘聚力及填土与墙背接触面上的粘着力,推得了粘性填土挡墙上的主动土压力计算公式。可以应用程序按假定滑裂面的方式进行编程试算,从而确定主动土压力并确定滑裂面倾角,该法客观合理且实用方便,可保证足够的精度。也可以直接应用式(16)近似计算主动土压力。

非饱和沙粒植草后抗剪强度与粘聚力增强试验研究

为研究植物根系提高土壤粘聚力与抗剪强度的作用,选择河沙为研究对象进行了初步研究,以河沙为基质种植高羊茅和黑麦草6周后进行剪切试验,并与河沙(无植物)进行对照;实验结果表明粘聚力由0.31 kPa增加到6.05 kPa(黑麦草)和4.82 kPa(高羊茅),内摩擦角也由9.83°增加到11.04°(黑麦草)和10.94°(高羊茅),高羊茅与黑麦草处理间的土壤粘聚力和内摩擦角没有显著差异。研究表明植物根系可以使河沙土粘聚力显著增加,在粘聚力形成过程中根系长度与根系表面积起到重要作用,相对而言根径和根体积起到的作用可能较弱,密集细根对根土复合体粘聚力的作用可能大于少数稀疏的粗根,电荷对粘聚力的形成也可能起到积极作用,种植黑麦草河沙土中导电率更高,这可能也是其粘聚力高于高羊茅处理的一个原因;此外,对理解根系统的土壤加入提高了土壤分离前的临界状态值(根系抗阻)等土壤侵蚀机理方面也有重要的指导意义。

混凝土断裂过程区的虚拟裂纹粘聚力奇异性

混凝土断裂过程区视为具有粘聚阻力作用的虚拟裂纹 ,其非线性断裂和尺寸效应特性是与该虚拟裂纹粘聚力分布规律密切相关的。通过得到的粘聚应力分布函数解析结果 ,对该粘聚力分布特征的分析得知 ,在基于断裂过程区之外用线弹性场的力学模型上 ,该粘聚力随距离虚拟裂纹尖点的靠近 ,仍具有平方根奇异性。从而本文提出一个能够反映裂纹发展状态的粘聚应力奇异性强度参数 ,它是无粘聚力的线弹性裂纹应力强度因子和表征裂纹张开位移分布多项式参数的函数 ;因此 ,该参数可以作为混凝土非线性断裂的一个参量。

本构因子及环境因子水对土壤粘聚力的影响分析

为研究土壤本构因子和环境因子水对粘聚力的影响,结合不同土壤(河沙、高岭土、红壤、重钙土)颗粒粒径组成分析测定及不同颗粒集群的宏观力剪切试验,通过回归分析的方法寻找影响土壤粘聚力的关键本构因子及影响权重,研究不同含水率下土壤粘聚力和内摩擦角变化。结果表明,小于0. 01mm的颗粒对4种土壤的粘聚力影响最大(占比98%以上),其中粗粘粒是影响粘聚力的关键因子;河沙、高岭土和红壤的粘聚力和内摩擦角均随着土壤含水率的增加呈先增后减趋势,但水对粘聚力的作用与本构因子密切相关,含细颗粒更多的土壤粘聚力对含水率变化的响应可能更加敏感。初步探讨了本构因子和含水率对土壤粘聚力的影响,为土壤侵蚀的防治、防止土壤分离、土壤结构加固、土壤结构稳定及土壤生态服务功能的发挥提供理论指导和实践指导。

混凝土裂缝端部粘聚力的计算

混凝土裂缝端部断裂过程区的粘聚力分布是导致混凝土断裂呈现非线性特性的重要原因。基于混凝土的断裂特性和虚拟裂缝端部存在粘聚力的分析模型 ,并通过分布函数的特性分析 ,提出了粘聚力分布函数的两种简化表达式 :一为单参数待定式 ,另一为双参数待定式。由变形体叠加原理 ,推导出计算单参数待定函数公式和计算双参数待定函数代数方程组。进而通过裂缝张开位移实测数据即可求得粘聚力分布 。

基于准粘聚力理论的加筋土挡墙土压力分析

考虑拉筋存在的影响,对不同破坏形式下的加筋土强度理论进行探讨,应用准粘聚力理论,提出两种不同破坏形式的加筋土挡墙墙背土压力计算公式。研究结果表明:拉断破坏下的加筋土粘聚力具有增量;粘着破坏下的加筋土内摩擦角具有增量;所提出的加筋土挡墙墙背侧向土压力比经典土压力和变系数法都小;不管是拉断破坏,还是粘着破坏,加筋土挡墙侧向土压力都随拉筋垂直间距增加而增加;拉断破坏下,加筋土挡墙侧向土压力随拉筋抗拉强度增加而减小;与土工格栅加筋土挡墙试验数据基本一致,粘着破坏法比实测值大。

考虑粘聚力分布形式的断裂模型

考虑粘聚力的混凝土断裂模型有利于准确对裂缝尖端应力状态进行描述,对混凝土断裂过程进行分析,在实际工程中极具实用价值。本文总结了考虑粘聚力的断裂模型;分别对考虑双线性分布粘聚力的双K断裂模型及权函数方法进行了概述;此外,还结合混凝土断裂极值理论,对考虑双线性和三线性粘聚力分布假定的断裂极值理论进行了介绍。

基于粘聚力与摩擦角的路堤边坡稳定性敏感分析

利用FLAC3D对路堤填土高度4 m^8 m坡率为1∶1.5~1∶1的路基进行模拟,研究不同高度与坡率下粘聚力与摩擦角对其稳定性影响的敏感性分析。结果表明:在粘聚力或摩擦角单独变化下,安全系数与粘聚力近似呈二次抛物线的关系,与摩擦角近似呈线性关系;同时随着粘聚力或摩擦角的增加,安全系数都逐渐增大;粘聚力或摩擦角的减小对稳定性的影响大于粘聚力或摩擦角的增加对稳定性的影响;随着高度的增加,粘聚力对稳定性的影响在不断减小,而摩擦角对稳定性的影响在不断增加。填土高度小于7 m时,粘聚力对稳定性的影响大于摩擦角对其的影响,边坡高度为7 m^8 m时,这两个因素对稳定性的影响差别较小,基本趋于一致;随着坡度的增加,粘聚力对稳定性的影响在逐渐增加,但增加较小,而摩擦角对稳定性的影响略有增加。当路基边坡角在34°~45°时,摩擦角与粘聚力对稳定性的影响差别较小,基本趋于一致。

基于边坡离心模型试验的砂土表观粘聚力研究

非饱和素砂试样的抗剪强度规律与其完全饱和或完全干燥时不相同。然而,关于含水量对离心试验条件下砂土边坡稳定性影响的研究尚未见任何报道。针对离心试验条件下不同含水量的砂质边坡稳定性的差异性,提出了低含水量砂土的表观粘聚力问题。采用TLJ-150A型土工离心实验机对由福建标准砂组成的含水量或坡角不同的四个边坡模型进行了对比试验,通过数值模拟反演了砂土抗剪强度参数,提出了基于土水特征曲线的砂土表观粘聚力计算公式和离心试验条件下的砂土表观粘聚力计算方法,并通过算例进行了部分验证。试验表明:各边坡模型均呈浅表层崩塌,对应的失稳破坏离心加速度值分别为24.6g(含水量5%,坡角75°)、35.2g(含水量2%,坡角65°)、44.3g(含水量5%,坡角65°)和40.0g(含水量8%,坡角65°);从离心实验结束后的边坡模型中取样进行直剪试验验证了抗剪强度反演值,相对误差不超过13%。研究表明:非饱和砂土抗剪强度的改变是由表观粘聚力引起的,表观粘聚力在一定程度上取决于基质吸力的大小,砂土表观粘聚力最大值与土水特征曲线拟合参数及有效内摩擦角有关。由离心试验获取的砂土表观粘聚力与水体质量、土体含水量和破坏g值成正比,与收缩膜周长和曲率半径成反比。

半无穷大裂纹端部粘聚力分析

准脆性材料裂纹端部断裂过程区粘聚力是导致非线性断裂特性的重要原因,根据准脆性材料的断裂特性,对存在粘聚力分布的半无穷大裂纹力学分析模型,由变形叠加原理得到以该粘聚应力分布为未知函数的积分方程,通过对积分方程的分析推证,得到了该分布函数解的数学结构和级数型表达式;提出了由实际裂纹张开位移,确定裂纹端部粘聚力分布函数的两种方法:其一由连续的裂纹张开位移通过积分变换求解未知函数级数展开项的系数,其二是由离散的裂纹张开位移数据通过最小二乘法确定该函数;推导出了相应方法求解未知量的代数方程。