级配对粗粒土-格栅界面循环剪切特性影响试验研究

【目的】为研究级配对粗粒土-土工格栅界面动力剪切特性的影响规律,【方法】基于连续级配方程,通过改变试样的最大粒径d_(max)和级配面积S,制备了18组不同级配试样,对各组试样分别进行设置土工格栅和不设置土工格栅的循环直剪试验,分析d_(max)和S对界面循环剪切特性的影响,并引入了加筋剪切刚度系数α_(K)和加筋阻尼比系数α_(D),来评价土工格栅对动剪切强度参数的影响效果。【结果】结果显示:当小于格栅网孔尺寸的粗粒含量较高时,剪切刚度K随着d_(max)的增大而增大,阻尼比D随着d_(max)的增大而减小;反之,则表现出相反的趋势。K和D均与d_(max)呈对数函数关系;K和D与S的关系均可用二次多项式表示。此外,给出了α_(K)和α_(D)与粒孔比的关系,即随着粒孔比的增大,α_(K)先增大后减小,α_(D)呈先减小后增大的规律。当粒孔比取0.073左右时,土工格栅对粗粒土循环剪切特性的加筋效果最好。【结论】结果表明:颗粒与土工格栅间的互锁机制对粗粒土-格栅界面的循环剪切特性有重要影响,当大部分颗粒粒径小于格栅网格尺寸时,颗粒与格栅间的互锁机制充分发挥;当颗粒最大粒径及格栅网格尺寸相同时,存在一个最优级配面积,使得粗粒土-格栅界面的抗震性能最好。

考虑弹性压缩的弹性支承抛物线拱内力解析解

为解决非理想边界约束的拱结构内力理论计算问题,将非理想边界约束简化为弹性支承,基于弹性中心法对其力法方程进行简化,考虑弹性压缩的影响,采用精确曲线积分,推导了竖向移动荷载作用下计算弹性支承抛物线拱刚臂长度、常变位、载变位和内力的解析解,研究了弯压刚度比、矢跨比和水平弹性约束对支承处水平推力的影响规律,以及水平弹性约束对拱轴内力分布的影响。研究表明:该文提出的解析解物理概念清晰、正确可靠,可以显式地明确呈现弹性支承相关参数对内力计算的影响过程;不考虑拱肋弹性压缩影响导致的水平推力计算误差随弯压刚度的增大而增大,拱趾支承为刚性约束时误差最大,可以达到27.8%;水平弹性支承对拱轴内力分布和水平推力具有显著的调控作用;水平推力影响系数随矢跨比的增大呈非线性增大,当弯压刚度比为1.93、水平弹性支承柔度系数为0.02时,常见矢跨比对应的水平推力影响系数在0.15左右。

连续排水边界下考虑指数渗流的软土一维非线性固结分析

为研究考虑边界排水的时效特性、变荷载、非达西渗流以及土体非线性特性的饱和软土固结问题,通过引入连续排水边界,建立考虑指数渗流和土体非线性的固结方程。利用有限差分法得到变荷载及瞬时荷载下基于连续排水边界考虑指数渗流的软土一维非线性固结解答,通过渗流形式退化和边界退化的方法,将所得解答与达西渗流下的解答及传统排水边界下的解答对比验证了该文差分法解答的可靠性。基于所得解答,详细分析了界面参数、指数渗流及土体非线性等因素对固结特性的影响。结果表明:界面参数取值越大则边界排水能力越大,边界排水性能较差时提高界面参数取值能有效提高边界排水能力;边界排水性能主要影响土体固结前期,而指数渗流主要影响固结后期;实际工程中如果关注固结的整个过程,则需要考虑边界排水性能的影响,但如果只关注固结后期的沉降值,则可忽略边界排水性能的影响。

粗粒土抗剪强度的缩尺效应规律试验研究

抗剪强度是评价土体稳定性的重要指标,研究缩尺效应对粗粒土抗剪强度的影响,对高土石坝工程土体强度估算有重要的理论意义和应用价值。根据前人的研究,颗粒最大粒径d_(max)和级配结构两部分变化是导致缩尺后试样存在缩尺效应的主要原因,其中级配结构可由级配面积S作为特征参数表示。通过改变试样的d_(max)和S,设计了24组不同级配试样,利用大型直剪仪对各组试样进行直剪试验,从而定量研究颗粒最大粒径和级配结构对粗粒土抗剪强度的影响规律。研究结果表明:粗粒土的抗剪强度指标黏聚力c和内摩擦角φ均表现出随着d_(max)增大而增大的规律,且c和φ均与d_(max)呈对数函数关系;黏聚力c和内摩擦角φ随着S的减小而增大,到达某一特定值后呈略微减小的趋势,并根据相应试验数据分别建立c和φ与S的关系式。最后,基于试验结果建立了考虑缩尺效应的粗粒土抗剪强度的预测模型,并用相关文献试验数据验证了该模型对不同类型粗粒土的适用性。

缩尺效应对粗颗粒土静止侧压力系数影响规律试验

准确把握粗颗粒土静止侧压力系数K_(0)对分析及设计土石坝等岩土工程具有十分重要的作用。由于缩尺效应的存在,粗颗粒土室内K_(0)试验结果往往无法正确反映其真实值。本文利用自行研制的大型K_(0)测试仪对某砂卵砾石料及堆石料进行大量试验,以研究分析缩尺效应对粗颗粒土K_(0)影响规律,找出消除缩尺效应影响的方法。通过改变试样颗粒的最大粒径d_(M)、缩尺方法、初始相对密实度D_(r0)等初始条件,设置24组试样,利用大型K_(0)测试仪对各组试样进行直剪试验,定量研究d_(M) 、缩尺方法和D_(r0)对粗粒土K_(0)的影响规律,并探讨以室内试验数据推求现场粗粒土K_(0),从而消除缩尺效应的方法。结果表明:D_(r0)及缩尺方法不变时,粗颗粒土K_(0)随着d_(M) 的增加而显著减小,因此,缩尺效应会导致粗颗粒土K_(0)显著增高,且缩尺后土料d_(M) 越小,其K_(0)受影响程度越高;D_(r0)及d_(M)相同时,缩尺方法对粗颗粒土K_(0)有一定影响,采用等量替代法缩尺后,试样K_(0)值增加最小,因此,采用等量替代法缩尺可减小缩尺效应对粗颗粒土K_(0)的影响;相比d_(M) ,D_(r0)对粗粒土K_(0)的影响更为显著,D_(r0)越大的土样,d_(M)对粗粒土K_(0)影响更明显。基于砂卵砾石料K_(0)试验结果及前人的研究,建立根据室内试验结果反推现场粗颗粒土料K_(0)的公式,以消除缩尺效应对粗颗粒土K_(0)的影响。利用堆石料K_(0)试验结果验证了该经验公式的准确性及适用性。

修正等应变假定下均匀开孔透水管桩复合地基固结解析解

复合地基是一种有效且应用广泛的软土地基处理技术,而开孔透水管桩综合了散体材料桩的透水性与黏结材料桩高承载力的优点,是地基处理中增强体的新选择。据此,为研究透水管桩复合地基的固结特性,在考虑桩体向褥垫层和下卧层发生刺入的前提下对传统等应变假定进行了修正,并引入半透水边界作为桩土界面排水条件,在此基础上推导了桩身均匀开孔下土体固结的微分方程和求解条件,综合考虑了不同的附加应力分布形式以及扰动效应。利用有限正弦傅里叶变换等方法,求解了土体内部超静孔压、地基沉降及固结度的解析表达式,并通过退化分析和有限差分解的对比,验证了本文解答的正确性。最后,通过算例分析系统探究了开孔率、开孔半径、地基附加应力分布形式、扰动效应以及垫层和下卧层的压缩模量对地基固结特性的影响。结果表明:相比于传统管桩,透水管桩对加快桩周土内超静孔压的消散有着显著的效果;具体为开孔率越高、开孔半径越小,则桩侧土内超静孔压消散越快;与此同时,附加应力呈倒三角分布且不考虑扰动效应时地基固结速率最快;此外,增加垫层和下卧层的压缩模量也可以提升地基固结速率。本文的研究结果可为透水管桩技术的推广和工程设计提供一定的理论依据。

考虑级配影响的粗粒土−格栅最优网格尺寸试验研究

土工格栅作为土石坝常用的加筋材料,根据颗粒级配采用适合的格栅网格尺寸可显著提高土石坝抗震性能,探究级配影响下最优网格尺寸变化规律具有工程意义。基于连续级配的级配方程,通过改变最大粒径d_(max)和级配面积S,设计15组级配土料,采用4组不同网格尺寸L_(a)对各个土料加筋,做成60组加筋试样。利用大型直剪仪对各个试样进行循环剪切试验,从而定量研究级配与能使加筋粗粒土抗震性能达到最优的土工格栅网格尺寸之间的关系。试验发现,当d_(max)及L_(a)一定时,级配面积存在一个最优值使抗震性能达到最佳,将此定义为最优级配面积S_(opt);当网格尺寸一定时,S_(opt)随d_(max)增大而增大,两者之间呈明显的对数关系;当d_(max)一定时,S_(opt)随L_(a)增大而减小,两者之间也呈明显的对数关系。建立定量描述d_(max)和L_(a)对最优级配面积S_(opt)的耦合影响的计算模型,并结合工程实际,提出基于室内试验结果预测现场粗粒土原级配对应最优网格尺寸的经验公式。

粗粒土缩尺级配的渗透系数规律试验

粗粒土广泛应用于土石坝和软弱地基处理工程,渗透特性对工程设计的安全性具有重要影响。受室内仪器尺寸限制,只能对原级配粗粒土进行缩尺处理才能试验。然而,原级配粗粒土缩尺会改变土颗粒之间的孔隙大小及孔隙通道之间的连通性,导致缩尺后粗粒土室内渗透试验结果与原级配土的渗透系数存在一定差异,这种差异对准确了解原级配土的渗透特性十分重要。因此,如何通过缩尺试样试验结果准确预测原级配土的渗透系数,成为评价工程现场粗粒土渗透特性的关键。本文基于连续级配方程,将颗粒最大粒径d_(max)和级配面积S作为变量,设计16组不同级配试样,利用自制大型常水头渗透仪对各组试样进行室内渗透试验,定量研究缩尺级配的渗透系数变化规律,并找出不同级配土之间渗透系数换算的方法。结果表明:当级配面积S一定时,渗透系数k随d_(max)增大而增大,级配面积越小该规律越明显;当最大粒径d_(max)一定时,渗透系数k随级配面积S增大而减小;d_(max)和S对k的影响规律可分别用特定函数形式定量描述。根据d_(max)和S与k的关系式建立粗粒土不同级配之间的渗透系数换算模型,通过文献计算出该模型对各类粗粒土不同级配下渗透系数预测值与实测值的误差均在6%内,并利用缩尺级配试验结果反推出原级配渗透系数值且误差仅为2.5%,验证了该渗透系数计算模型对粗粒土的适用性。

考虑土塞效应的开口管桩沉桩与承载全过程离散元分析

开口管桩贯入过程中会产生复杂的土塞效应,显著影响管桩的沉桩过程与承载特性。考虑到试验方法成本高、周期长、且难以直观反映土塞与管桩的相互作用特性,基于离散元方法开展砂土地基中静压开口管桩沉桩与承载全过程模拟分析。基于室内试验数据对离散元模型参数进行标定,并采用周期性单元复制法生成均质且应力沿深度线性分布的地基模型。基于土体变形特征,揭示管桩中土塞的主动拱与被动拱分布特征。进一步地,结合土塞参数的演化规律,得出土塞增长率(IFR)对土塞状态变化更为敏感,且土塞阻力的发挥趋势与IFR值变化趋势有较高的相似性。基于管桩静载试验模拟,得出静载下开口管桩呈完全闭塞状态,土塞的荷载-位移响应呈弹塑性,并最终建立考虑CPT锥尖阻力、土塞效应、管桩尺寸的静压开口管桩桩端阻力经验计算公式。本文研究成果揭示了土塞的形成演化过程与承载机制,对于考虑土塞效应的开口管桩沉桩阻力预测与承载力计算具有一定参考价值。

基于现场试验的海上风电大直径钢管桩p-y曲线特性分析

作为美国石油协会(API)推荐的规范方法,p-y曲线法在水平受荷桩的计算分析中得到了广泛应用。随着海上单桩基础尺寸的增大,基于柔性长桩得出的API规范p-y曲线的适用性受到了越来越多的质疑。以中国某海上风电场大直径单桩基础水平静载试验为工程背景,分析了试桩的水平受荷变形特性。基于实测数据,对比了4种较为常见的p-y曲线方法的计算效果。结合三维有限元模拟分析了基础尺寸对p-y曲线形式的影响,并探讨了上述p-y曲线的适用工况。结果表明:API法不适用于大直径桩的分析计算;4种方法中,Sullivan法的预测值与实测值最为吻合。同时根据现场试验与有限元分析的结果提出了修正的p-y曲线计算方法。文中研究成果能为相似海域内大直径单桩水平承载变形特性设计提供一定参考。

不同饱和阶段作用下膨胀土的含水率试验研究与应用

膨胀土是一类富含亲水性黏土矿物的非饱和土,具有极强的亲水性;饱和过程含水率变化,导致膨胀土的性状发生变化,从而诱发膨胀土工程问题。基于已有的研究成果,提出了采用2个饱和阶段表征膨胀土饱和过程的方法及适用于不同饱和阶段作用下膨胀土的含水率试验方法。考虑不同饱和阶段作用,开展了膨胀土的含水率试验研究,以试验研究结果为基础,结合理论推导,重点分析了膨胀土重度的演化规律,建立了膨胀土边坡浅层下滑应力计算模型。研究结果表明:饱和过程膨胀土含水率随着膨胀变形增加而增加,重度随着膨胀变形增加而减小;建立的下滑应力计算模型能够考虑含水率的影响,也能直观反映降雨条件下膨胀土边坡浅层下滑应力变化规律,且易于工程应用。

沉降-时间曲线呈“S”型的证明——从一维固结理论角度

从一维固结理论出发,严格证明了在线性加载或近似线性加载情况下(这和工程实际加载相类似),沉降-时间曲线呈“S”型。

沉降-时间曲线呈“S”型的证明及其应用——从土体本构关系

从土体本构关系出发,严格证明了在线性加载或近似线性加载情况下(这和岩土工程实际加载相类似),沉降-时间曲线呈“S”型,并由此建立了新的沉降-时间预测模型,工程应用证明了该模型的合理性。

真空预压加固软土地基变形机理的探讨

在现有的有关真空预压机理分析的基础上,分析了真空预压研究(包括理论、试验、实际工程)中存在的问题;考虑土体各向异性对土体变形的影响,提出在真空预压这一特定应力路径下,应力诱导各向异性可能是引起工后沉降的主要原因。

新型伞状抗拔锚现场试验研究

在研制出新型伞状抗拔锚并对其进行室内模型试验的基础上,为深入了解其实际应用效果和价值,现进一步对其展开现场实测试验。现场试验主要进行了伞状锚施工工艺的分析研究和承载性能的对比评价,施工工艺方面主要是基于现有传统抗拔桩和抗拔锚杆施工工艺上的改进,承载性能方面主要是通过现场静力载荷试验得出伞状锚的实际承载力,并与理论值进行了对比分析。试验结果表明:与传统抗拔桩相比,伞状锚的施工工艺与之类似,但在承载力方面,在等效条件下,新型伞状抗拔锚承载力的提高非常明显,再次证实了伞状锚的优越性,为其工程推广应用奠定了良好的基础。

坑侧土体卸荷的侧向应力-应变关系研究

利用平面应变仪对坑侧土体进行k0固结-侧向卸荷的试验研究,指出经过侧向卸荷过程的土样抗剪强度指标与常规三轴压缩试验结果明显不同;得出侧向卸荷土体的侧向应力-应变间也呈双曲线关系,据此运用邓肯-张建模思路,推导出反映坑侧土体侧向卸荷实际应力路径下的侧向应力-应变关系模型,模型预测与试验结果吻合较好。

基于不对称连续排水边界的太沙基一维固结方程及其解答

在Terzaghi一维固结理论的基础上,提出了一个从透水到不透水的双面不对称连续排水边界条件,建立了广义Terzaghi固结理论,并给出其解答。对其解答进行分析发现:修正后的固结方程的边界条件能严格满足其初始条件;通过变化边界条件中的参数,可以得到包括Terzaghi一维固结理论解答在内的连续解,从而弥补了Terzaghi固结理论只能考虑透水和不透水这两种极端情况的不足;通过调整边界条件中的参数,还可以用来模拟实际土层上下两面透水性不同的情况;对其结果进行级数项数的研究,固结系数取不同值时,级数取一项或多项,均能满足精度要求。所以该理论把Terzaghi一维固结理论推广到了更为一般的情况,而且其结果可以很方便地推广到工程应用中。

地基沉降-时间曲线型态的证明及其应用

本文从土体本构关系出发,严格证明了在线性加载或近似线性加载情况下(这和岩土工程实际加载相类似),沉降时间曲线呈“S”形,并由此建立了新的沉降时间预测模型,工程应用证明了该模型的合理性。

地下水浮力折减试验研究

通过运用模型试验方法,对处于不同环境中深基础上的地下水浮力的力学效应进行分析,主要探讨砂土层和黏土层中的地下水浮力折减情况,并对不同水位下地下水浮力的变化规律和地下水浮力随时间的动态变化过程进行分析。试验结果表明:砂土层中的地下水浮力基本不存在折减,实测值与按阿基米德定律计算的理论值基本相等;而黏土中的地下水浮力实测值始终比理论计算值要小,且水浮力受水位回升的高度和时间的影响,具体的变化规律可用折减系数来表示,低水位下和水位回升初期的折减系数较小,约为0.4左右,随着时间和水位的增长,折减系数逐步增大,最终达到0.70。地下水浮力的可折减性和变化的不确定性表明进一步完善地下水浮力计算理论的必要性。