不同初始饱和度条件下高液限滑带土环剪试验

针对某高速公路沿线边坡滑带土,开展了一系列环剪试验研究含水率对其残余强度的影响。制作1.20 g·cm^(-3)和1.35 g·cm^(-3)两种干密度条件下初始饱和度为25%、45%、65%、85%和100%的滑带土试样,在100 kPa、200 kPa和400 kPa正应力条件下开展试验,获得了滑带土剪应力与剪切角关系曲线。根据曲线得到残余剪切强度,得出滑带土的残余强度参数。结果表明,当正应力为100 kPa时,初始饱和度对滑带土残余强度影响不明显,当正应力为200 kPa和400 kPa时,初始饱和度增大将使残余强度降低。当干密度为1.35 g·cm^(-3)时,残余黏聚力随初始饱和度增加而增加,而当干密度为1.20 g·cm^(-3)时则表现出先增后减的规律。对于两种干密度的滑带土,残余摩擦角均随初始饱和度增加而减小。低干密度条件下残余强度参数随初始饱和度的变化更敏感。

岩土弹塑性力学硕士研究生课程教学改革实践

岩土弹塑性力学是同济大学土木工程学院岩土工程方向硕士研究生的专业学位课程。在十余年教学经验总结基础上,结合专业学位研究生培养目标和岩土工程实际情况,对教学内容进行重新设计和优化。针对研究生学习中遇到的困难,提出一些教学改革措施,有利于学生系统性掌握专业知识并培养工程分析和开展科学研究的能力。为弥补缺少合适教材的不足,参考现有的弹性力学和塑性力学教材,并加入岩土力学方面的知识内容,编写一部面向全日制专业学位研究生教学的岩土弹塑性力学教材。

含水率对土石混合料力学特性影响试验研究

为研究初始含水率对土石混合料力学特性的影响,选取典型土石混合料开展大型三轴固结排水剪切试验。结果表明,随着初始含水率增加,土石混合料应力-应变曲线呈下降趋势,且围压越高下降幅度越明显。高围压、高含水率将抑制土石混合料剪胀,且剪缩特性更明显,从而应力-应变关系逐渐由硬化软化组合型过渡到持续硬化型。土石混合料剪切强度与正应力呈现非线性关系,含水率增大将导致土石混合料剪切强度参数减小。通过邓肯-张模型较好地拟合了土石混合料的应力-应变关系,并得出了材料参数随含水率的变化规律。

基于等效线性土体模型的地基与结构整体地震响应模拟

考虑动力荷载下土体的非线性和迟滞性,建立了基于等效线性理论的层状地基三维有限元动力分析模型。通过设置黏弹性人工边界实现无限域地基和等效地震荷载模拟,并对计算方法的可靠性进行了验证。进一步建立地震作用下结构和地基相互影响的整体分析模型,模拟得到了结构的地震响应。结果表明,相比根据场地地震反应分析理论建立的模型,基于土体等效线性的动力模型能有效考虑结构与地基的相互影响。建立的模型可用于结构三维动力问题分析,进而为结构抗震模拟分析提供了一个新思路。

静动力荷载作用下路基粗粒料力学特性试验研究

粗粒土因其良好的力学性能被广泛应用于路基建设中,但长期荷载作用下填料的变形严重影响了道路结构的安全运营。为了揭示典型路基应力水平及交通荷载条件下粗粒土的变形及强度演化,开展了一系列粗粒土填料静动力学特性试验,并进一步分析了静动力作用下填料破碎特征及差异。研究表明,低围压情况下,较小的轴向应变就可以使材料达到峰值应力状态,且围压的增加可显著提升填料峰值强度。不同围压下,填料在剪切过程中均出现剪胀现象,其中围压小于300 kPa试样的最终体应变均大于0。在动力试验中,填料轴向累积应变在相同加载次数下随着动偏应力的增加而增大,随围压的增加而减小,且前500次加载所造成的轴向应变占总应变的80%。静动力作用下的填料颗粒破碎形式存在差异,静荷载作用下的颗粒破碎主要以边角及整体断裂为主,而动荷载下主要以表面研磨和边角轻微断裂为主。

盾构隧道开挖面稳定极限理论研究

基于村山氏极限平衡法和极限分析上限法研究了盾构隧道开挖面稳定性,推导了维持开挖面稳定的最小极限支护压力计算公式。类似于Terzaghi地基承载力的叠加原理,将极限支护压力表示为土体黏聚力、地表超载和土体重度三项贡献的叠加,并对各自影响系数进行了分析。分析结果表明,极限平衡法得到的黏聚力影响系数随土体内摩擦角增大而增大,随隧道埋深比增加而减小,地表超载和土体重度影响系数均随土体内摩擦角增大而减小,地表超载影响系数随隧道埋深比增加而减小,土体重度影响系数随隧道埋深比增大而增大。当内摩擦角较小时,极限分析法得到的三项系数与土体内摩擦角和隧道埋深比的关系表现出与极限平衡相同的规律,但当土体摩擦角达到一定值时,土体黏聚力和土体重度的影响系数则不再随隧道埋深比而变化,地表超载影响消失。极限分析法得到的极限支护压力及三项系数均低于极限平衡法,但更接近现有文献中的有限元数值模拟结果。

三维盾构隧道开挖面极限支护压力数值及理论解

对盾构隧道开挖面稳定性进行三维弹塑性有限元数值模拟,获得了维持开挖面稳定最小极限支护压力随隧道埋深比及土体强度参数的变化特性.将极限支护压力值表示为土体粘聚力、上覆荷载、土体重度与其影响系数乘积的三项叠加,并通过数值模拟获得了各影响系数随隧道埋深比及土体内摩擦角的变化规律.利用数值模拟结果对三维楔形体模型进行对比验证,结果表明楔形体模型得到的各影响系数在规律上与数值模拟结果相符,但在数值上,土体重度影响系数与数值模拟结果更接近,而粘聚力和上覆荷载影响系数则存在一定偏差.

粉砂地层盾构隧道开挖面稳定性离心试验及数值模拟

通过开展离心模型试验,对干粉砂及饱和粉砂中盾构隧道开挖面的失稳破坏特性和极限支护压力进行了研究。通过远程控制开挖面土体位移,获得了支护压力与开挖面位移间的关系曲线及开挖面达到主动极限平衡状态时的破坏模式。2组干砂离心模型试验结果表明,当隧道埋深与隧道直径比从0.5增大到1时,开挖面破坏模式从整体坍塌破坏转变为烟囱状,但极限支护压力变化较小。饱和砂土中的试验表明,开挖面水平方向破坏范围相比在相同埋深干砂中的范围扩大,极限支护压力显著增加。对开挖面破坏过程进行三维弹塑性有限元数值模拟,获得了开挖面极限支护压力和破坏机制,所得结果与试验吻合较好。进一步通过数值模拟,分析了土体强度参数、隧道埋深及渗流对极限支护压力的影响规律。结果表明,渗流条件下开挖面破坏区域及极限支护压力均大于无渗流情况,极限支护压力随内摩擦角增大而减小,随隧道埋深增大而减小。

边坡模糊随机可靠性分析

为合理描述边坡稳定性分析中存在的多种不确定性,应同时考虑随机和模糊两种因素带来的影响。用L-R型模糊数描述随机变量的均值和方差,建立了模糊随机可靠性分析模型。为简化计算,将模糊数通过分解定理,取一系列λ截集,转换为一系列区间数进行计算。在一次二阶矩法基础上,推导了基于瑞典条分法及毕肖普法计算模糊随机可靠度的具体公式。算例表明,该法是合理实用的。

渗流条件下三维盾构隧道开挖面极限支护压力

通过有限元数值模拟,对水位变化条件下盾构隧道开挖面的孔压分布特性进行了研究,并进一步分析了水位高度、隧道直径和隧道埋深对开挖面渗流力的影响,结果表明开挖面平均渗流力与水位高度近似呈线性关系。基于梯形楔形体模型,结合渗流数值模拟结果获得楔形体滑块边界上的平均渗流力,建立了考虑渗流影响的隧道开挖面总极限支护压力计算公式。与不考虑渗流影响的支护压力对比表明,总支护压力大部分用于平衡渗流力,且总支护压力随水位高度近似呈线性增长。将建立的模型用于钱江隧道工程,通过选取5个典型截面计算支护压力,获得了钱江隧道极限支护压力的变化规律。

基于非共轴本构模型的砂土真三轴试验分叉分析

现有的弹塑性本构模型多数是基于共轴理论建立的,且只在三轴压缩应力条件下得到验证,因而不能合理描述真三轴状态下砂土的力学特性。为此,改进三维本构模型屈服函数的π面形态,运用非共轴分叉理论对真三轴状态下砂土的分叉强度与分叉前的应力应变关系进行分析。理论分析表明,真三轴条件下中主应力对分叉前应力应变曲线及分叉特性有着显著的影响,其中中主应力比超过0.2时应变局部化产生并决定了土体的峰值强度。真三轴试验结果与传统的共轴分叉理论的预测结果进行对比分析,验证了非共轴分叉理论预测的合理性。

饱和土体静态液化失稳理论预测

通过在屈服准则和剪胀性方程中引入材料状态参数,建立了一个与材料状态相关的本构模型,用于模拟不同初始孔隙比和围压下土体的应力-应变关系。基于二阶功理论,建立了饱和土体静态液化失稳理论判别准则。通过预测一系列饱和松砂三轴不排水试验结果,验证了所建立的本构模型及判别预测准则的合理性。分析结果表明,静态液化发生于土体硬化阶段,静态液化触发伴随着剪应力达到峰值,其后剪应力降低且孔隙水压力持续增长。进一步地,模拟了充分降解的城市固体废弃物在不排水条件下的应力-应变特性,并预测到了潜在失稳线及静态液化触发点。

循环交通荷载下软土路基长期沉降理论解

基于循环交通荷载下软黏土累积塑性变形、累积孔压经验公式与分层总和法结合的方法,通过计算不排水循环累积塑性变形引起的沉降和不排水循环累积孔压消散引起的固结沉降叠加,建立了一个软土路基长期沉降拟静力计算模型。对交通荷载应力路径下的软黏土空心圆柱扭剪试验数据分析,获得了不排水累积塑性应变模型和不排水累积孔压公式的参数。基于弹性理论解积分计算交通荷载下路基中的动应力,再结合分层总和法计算了路基沉降与循环周次的关系。通过工程实例分析,对比了计算沉降结果与实测结果并与以往理论分析结果,验证了所建立模型的合理性。

水力环境变化条件下夹软岩顺层边坡稳定性分析

为研究含水率变化及降雨入渗对含软岩夹层顺层边坡稳定性的影响,以广西某高速公路边坡为例,考虑夹层软岩强度参数随含水率的变化特性,分析顺层边坡含水率变化及降雨入渗条件对边坡安全系数的影响规律。结果表明:夹层软岩强度参数与含水率呈近似负指数关系,且存在一个临界含水率,当夹层软岩含水率超过该临界值时,最危险滑动面将由坡脚圆转变为沿软弱夹层滑动。降雨入渗条件下,降雨初期导致的下滑力增大对边坡安全系数影响不明显,随着降雨的持续,边坡浅表层受降雨入渗作用较大的区域更易失稳。

饱和圆砾地层盾构隧道开挖面稳定性物理模型试验

通过开展3组饱和圆砾地层盾构隧道开挖面稳定性物理模型试验,研究了不同埋深条件下开挖面支护压力不足导致的渐进失稳破坏过程。通过分析大颗粒土滑移松动—裂隙出现—裂隙闭合过程表明,开挖面破坏过程中土体存在变形滞后效应,且该效应随隧道埋深变浅而减弱。对开挖面变形进行PIV精细化图像分析,得到其破坏模式类似于楔形体加筒仓体结构,楔形体倾角约为45°+φ/2。筒仓区土体松动由于存在滞后效应,可能导致开挖面破坏表现出突发现象。为准确预测极限支护压力,将传统楔形体模型改进为宽体楔形体模型,预测结果与试验结果符合较好。

高铁桩网复合结构路基长期运营沉降模型试验研究

高铁路基沉降控制是保证列车安全性和舒适性的重要因素。随着高铁运营时间增长,软土地区高铁路基长期沉降问题越来越引起关注。针对京沪高速铁路徐沪段某试验段,开展了桩网复合结构路基长期循环动态加载物理模型试验,获得了路基沉降、桩土应力分担及桩身轴力分布的变化规律。试验结果表明:在初始1000次加载时,路基沉降随加载次数增加明显,之后达到稳定;桩上部位置土体变形大于桩身变形,桩侧呈现负摩阻力,中性点位于距桩顶约2/3桩长位置;桩身轴力随加载次数增加而增大,说明桩分担荷载增加,当达到4万次加载后,轴力随加载次数增加不再明显。

不排水加载条件下K_0固结饱和砂土失稳预测

基于二阶功准则及变形分叉理论,建立了分散性失稳和应变局部化失稳的理论判别准则,对K0固结不排水加载条件下饱和砂土的失稳特性进行了理论研究。分析结果表明,三轴应力状态下,土体表现为分散性失稳模式,应变局部化则不会发生。在试样初始状态较密实的状态下,由于相变作用,土体能够保持稳定,直至达到塑性极限破坏。在平面应变状态下,分散性失稳和应变局部化均可能发生,且分散性失稳先于应变局部化失稳出现。非共轴塑性流动法则的引入对分散性失稳预测结果无影响,然而对应变局部化的预测结果影响较大,且只有在引入了非共轴流动法则的条件下,应变局部化的理论预测结果才能与试验结果一致。

基于分叉理论的轴对称条件下岩石变形带分析

引入变形带描述轴对称状态下岩石应变局部化现象。采用通用形式的本构模型,基于分叉理论探讨了剪切带、压缩带和膨胀带3种变形带的出现条件,详细分析了轴对称状态下临界硬化模量和变形带方向角随本构参数的变化特性,发现现有的分叉理论分析不能预测压缩带和膨胀带是受所选用的本构模型的限制;同时在轴对称条件下,不管是采用关联还是非关联流动法则,预测到压缩带或膨胀带只能在软化阶段才能产生;而当采用非关联流动法则时,在特定范围内,预测到剪切带可以在硬化阶段产生。最后采用高孔隙岩石本构模型,分析了高孔隙岩石变形带角度随围压的变化规律,结果表明:岩石变形带的角度随围压的增大而减小;高孔隙岩石脆延转化是以压缩带的形成作为过渡,低围压下表现为脆性剪切带破坏,当围压达到临界围压后,随着围压继续增加,压缩带将会变得难以形成,宏观上表现为延性破坏。最后与已知试验结果进行对比,结果表明本文理论能合理描述岩石的应变局部化现象,预测结果与试验观察结果相符。

真三轴状态下砂土的强度参数

基于SMP强度准则和三剪切角理论,推导了一般应力状态和轴对称状态下砂土峰值内摩擦角间的转换公式,并研究了中主应力比的影响。考虑到轴对称压缩状态和轴对称拉伸状态所得峰值内摩擦角间的差异,对所得公式进行修正。将修正前后公式的预测结果与真三轴试验结果对比表明,若要合理描述砂土在一般应力状态下的强度特性,应当考虑三轴拉伸和三轴压缩状态下强度参数间差异的影响。

层状各向异性无黏性土三维强度准则

忽略黏性项,采用椭圆型角隅函数对Mohr-Coulomb准则进行三维化,建立了适合于无黏性土的三维强度准则,该准则能合理反映峰值内摩擦角随中主应力比的变化特性。以垂直与平行于土体沉积面方向的强度之比引入层状各向异性系数,并根据主应力轴与土体沉积面方向关系修正角隅函数,提出了一个适用于层状各向异性无黏性土的三维强度准则。通过研究其偏平面形状及峰值内摩擦角与中主应力比关系随层状各向异性系数的变化特性,表明该准则描述层状各向异性无黏性土强度的适用性。通过预测两组砂土真三轴试验结果,进一步地证实所提出强度准则的合理性。