基于弹黏塑性模型的部分排水柱孔扩张分析

孔穴扩张的速率效应不仅与孔穴周围土体的排水条件有关,还与土体的率相关力学特性密切相关。现有孔穴扩张理论多聚焦于土体部分排水条件引起的率相关性,较少关注土体排水条件和率相关力学特性的联合影响效应。采用数值分析方法,基于过应力弹黏塑性本构模型,分析了考虑部分排水条件的柱孔扩张过程,围绕孔壁处土体的径向总应力、剪切应力和超孔隙水压力随扩孔的发展规律,探讨了土体率相关力学特性对孔穴膨胀响应的影响。分析表明:当仅考虑土体部分排水条件时,径向总应力和剪应力随加载速度增加而单调减小,其中,扩孔初期,当扩孔速度在10^(-4)~10^(-1)mm/s范围内时,其对径向总应力的影响较小。当同时考虑部分排水条件和土体率相关力学特性的影响时,扩孔初期,径向总应力和剪应力随扩孔速度增加而显著增加,这一规律与Burswood黏土和湛江黏土的原位自钻旁压试验结果一致;随着扩孔的进行,径向总应力和剪应力随加载速度的增加,呈现先减小后增加的规律。土体黏塑性参数(γ^(vp)和n)的敏感性分析显示,相同扩孔速度下,径向总应力、剪切强度和初始剪切模量随γ^(vp)或n的增加而逐渐减小,且减小的幅度越来越小。扩孔速度、土体渗透系数、超固结比对孔壁处土体的排水条件影响较大,对参数γ^(vp)和n的影响相对较小。土体排水条件可通过无量纲速度V进行评价,部分排水条件对应的V值范围为0.04~250.00。建议在应用柱孔扩张理论分析黏性土相关问题时考虑土体力学性能的时间相关性。

部分排水条件下静力触探试验力学机理研究

在自然状态下,大部分土体的约束条件介于完全排水和不排水两者之间。在孔压静力触探试验(piezocone penetrationtest,CPTU)的贯入过程中,受探头尺寸、贯入速度和岩土材料等因素的影响,将发生部分排水现象。为研究排水条件对CPTU试验数据的影响,开展三轴压缩试验。引入应变增量比,建立考虑渐近状态的修正剑桥(Modified Cam-Clay,MCC)模型。推导考虑渐近状态MCC模型的柱孔扩张理论,提出CPTU测试数据的力学模型。通过数值模拟和模型槽试验,研究归一化贯入速度与排水系数的规律。结合CPTU数据的力学模型,获得应变增量比与排水系数的数理关系。最后以上海市苏州河地区深层排水调蓄管道系统工程的测试数据为背景,验证力学模型的正确性。结果表明:在部分排水条件下,利用考虑渐近状态的MCC模型,能够描述土体的应力-应变关系,合理解释CPTU贯入的力学机理。

部分排水条件下饱和砂土的力学特性研究

利用英国GDS公司的STDTTS标准应力路径三轴仪开展了饱和砂土的部分排水试验,从超静孔隙水压力、有效应力路径与渐近状态特性等方面研究了部分排水条件下饱和砂土的力学特性。将渐近状态方程与剪胀方程耦合,并引入描述排水程度的状态参量,提出了相变应力比方程,将方程引入到土的应力路径本构模型,建立了饱和砂土的渐近状态本构模型。通过部分排水条件下饱和砂土的三轴试验结果,验证了所建模型的合理性。研究结果表明:排水条件控制着土体剪胀特性的发挥程度,进而从两个方面影响土的力学特性,一是荷载条件,即影响土体的有效应力路径,以及加载模式;二是土性条件,即影响土的抗剪强度的发挥程度,形成渐近状态。

部分排水条件下饱和黏土渐近状态本构模型研究

为研究排水边界条件对饱和黏土强度特性的影响,利用GDS-DYNTTS动三轴仪开展了饱和黏土的不排水试验和自由排水试验。采用控制体应变与轴向应变增量比ξ的方法进行了部分排水条件下饱和黏土的强度特性试验,从孔隙水压力、p’-q平面的有效应力路径和渐近状态特性等方面研究了排水边界条件对饱和黏土力学特性的影响。基于渐近状态特性和剪胀特性,将应变增量比x引入应力路径本构模型,建立了饱和黏土渐近状态本构方程。通过与孔压、有效应力路径试验结果的对比验证了模型的合理性。试验结果表明:饱和黏土的应变增量比ξ应小于0.3;排水条件影响正常固结黏土剪胀性的发挥程度、有效应力路径以及土的抗剪强度大小。随着应变增量比ξ的增大,饱和黏土的孔隙水压和有效应力比减小而强度增大。试验后期,饱和黏土试样长期处于临界状态,改变排水条件可抑制或加速土体的破坏。

考虑部分排水和土体流变性影响的应变保持试验数值分析

旁压应变保持试验(SHT)是测定土体水平固结系数的有效原位测试方法之一。通常采用Clarke建议的步骤,由于包含了一些简化的假设而导致对固结系数的不准确地评估。以Drucker-Prager理想弹塑性模型为基础,利用有限元法模拟饱和黏土中SHT,分析了Clarke等固结时间因数曲线(根据Randolph和Wroth解)的适用条件,并考虑渗透性及应变加载率引起的部分排水的影响,对Clarke曲线进行修正,建议了误差曲线。进一步地采用Drucker-Prager理想弹塑性与土体流变的耦合模型模拟SHT,分析土体流变性对超孔隙水压力消散的影响。研究表明:土体流变对超孔隙水压力消散的影响,除了通过应力松弛改变边界应力水平而使超孔隙水压力下降,还通过改变超孔隙水压力的分布而减缓其渗透固结速度;渗透系数越小,土体流变性对超孔隙水压力的消散速度影响越明显。忽略土体流变性会高估水平固结系数,可高估几倍到数十倍。

部分排水条件下加筋路堤性状分析

使用椭圆帽土质模型分析了部分排水条件下软土地基土工合成物加筋路堤的性状,按照Biot理论模拟了固结行为。在路堤施工期地基土的部分固结和不同初始排水条件下,主要分析加筋体的刚度影响和地基土的强度轮廓面,以及在正常工作情况下和在路堤失效情况下土工合成加筋材料的应变特点。分析了加筋体对于地基土变形的影响。结果显示,加筋体可以提高路堤的破裂高度,可以明显地减小路堤施工期最大侧向变形、竖向变形和地基土隆起,可明显提高施工期路堤的安全系数。

部分排水剪切时土的抗剪强度

建立了剪切时存在部分排水条件下土的抗剪强度与总应力强度指标理论式 。

饱和高岭土的部分排水剪切应力-应变特性

为模拟实际工程中土体经常受到的固结和剪切同时作用(即部分排水剪切条件),基于三轴压缩试验方法,采用不同的轴向应变速率加载,并在剪切过程中始终打开排水阀的方式,开展了重塑饱和高岭土试样的部分排水剪切试验,分析了其在体变和孔压共同作用下的应力-应变特性。试验结果表明:部分排水剪切条件下所引起的孔压随着轴向应变位移加载速率的增加而增加,而抗剪强度却随着轴向应变位移加载速率的增加而减小,临界状态线并不依赖于剪切过程中的加载速率和排水条件。研究成果可为考虑部分排水剪切条件下地基稳定性分析方法的构建提供依据。

考虑部分排水条件下的柱孔扩张数值分析

针对现有扩孔理论无法考虑土体部分排水条件问题,基于ABAQUS,采用修正剑桥模型(MCC)描述土体的应力-应变关系,建立部分排水条件下柱孔扩张数值模型,开展不同扩孔速率条件下的柱孔扩张数值分析。数值模型的计算过程分为初始、地应力平衡、载荷3个分析步,在载荷步中,对模型右边界施加与初始孔压相等的孔压来模拟排水条件,改变模型左边界的位移实现扩孔的过程,修改载荷步的计算时长来控制扩孔速率,并通过将数值解答与完全排水、完全不排水2种极限排水条件下的理论解答做对比,验证了数值模型的可靠性。针对修正剑桥模型5个本构参数(压缩参数λ,回弹参数κ,泊松比ν′,应力比M,超固结比R)开展参数分析,获得了部分排水条件下柱孔扩张后孔壁处土体有效应力和超孔压的变化规律。结果表明:λ仅影响接近完全排水段的土体应力,对超孔压基本无影响;参数κ对于部分排水段的土体应力和超孔压略有影响;当ν′>0.3后,可以明显发现其对有效应力和超孔压的影响增大;M的增加使得完全排水段和部分排水段的有效应力呈现出增大的趋势;考虑土体应力历史R时,在高超固结比情况下,完全排水段附近的有效应力曲线梯度为0的范围随着R的增大而增大,改变排水条件对土体应力的影响较小,同时高超固结比使得超孔压的消散速度更快;将5个独立变量进行对比分析发现,R对超孔压的影响明显大于其他4个参数。

饱和重塑黄土在部分排水条件下的力学特性研究

针对黄土地区实际加载工程中部分排水问题,利用多功能GDS应力路径三轴仪开展饱和黄土不同排水条件下的三轴试验,研究了不同排水条件下饱和重塑黄土的强度特性。试验结果表明:饱和重塑黄土的强度随应变增量比的增大而增大,剪切过程中产生的超孔隙水压力随应变增量比的增大而减小;不同排水条件对土的强度特性的影响在两个方面:一是荷载条件,即土的有效应力路径,使得排水和吸水条件的加载模式不同;二是土性条件,即体积变形约束制约着土样剪胀特性的发挥,进而影响内摩擦角的发挥程度,形成渐近状态。根据试验数据,分析了不同排水条件下应力路径及渐进状态变化规律,调整了极限应力比的计算方法,得出饱和重塑黄土的极限应力比与应变增量比的线性关系方程。

部分排水条件下软黏土的循环三轴变形特性

为研究软黏土路基在长期交通荷载下的变形特性,针对温州地区的路基软黏土开展了一系列部分排水循环动三轴加载试验,研究部分排水条件下正常固结软黏土的孔压及变形随循环加载次数的发展规律,重点分析循环动应力比对软黏土回弹模量以及轴向累积塑性应变的影响。以5%的轴向累积塑性应变作为温州软黏土在部分排水条件下的破坏标准,确定了其临界循环动应力比为0.275。通过进一步考虑循环动应力比的影响,采用对数型经验模型对轴向累积塑性应变进行预测并建立了拟合参数与循环动应力比之间的关系。

考虑粉土温度效应与排水状态的CPTu计算模型

温度变化对土体性质和行为的潜在影响已成为许多岩土工程设计和应用的重要组成部分。针对粉土中孔压静力触探试验(piezocone penetration test,简称CPTu)的温度效应及部分排水状态,提出了基于小孔扩张理论的计算模型和分析方法。采用一种能够表征粉土强度温度效应的本构模型,给出了完全不排水和排水条件下的解析解;以Bourke粉土为例,分析了温度对扩张压力的影响,揭示了扩张压力随温度升高而减小的规律。采用一种线性映射方法给出了部分排水条件下的小孔扩张半解析解,并基于物理模型试验的结果得出了排水状态与温度的相关关系,建立了考虑粉土温度效应与排水状态的CPTu计算模型。研究了不同贯入速率下温度对CPTu测试结果的影响,结果表明,温度升高导致锥尖阻力与锥肩孔压减小,且变化幅度随超固结比的增加而增大,通过试验结果与计算模型预测结果的对比验证了模型的可靠性。

长期循环荷载作用下排水条件对饱和软黏土动力特性影响

由于软黏土渗透系数很小,目前针对饱和软黏土的循环荷载试验绝大多数都是在不排水条件下进行的。但对交通荷载而言,软黏土承受经年累月的长期循环荷载作用,实际的排水条件应该是部分排水的。基于此,通过对温州原状饱和软黏土进行不同循环应力比下的不排水和部分排水大周数(50 000次)循环三轴试验,分析了长期循环荷载作用下排水条件对饱和软黏土动力特性的影响。研究结果表明与不排水条件相比,部分排水条件下软黏土试样的动力特性表现出很大的不同。随着循环次数的增加,部分排水条件下的孔压随先增加后降低,存在一个峰值;经过较大的循环次数后,回弹应变逐渐减小,应力-应变滞回圈逐渐缩短,面积也明显减小。为了准确预测交通荷载作用下的长期沉降,采用部分排水条件进行试验是十分必要的。

结构性土中静力触探孔压消散的大变形模拟

静力触探试验被广泛用于确定原状土的工程性质。黏性土中探头的连续贯入引起超静孔压积累,贯入停止后孔压逐渐消散。在结构性粉质黏土、黏质粉土或粉土中,贯入过程可能发生部分排水现象,导致其后续的孔压消散响应相较于不排水贯入时更复杂。将结构土剑桥模型引入有效应力形式的大变形有限元方法,模拟结构性土中静力触探试验的贯入-消散全过程,得到部分排水或不排水贯入后超静孔压消散曲线的归一化表达。通过与现有离心机试验对比,验证了大变形方法的可靠性。大量变动参数分析发现,可以合理忽略土体类型、土体初始结构和消散深度对归一化消散曲线的影响,该曲线可用于确定有效固结系数,进而预测常规固结系数。

循环偏应力和循环围压耦合效应对饱和软黏土变形特性的影响

利用GDS变围压动三轴系统对温州地区典型饱和软黏土进行了一系列循环偏应力和循环围压耦合应力路径下的部分排水循环加载试验,重点分析了部分排水条件下循环偏应力和循环围压耦合效应对正常固结饱和软黏土变形特性的影响。试验结果表明:部分排水条件下,与围压保持恒定,偏应力单独循环剪切相比,循环偏应力和循环围压耦合剪切作用有效地促进了饱和软黏土的累积塑性应变的发展,循环围压和循环偏应力的比值每增加2/3,相应的永久轴向应变就增加32%。进一步根据部分排水条件下饱和软黏土永久轴向应变发展曲线特点,建立了考虑循环偏应力和循环围压耦合效应的正常固结饱和软黏土的永久轴向应变经验公式。

循环围压对饱和软黏土永久变形的影响

通过对温州典型饱和软黏土进行一系列不同应力路径下的部分排水循环动三轴试验,研究了部分排水条件下循环围压对饱和软黏土变形特性的影响。试验结果表明:部分排水条件下,与常规的围压保持恒定,偏应力单独循环作用下的三轴试验结果相比,循环围压的存在对饱和软黏土的永久体应变和永久轴向应变均产生了的显著的影响。在相同循环应力比和循环次数下,试样的永久体应变和永久轴向应变均随着循环围压幅值的增大而增大,说明常规的恒定围压循环三轴试验会低估高速交通荷载作用下路基土体的沉降。基于试样第10 000圈的永久体应变和永久轴向应变,分别建立了可以量化部分排水条件下循环围压对饱和软黏土永久体应变和永久轴向应变影响的经验公式,并用于预测饱和软黏土在交通荷载这种包含循环偏应力和循环围压耦合作用的复杂应力条件下产生的永久变形。

饱和砂土的渐近状态力学特性试验研究

利用GDS多功能三轴仪,通过控制土样应变增量比开展了饱和砂土部分排水三轴试验;利用超静孔隙水压力、有效应力路径和应力应变关系三方面的实验结果,研究了饱和砂土的渐近状态特性。研究表明,控制应变增量比为常数进行常规三轴加载时,饱和砂土的有效应力比也趋于某一常数,形成渐近状态,且渐近状态应力比随应变增量比的增大而减小。基于土的剪胀特性给出了渐近状态形成的物理机制,并给出了北京某砂土在部分排水条件下渐近状态应力比的试验结果。

不同应力路径下水土耦合超固结黏土分叉分析

基于超固结黏土三维弹塑性本构模型,导出水-土耦合部分排水条件下饱和黏土应变局部化的萌生条件,求出在不同应力路径下,单相和水-土耦合条件下超固结土分叉的三维解析解和数值解。理论分析表明,应力罗德角θσ为-30°、15°和30°时,无论是单相条件,还是水土耦合两相介质条件,该模型均无分叉现象产生;应力罗德角为0°时,单相条件下该模型有分叉现象产生,水土耦合不排水条件下该模型无分叉现象出现,水-土耦合部分排水条件下分叉与否则与参数选取有关;应力罗德角为-15°时,无论是单相条件,还是水-土耦合条件,该模型均有分叉现象产生。利用嵌入了上述本构模型的有限元软件ABAQUS,对单相和水-土耦合条件下的多单元立方体应变局部化分叉现象进行数值分析。分析表明,在应力罗德角为±30°时,单相条件和水土耦合条件下都无分叉现象产生;应力罗德角为15°时,单相条件下有分叉现象产生,水-土耦合不排水条件下无分叉现象出现,水-土耦合部分排水条件下何时分叉则与渗透系数大小有关;应力罗德角为-15°和0°时,单相条件和水土耦合条件下该模型均有分叉现象产生。同一应力路径下数值解相对于理论解更易出现分叉。

饱和软黏土应变累积特性及经验模型

为了更加真实地描述地基饱和软黏土在长期交通循环荷载作用下的永久变形特性,借助GDS变围压动三轴试验系统对温州饱和软黏土开展了一系列恒定围压应力路径(CCP)以及变围压应力路径(VCP)下的部分排水循环加载试验,重点分析了循环动应力比(CSR)、应力路径(α)及其长度(L)对饱和软黏土永久轴向应变的影响。试验结果表明:在给定的循环次数(N)下,永久轴向应变随着CSR的增大和α的减小而增大,可分别采用指数函数和对数函数描述永久轴向应变与CSR和α之间的关系。基于试样经历10000次循环后的永久轴向应变,通过归一化处理发现归一化永久轴向应变(ε^(p)_(a),10000/ε_(p,CCP)_(a,10000))与归一化应力路径长度(L/L_(CCP))和归一化平均主应力幅值(p^(ampl)/p_(CCP)^(ampl))之间分别呈对数和线性关系且与CSR无关。进一步构建了考虑CSR、α以及N综合影响的对数型经验模型并对不同应力路径下的永久轴向应变进行了预测,预测结果与实测值呈现出较好的一致性。

不同应力路径下超固结软黏土的永久变形特性

为了真实模拟软土路基在长期交通循环荷载作用下的沉降特性,通过部分排水条件下、不同应力路径下的正常固结及超固结温州饱和软黏土的循环三轴加载试验,对循环偏应力和循环围压耦合作用下饱和软黏土的永久轴向应变特性进行了研究,重点分析了超固结比及循环围压对饱和软黏土永久轴向应变的影响。研究结果表明:部分排水条件下,超固结土体相较于正常固结土体,其永久轴向应变提前趋于稳定,且稳定后的值随着超固结比的增大呈指数衰减;循环围压的存在可极大促进土体永久轴向应变发展,且循环偏应力和循环围压耦合作用对土体永久轴向应变的影响与超固结比无关。由此可见,在估算交通循环荷载下饱和软黏土产生的永久轴向应变时,对超固结比及循环围压的影响必须加以重视。