不同应力路径下超固结黏土试样变形局部化分析

基于改进伏斯列夫面超固结黏土三维本构模型,利用有限元软件ABAQUS材料子程序接口,采用回映应力更新算法,实现了该模型在有限元分析中的应用。通过该模型与比奥固结理论的耦合,对超固结比为8的超固结黏土在三轴压缩、三轴伸长及平面应变应力条件下的变形局部化问题,进行了水-土耦合弹塑性有限元分析。分析结果表明:剪切带带内、带外点经历不同应力路径;剪切带带外单元经历了体缩、剪胀及被吸水体缩过程,而剪切带带内单元一直保持剪胀趋势;剪切带的形成伴随着剪胀,剪切带内、外出现了负的孔压,且孔压的分布也具有局部化特性。关于剪切带带内、外的孔隙水压及体变变化趋势与剪切速率有关,而平面应变介于三轴压缩与三轴伸长之间,但平面应变较早出现剪切带。孔隙水的迁移速度影响剪切带带内单元的剪胀,进而影响剪切带的形成及发展;而围压和弱单元位置也对剪切带的形成也有影响。

超固结土本构模型分叉三维理论分析及数值模拟

应变局部化分叉的产生强烈依赖于本构模型的弹塑性矩阵。以基于伏斯列夫面超固结黏土三维本构模型为研究对象,推导了三维应力下产生分叉的应力条件,求出了该模型在常平均应力时不同应力路径下分叉三维解析结果。解析结果表明:该模型在应力洛德角为-26.5°～7.5°时,有分叉现象产生,分叉产生于土体应力应变的硬化阶段,且分叉后剪切带倾角变化趋于稳定;而应力洛德角在-30°～-26.5°及7.5°～30°时无分叉现象出现。最后,利用有限元软件ABAQUS的材料子程序接口,采用回映应力更新算法,编写了材料特性子程序,实现了该模型在有限元数值分析中的应用,对均匀各向同性多单元立方体进行常平均应力时真三轴试验数值模拟,并比较数值计算结果与解析结果,验证了解析解与数值模拟结果的一致性。

砂的临界状态本构模型局部化分叉分析

基于砂的临界状态本构模型考虑了平均有效应力水平及孔隙比的影响,能合理地反映不同密度和应力水平下砂的变形特性。该模型对平面应变状态下变形局部化分叉的解析表明:在围压一定时,分叉出现在应力应变关系硬化阶段,分叉点对应的应力比及剪切带倾角均随孔隙比的增加而减小;密砂及松砂分叉点对应的应力比分别在临界状态线的上侧和下侧;而且峰值应力比与分叉应力比差值基本不变,但松砂较密砂差值大。在初始孔隙比一定时,密砂分叉点对应的应力比及剪切带倾角随着初始有效围压的增大而减小,而松砂分叉时的应力比及剪切带倾角基本不受围压影响。最后,为了验证解析解的正确性,采用回映应力更新算法,编写了有限元材料子程序,把该模型嵌入有限元软件ABAQUS。通过对多单元立方体试样数值模拟结果与解析解的对比,两者基本一致。

三维应力状态下砂的临界状态本构模型分叉分析

就服从非关联流动法则软化型砂的临界状态本构模型,在不同应力路径下的分叉进行了理论和数值分析。理论分析表明:分叉现象强烈依赖于应力路径,即当平均应力p一定时,应力路径在洛德角在-25o～15o之间时,均会在应力-应变关系硬化阶段出现分叉现象,而其他应力路径下不会产生分叉。并且分叉时对应的应力比、主应变及剪切带倾角都随洛德角的增加而变化,其值是先增加而后减小。采用回映应力更新算法,编写了该本构模型材料子程序,借助有限元软件ABAQUS及材料子程序,通过数值计算方法预测到了分叉点所对应的应力状态,表明了分叉现象在数值计算中的存在性,并通过数值预测值和理论解的对比,两者结果基本一致。

三维弹塑性模型在路堤软基固结分析中应用

针对基于SMP准则改进的剑桥模型(MCC-SMP),采用弹性预测和塑性修正两阶段的回映算法,给出了应力更新算法,根据其算法编制了非线性有限元子程序,进行了三轴压缩、三轴伸长及平面应变等单元试验问题的数值模拟,通过数值分析和试验结果的对比,验证了子程序的精度;采用该本构模型,对澳大利亚某试验段路堤软土地基固结进行了三维有限元分析,重点分析和对比了孔压、沉降及水平位移的变化规律。

不同应力路径下剪切带的数值模拟

采用回映应力更新算法,编写了基于伏斯列夫面的超固结黏土本构关系模型子程序,嵌入非线性有限元软件ABAQUS。通过对单元试验进行三轴压缩、三轴伸长及平面应变等问题的模型预测,再现了超固结黏土在不同初始超固结比和应力路径时的变形和强度特性,从而验证了子程序的正确性。借助该本构模型,对三轴压缩、三轴伸长及平面应变应力路径下超固结黏土体变形局部化问题,进行了三维数值模拟。分析结果表明:超固结黏土在三轴压缩及伸长状态时,土体变形局部化在应力-应变关系软化时出现,而平面应变状态时,在应力-应变关系硬化阶段出现,其超固结黏土的剪胀特性在剪切带的形成过程中起重要作用。

基于UH本构模型的软土深基坑数值分析

针对能反映超固结黏土的硬化、软化、剪缩和剪胀等应力应变特性及应力路径影响的UH本构模型,采用回映应力更新算法,编写了有限元材料子程序,实现了该模型在有限元ABAQUS软件中的应用;通过对单元试验进行三轴压缩及其它不同应力路径下的加载及卸载模型预测,再现了超固结土在不同超固结比和应力路径时的变形和强度特性,验证了子程序的正确性。最后,采用UH本构模型材料子程序,使用有限元软件ABAQUS,对软土地层中的某地铁车站深基坑进行了数值分析,讨论了基坑变形及支护结构土压力的变化,通过数值计算结果和实测值的对比,验证了UH本构模型在软土基坑数值分析中的适用性和正确性。

深基坑近接施工对地铁盾构区间隧道影响数值分析

以成都地区深基坑近接地铁盾构区间隧道施工为依托,采用数值分析方法,考虑桩-土-隧道结构的相互作用,建立了三维有限元计算分析模型,分析了基坑开挖对既有地铁盾构区间隧道影响;分析结果表明:随着基坑开挖,引起临近区间侧基坑周边地层及围护桩变形增加,且呈现出临既有线基坑边中部大,向两侧逐渐减少的趋势,充分反应了基坑的空间三维特性;同时,盾构隧道最大水平位移2.05mm,最大值位于临近区间基坑边中部;隧道结构最大弯矩较初始状态增幅约30%,剪力较初始状态增幅约18%,但其数值均在盾构区间隧道的承受范围内,计算结果为后续类似工程提供了借鉴作用。

顶管近接施工对轨道交通区间影响数值分析

以成都地区顶管工程近接既有轨道交通路基段项目为依托,采用数值分析方法,考虑管-土结构的相互作用,通过建立了三维有限元计算分析模型,分析了顶管工作井及顶管不同施工不同工况下对既有轨道交通结构的影响;分析结果表明:顶管工作井开挖引起周边竖向变形最大为4.12mm,且变形主要集中在工作井周边,随着距离工作井的距离增大,地表变形逐渐减小,且其值衰减较快,对轨道结构影响较小;通过对顶管顶进阶段不同阶段的分析,随着顶管的顶进,轨道结构的竖向变形逐步在增大,最大变形为0.92mm,且轨道结构变形竖向变形沿轨道纵向呈抛物线型分布,对应管道上部竖向变形最大;上述计算结果为后续类似工程提供了借鉴作用。

基于g(θ_σ)法改进的剑桥模型及其应用

针对莫尔-库仑(简称M-C)准则屈服面在π平面上存在有尖点,采用了在π平面上外接M-C条件六角点的g(θσ)形状函数,使得π平面上的屈服迹线变成了抹圆了角的六角形,而且和SMP准则在π平面上的屈服迹线进行了对比,分析了它们之间的差异,并把g(θσ)形状函数应用于剑桥模型,考虑了Lode角的影响,最后采用g(θσ)法改进的剑桥模型,对澳大利亚某试验段路堤软基固结进行了有限元分析,重点讨论了孔压、沉降及水平位移的变化规律。

不同三维应力路径下超固结黏土变形局部化

利用非线性有限元软件ABAQUS材料子程序接口,采用回映应力更新算法,实现了基于改进伏斯列夫面超固结黏土三维本构模型在有限元分析中的应用。通过该模型与比奥固结理论的耦合,对超固结比为8的藤森黏土在三轴压缩、三轴伸长及平面应变时的变形局部化问题,进行了三维应力状态下的土水耦合弹塑性分析。分析结果表明:剪切带带内、带外点经历了大致相同的应力路径;剪切带带外单元体变经历了体缩,而剪切带带内单元一直保持剪胀趋势;剪切带的形成伴随着剪胀,剪切带内外出现了负的孔压,且孔压的分布也具有局部化特性。关于剪切带带内、带外的孔隙水压及体积变化趋势,平面应变介于三轴压缩与三轴伸长之间,但平面应变较早出现剪切带。

平面应变条件下水土耦合超固结黏土分叉分析

基于Hvorslev面超固结黏土三维弹塑性本构模型,导出在不排水和排水固结条件下饱和黏土的应变局部化分叉条件,分析不同渗透系数、排水路径长度和应变速率对分叉的影响.理论分析表明,在平面应变条件下,土体应变局部化分叉随着孔隙水的流动程度发生显著变化.利用嵌入上述本构模型的有限元软件ABAQUS,在平面应变应力路径下对加载面排水的多单元立方体应变局部化分叉现象进行数值分析.结果表明:当排水路径长度和应变速率一定时,渗透系数越大,应变局部化分叉出现得越早;当渗透系数一定时,排水路径长度和应变速率越大,应变局部化分叉出现得越晚;当时间因数一定时,应变局部化分叉出现时对应的剪应变一定.

超固结土模型平面应变分叉理论解与数值模拟

应变局部化理论最基本的问题在于局部化分叉产生的条件.针对基于伏斯列夫面超固结黏土三维弹塑性本构模型,推导平面应变条件下局部化分叉理论解及因局部化分叉而产生的剪切带倾角的表达式,并分析不同超固结比对局部化分叉理论解和剪切带倾角的影响.理论分析表明,在平面应变条件下,土体局部化分叉出现在应力应变硬化阶段,剪切带倾角在分叉前随着应变局部化的扩张发生显著变化,在分叉后趋于稳定.最后,利用非线性有限元软件ABAQUS,在平面应变应力路径下对均匀各向同性多单元立方体局部化分叉现象进行数值分析,得出的局部化分叉数值解与理论解较为一致,验证了理论解的可靠性.

大直径盾构隧道下穿既有高速公路桥涵影响分析

为进一步研究大直径盾构隧道掘进时对周边建(构)筑物的影响,依托成都某铁路工程大直径盾构隧道小间距、浅覆土下穿高速公路桥涵工程,采用数值模拟分析方法,考虑桩-土-隧道相互作用,建立三维有限元计算模型,分析盾构隧道施工引起地表、桥桩、人行地道及隔离桩位移变化趋势。结果表明:盾构隧道开挖卸荷在地表形成了明显的沉降槽,但隔离桩能有效阻断土体变形,减小地表沉降;地表横向沉降曲线在隔离桩位置出现突变,隔离桩前及背后的地表沉降量降幅分别达27%及40%~50%;地表纵向沉降曲线在隔离桩范围数值减小且呈W形分布。桥桩受盾构隧道开挖卸荷影响,产生向隧道侧的附加变形及弯矩,洞身范围其变形值从下至上先增大后减小,且较小直径盾构隧道对桥桩竖向影响范围大;同时盾构隧道下穿人行地道引起结构底板附加变形较大,沉降最大值达7.5 mm;上述相关数值计算结果与现场实测结果较为吻合,验证了数值模拟结果的准确性。

盾构隧道纵向上浮分析模型中地基抗力系数研究

盾构隧道施工过程中,盾尾附近管片普遍存在局部或者整体上浮问题。为分析盾构隧道施工期管片上浮问题,针对盾构隧道纵向上浮分析模型中地基抗力系数,首先基于隧道在横截面内整体上浮的特点,采用弹性力学方法,推导考虑注浆层影响的地基抗力系数理论解;然后依托实际工程,对比分析了采用该理论解与传统计算方法时地基抗力系数的差异以及对盾构隧道纵向上浮计算结果的影响。结果表明,传统计算方法显著低估了地基抗力系数,得到的隧道最大上浮量、弯矩及影响范围计算值偏大,而剪力计算值偏小。