各向异性砂土渗流潜蚀流体动力学-离散元流固耦合分析

针对具有初始各向异性的间断级配砂土细粒潜蚀问题,引入可以考虑颗粒投影面积影响的Ganser拖曳力计算模型,实现非球形颗粒的计算流体动力学(computational fluid dynamics,简称CFD)和离散元(discrete element method,简称DEM)的双相耦合。通过与单颗粒下沉试验的对比,验证了该数值方法在解决异形颗粒与流体相互作用时的适用性。在此基础上,生成具有不同沉积方向和不同细粒含量的初始各向异性试样,模拟向上渗流潜蚀试验,并在试验中监测细粒流失量、强弱力链组成以及颗粒组构变化等宏微观特性,研究不同充填状态下(欠填充和过填充)不同组构各向异性土体渗流潜蚀特征。之后,对受潜蚀前后的试样进行了排水三轴试验,探究渗流对土体强度弱化的影响。结果表明,过填充试样质量损失随着颗粒沉积角度的增大而增大,而欠填充试样质量损失随沉积角度先增大后减小;欠填充试样细粒损失主要来源于低连通性细颗粒,而对于过填充试样,潜蚀则会导致低连通性和高连通性细颗粒数量同时减小。此外,三轴试验表明,潜蚀致土体峰值强度发生显著弱化,且峰值强度随沉积角度的变化也会受到土体充填状态的影响。

加载与干湿循环作用下土石混合料蠕变特性试验

土石混合料在干湿循环作用下具有显著的蠕变性,其对高填方工程蠕变变形的影响不可忽略。为了研究了不同干密度及荷载水平对土石混合料湿化蠕变变形的影响,开展了9组土石混合料干湿循环作用下的压缩蠕变试验。结果表明,土石混合料的湿化蠕变变形随荷载水平的提高而增大,随干密度的提高而显著减小,但随着干密度进一步提高,湿化蠕变变形的减小幅度则明显弱化。土石混合料在干湿循环作用下的湿化蠕变变形与干湿循环次数对数之间较好地满足线性发展规律,初次湿化应变及湿化蠕变速率均同荷载水平及干密度之间符合幂函数特征,在此基础上提出了考虑不同干密度及荷载水平的土石混合料干湿循环蠕变经验模型。

双孔隙结构重塑非饱和膨胀土的抗剪强度特性

针对具有双孔隙结构(即集聚体间和集聚体内孔隙)及双峰持水曲线的内乡膨胀土压实样,进行了一系列宽广吸力范围内非饱和土三轴剪切试验及峰值强度演化规律的研究。试验结果表明:在净应力相同的条件下,中低吸力下的应力应变关系为应变硬化,伴随明显的剪缩变形;高吸力下为峰值后软化,在经历了1%~3%的体积收缩变形之后开始出现剪胀。试样的脆性随吸力的增加而增长,在中低吸力下呈桶形或中心鼓形的延性破坏模式,在高吸力下发生应变局部化现象,伴随着明显的剪切带出现。此外,脆性增加了峰后软化的幅度,表现为峰值偏应力与残余破坏状态之间的差值增大。基于区分毛细和吸附作用的双峰持水曲线(SWRC)模型,针对内乡膨胀土与其它具有双孔隙结构及双峰SWRC的土体在毛细吸应力空间进行了峰值强度分析,将吸力从孔隙应力尺度乘以毛细饱和度变为骨架应力尺度时,其呈现的强度包络线为双折线特征。理论分析表明,低吸力范围内,双孔隙结构非饱和土的抗剪强度由饱和强度与毛细吸应力贡献;高吸力范围内,抗剪强度应由饱和强度、毛细吸应力与胶结作用提供。

空间小净距交叉隧道动力响应振动台试验研究

为研究空间小净距交叉隧道在地震荷载作用下的动力响应,开展了相似比为1∶50的振动台模型试验,设计并加载了5种工况水平向El-Centro地震波,通过采集的试验数据对隧道动应变响应进行了分析,并对交叉段及非交叉段围岩的加速度响应进行了对比研究,在此基础上使用反应谱理论对其动力特性与地震动之间的关系进行探讨。试验结果表明:上跨隧道的应变峰值均大于下穿隧道,同时上跨隧道的存在及围岩的挤密效应减弱了地震波对于下穿隧道的冲击作用;地震荷载作用下空间交叉隧道的动力响应具有一定的“滞后性”,上跨隧道的震害破坏出现时间较早且更为严重;围岩内部各测点的加速度放大效应都沿高程方向表现出显著的峰值特征,非交叉段的加速度响应在靠近上跨隧道拱顶处最为强烈,而交叉段却出现在靠近下穿隧道拱顶处;坡体各测点位移反应谱的幅值随输入地震波幅值的增大而逐渐增大,且卓越周期也随之增大,即卓越频率逐渐减小;弱震(0.1g)作用下,短周期(0.5~1.5 s)内反应谱曲线具有显著的峰值特征,而强震(0.6g)作用下,长周期(3.0~5.0 s)内反应谱曲线沿高程具有明显的放大效应。

注浆成型螺纹桩接触面特性试验研究

为揭示新型注浆成型螺纹桩抗拔承载机制,对桩–土界面开展试验研究。借助自主研制的大型接触面剪切仪,量测普通桩土接触面与不同螺纹间距接触面的剪切应力与相对剪切位移关系,并观察桩土接触的破坏形态。试验研究表明,无螺纹桩–土界面产生平面形态破坏面,而螺纹桩–土界面呈现拱形曲线形态破坏;螺纹加固效应主要是增大桩土间的黏聚力从而提高桩土界面的抗剪强度;桩土界面上的螺纹间距存在某一最优值,可形成最大的拱形破坏面,从而螺纹桩–土界面将发挥最大抗剪强度。

交通动载下饱和软黏土累计变形的不排水循环扭剪试验

饱和软土地基上长期往复交通动载将诱发显著的路基运营沉降。交通移动荷载下场地应力路径下呈现心形旋转路径,然而现有路基长期运营沉降分析是建立在循环三轴试验基础上,忽略交通移动荷载下地基土单元主应力轴的旋转效应。利用动态空心圆柱扭剪仪模拟心形循环加载路径,并在动态空心圆柱仪上模拟了传统的循环三轴加载路径。对饱和软黏土开展试验研究,对比观察一系列心形循环加载和三轴循环的不排水累计变形行为。试验研究发现,心形循环加载将诱发更大的累计轴向应变和累计孔压,伴随着初始动应力比的增加,二者差异性更为明显。循环加载过程有效动应力比随着循环次数而增大,循环增量破坏时对应的有效动应力比近似为常数。大数目循环加载下,传统塑性安定行为可渐变为循环塑性蠕变状态。

桩侧注浆抗拔桩离心模型试验与原位测试分析

通过离心机模型试验研究了注浆对接触面特性、抗拔桩荷载-位移曲线及桩侧摩阻力的影响,揭示了注浆提高桩身侧摩阻力发展规律和抗拔承载机制,并进一步将离心机模型试验的结果与原位试验结果进行了对比分析。研究表明,注浆桩侧摩阻力的发挥呈现一个渐进过程,桩身上部极限摩阻力率先发挥,并逐渐向中下部发展;注浆后桩侧极限桩侧摩阻力得到提高,而发挥极限状态所需的桩-土相对位移减小,上拔加载过程中,桩侧上部和下部极限摩阻力增幅较大,中部增幅较小。离心与现场试验一致表明,桩侧注浆显著提高了桩的抗拔刚度及极限承载能力。

注浆桩土接触面试验研究及后注浆抗拔桩承载特性数值分析

桩侧后注浆抗拔桩是一种新型的抗拔桩基础。借助于试验和数值手段对这种抗拔桩的承载变形特性开展了深入研究。首先进行了接触面的大型剪切试验,以揭示桩土接触面在注浆与未注浆前后其力学特性的差异性,并基于大型接触面剪切试验成果,建立了桩土接触面的修正库仑摩擦模型。将接触面模型应用到有限元数值分析,分别模拟了传统等截面抗拔桩与后注浆抗拔桩的承载变形特性。研究表明,相比传统的抗拔桩,桩侧后注浆抗拔桩的侧摩阻力得到了显著的改善,特别是深处的桩侧极限摩阻力得到了更充分的发挥,从而桩侧注浆抗拔桩的承载能力有了较大程度的提高。

真三维应力状态下土体应变局部化的非共轴理论

判别土体应变局部化的产生条件强烈依赖于土体塑性流动的非共轴特性。本文分析表明,由于传统的非共轴塑性理论是基于二维共轴应力空间得到的,为此,本文基于三维共轴应力空间建立了三维非共轴塑性理论框架,并利用三维非共轴塑性理论预测土体的变形分叉状态。数值模拟与试验结果对比分析表明,传统的本构模型有必要引入非共轴塑性流动理论才能有效地提高模型预测土体变形分叉特性的能力。研究表明:针对平面应变状态的变形分叉问题,由于考虑了应力第三不变量对非共轴性的影响,三维非共轴理论预测结果比二维非共轴理论更为合理。

基坑开挖诱发周围土体水平移动的解析解

基于位移-位移平面应变边值问题,从理论上求解基坑挡墙水平变位诱发墙后周围土体水平移动。通过镜像映射法求得了挡墙平移与绕墙趾转动等两种基本刚性挡墙位移模式下墙后周围土体水平移动的精确理论解;在土体不可压缩的特定条件下,将该理论解与经典的汇-源理论解进行了对比验证。理论分析表明,周围土体水平移动主要取决于挡墙位移模式及位移大小,与地基土的变形模量无关。针对不可压缩土体,对比该精确解与汇-源理论近似解的理论预测发现,两种理论方法求得的周围土体水平移动规律一致,但在挡墙最大变位处相邻范围内,汇-源理论求得的土体水平位移偏小,在挡墙变位较小处相邻范围内,汇-源理论求得的土体水平位移偏大。

平面应变状态下土体的软化特性与本构模拟

在平面应变状态下,由于土体在应力峰值状态出现了应变局部化现象,从而变形模式失去了原有的均匀性而呈现软化特性。为此,采用常规的弹塑性本构模型模拟土体峰值前的均匀变形,对应力峰值状态则采用非共轴的分叉理论进行预测,而土样在峰值后出现不均匀变形的宏观力学特性则通过复合体理论加以描述。理论预测表明,构建这样的软化本构模型能真实反映平面应变状态下的应力-应变特性。理论分析还表明,经典的变形分叉理论中引入非共轴弹塑性模型,才能准确地预测土体的应力峰值,这是构建平面应变状态下土体软化本构模型的关键所在。

土体变形分叉的非共轴理论

土体的变形分叉特性强烈依赖于土体的本构模型。由于传统的本构理论隐含了应力和塑性应变率的共轴条件,从而基于传统本构模型的变形分叉理论不能准确地预测土体变形分叉的失稳状态。由此引入本构模型的非共轴理论来分析土体变形分叉的失稳现象。通过与共轴的本构理论进行对比分析,研究结果表明,采用非共轴理论的本构模型能够合理地判别土体的失稳状态,理论预测剪切带的倾角随围压增大而减小的变化规律也与试验结果一致。

轴对称状态下土体剪切带触发形成的分叉理论

室内试验观察到三轴压缩试样在特定的应力状态下有剪切带的出现,但这种轴对称状态的土体失稳现象从理论上一直没有得到严格的验证。鉴于此,本文基于分叉理论对土体轴对称试样失稳问题作了详细的理论解析,证明了剪切带触发形成的必要条件,然后对完全排水条件下密砂三轴压缩试样进行分析,通过与室内试验结果进行对比,验证了本文理论解析的合理性。

复杂应力状态下岩土体的非共轴塑性流动理论

由于传统的弹塑性本构模型是基于二维或三维的共轴应力空间和正交流动法则得到的,从而隐含了应力主方向和塑性应变率主方向共轴的局限性,由此引入非共轴塑性流动理论描述岩土体的本构特性。基于三维共轴应力空间定义多维应力状态下的非共轴应变率,进而建立非共轴本构理论框架。理论分析表明,J.W.Rudnicki和J.R.Rice早期定义的非共轴塑性应变率是基于二维共轴应力空间得到的,由于忽略第三应力不变量的影响,在多维应力空间并不能保证其非共轴性。应力探测试验表明,在多维应力空间伴随着主应力的旋转将产生非共轴塑性应变,而在真三维应力状态下没有非共轴塑性应变产生,这与大量试验观察到的岩土体本构现象是一致的。

刚性挡墙变位诱发墙后地表沉降的理论解析

基坑开挖将诱发不同程度的地面沉降。利用分离变量法求解平面应变问题的位移平衡方程通解,并将基坑挡墙变位视为已知的位移边界,以揭示不同挡墙变形所诱发的墙后地表沉降规律。首先以墙体平移和绕墙趾刚性转动2种基本位移模式作为基本解,通过叠加原理进而得到绕墙顶刚性转动和三角形鼓胀位移的解析。分析表明,平移和绕墙脚转动的位移模式下,墙后地表沉降为向上拱曲形态,最大沉降紧靠墙背处,而当墙体绕墙顶转动和向外三角形变位时,墙后地表沉降为向下凹槽形态,最大沉降处在距墙背一定距离的某一位置,这与既有的经典方法预测相一致。最后,将墙后沉降曲线与既有弹塑性分析及软土地基的现场监测作对比,验证解析方法的合理性。

土体应变局部化现象的理论解析

引起土体失稳的应变局部化现象是在特定应力状态下,土体本构产生的分叉特性。基于有限变形理论推导了应变局部化产生的三维解析解。基于应变局部化的理论解析,分析了轴对称和平面应变条件下应变局部化现象在弹塑性硬化阶段的存在性以及剪切带的方向性。 理论分析表明,在轴对称条件下,土体应变局部化产生于土体应力-应变的软化阶段,而平面应变条件下,土体应变局部化一般出现在应力-应变的硬化阶段,其剪切带方向角的理论预测与 Arthur 等[1]建议值较为一致。

纯主应力轴旋转下饱和软黏土的循环弱化及非共轴性

采用空心圆柱扭剪仪对原状饱和软黏土进行了纯主应力轴旋转应力路径的循环不排水试验,加载过程中维持平均应力、广义剪应力和中主应力系数不变。观测了孔隙水压和各应变分量在循环加载过程中的变化特性,着重探讨了中主应力系数及广义剪应力对变形刚度以及非共轴特性的影响规律。主应力偏转的循环剪切路径下,存在扭转剪切和轴向剪切两种不同的循环应力应变响应。试验结果表明:循环加载路径下饱和软黏土的孔压及应变产生累积效应,应力应变刚度呈现各向异性弱(强)化效应,而应变增量呈现显著的非共轴性;中主应力系数b影响特性表现为,b值越大则刚度弱化越显著。试验观察还发现,剪应力水平较低时循环变形刚度表现为强化,非共轴角趋于增大;反之,剪应力水平较高时,伴随着循环弱化,非共轴角趋于减小。

土体塑性各向异性的微宏观机理分析

基于微观土力学理论框架推导了宏观应力解析,将各向异性的微观机理归结为微观接触力各向异性和微观组构各向异性的两方面因素。应用基于微观理论的应力解析构建了土体各向异性强度准则,并结合既有的微、宏观试验及理论成果,研究加载条件对硬化定律的影响机理,进而揭示了变形非共轴性的微观理论基础。研究表明,着眼于微观理论机理,强度各向异性和塑性变形各向异性本质上都是微观组构各向异性的宏观表现。其中,强度各向异性起源于土体微观组构的固有各向异性,而塑性诱发各向异性依赖于塑性硬化过程中微观组构各向异性的演化规律。在比例加载条件下土体表现为等向硬化和共轴塑性,而非比例加载条件下表现为等向-运动硬化和塑性非共轴性。

地基加固控制开挖对附近桩基影响有限元分析

采用有限元手段分析开挖施工对临近建筑物桩基影响规律,侧重于评估坑外地基加固控制开挖影响的有效性。对基坑开挖、地基加固以及邻近建筑桩基进行整体建模,以临近桩基承台水平位移为控制指标,对6种不同地基加固方案进行对比分析,研究复杂施工环境下地基加固控制开挖对已建和拟建建筑物影响的不同机理。研究表明,地基加固控制开挖对临近桩基的影响很大程度上取决于二者施工的前后性,开挖在临近桩基承载之后,则选择靠近临近桩基侧地基区段进行重点加固,反之,若开挖在临近桩承载之前,则选择近基坑侧地基区段进行重点加固。

某强夯地基处理试验监测方案与成果分析

首先介绍了强夯地基处理试验的监测方案,然后对具有代表性的孔隙水压力和地基分层沉降的监测成果加以分析 并得出一些重要的结论,从而为正式的强夯地基处理施工提供了合理的施工参数。