间歇性变围压循环荷载作用下饱和软黏土变形特性

交通荷载由循环加载和间歇停振两部分组成,间歇停振对土体动力特性的影响不容忽视。交通荷载引起的应力场包含循环变化的轴向偏应力和围压。因此,通过对软黏土开展一系列间歇性变围压循环加载试验,对饱和软黏土在间歇性加载和循环围压作用下的变形特性进行了研究,分析了循环围压和间歇停振阶段排水条件对软黏土累积轴向应变的影响。研究结果表明,不同试验条件下软黏土累积轴向应变增量随加载阶段的变化趋势保持一致,即累积轴向应变增量随加载阶段的增加逐渐减小。累积轴向应变增量随循环围压的增大而减小。间歇停振阶段不同排水条件下,试样累积轴向变形变化规律也有所区别:部分排水条件下,循环加载阶段产生的超孔隙水压力在间歇停振阶段消散,试样累积轴向应变在间歇停振阶段有一定程度的增长;不排水条件下,循环加载阶段产生的一部分变形在间歇停振阶段得以慢慢恢复,试样累积轴向应变有所减小。上述研究成果可加深对间歇性循环荷载作用下软黏土变形规律的认识。

变围压循环荷载作用下珠江三角洲软土动力特性试验研究

列车循环荷载作用下软土地基产生较大沉降。以往动三轴试验模拟列车循环荷载时主要分析循环偏应力对软土动力特性的影响,而较少考虑循环围压的作用。基于此,采用GDS动三轴试验系统对珠江入海口饱和软土开展了一系列不排水变围压循环三轴试验,分析循环偏应力和循环围压耦合效应对饱和软土累积轴向应变、孔压以及阻尼比的影响。结果表明:累积轴向应变和归一化阻尼比随循环围压的增大而减小,最大孔压和最小孔压均随循环围压的增大而增大。当循环加载次数N=1 000,应力路径斜率η=0.33增长至η=1.00、2.00时,累积轴向应变ε_(p)=4.04%下降至ε_(p)=3.52%、2.45%,归一化阻尼比λ_(N)/λ_(1)=0.253相应变化为λ_(N)/λ_(1)=0.269、0.217,最大孔压由u_(max)=60.55 kPa分别增长至u_(max)=79.25和104.51 kPa,最小孔压由u_(min)=58.69 kPa分别增长至u_(min)=71.12和80.90 kPa。在此基础上,建立了饱和软土累积轴向应变计算模型,并进行了验证。

磁性高钛模拟月壤IRSM-1的研制及其性质研究

对月球的探测已进入以月球原位资源利用(ISRU)为主的新阶段,系统掌握月壤特殊的力学响应与工程特性对月球资源开发利用具有重要意义。迄今为止,绝大多数针对月壤及模拟月壤性质的试验研究都是在地球上开展的,忽略了月面环境,尤其是低重力环境对这些性质的影响。地质力学磁力模型试验可以结合磁性相似材料模拟月面g/6的低重力环境。由于目前已有的模拟月壤磁性极弱,无法满足磁力模型试验的要求。因此,研制了一种具有一定磁性的高钛模拟月壤IRSM-1并测试了该模拟月壤的成分及性质。将测试结果与部分月壤及模拟月壤的性质进行了对比分析。结果表明:IRSM-1模拟月壤的化学矿物成分与高钛月壤相似,其物理力学特性在月壤的范围之内,较好地还原了真实月壤的基本特性。此外,IRSM-1还具有一定的磁性,可以作为磁力模型试验的相似材料。

珠江三角洲软土触变性试验研究

为研究珠江三角洲软土触变特性,采用无侧限压缩试验和十字板剪切试验对珠江入海口软土开展了长达115 d的试验研究,重点分析了不同含水率和静置时间条件下,软土强度恢复演化规律。试验结果表明:珠江入海口软土具有显著的触变特性,无论是无侧限压缩试验还是十字板剪切试验,软土扰动后强度均随静置时间的增长逐渐恢复;相同静置时间条件下,软土试样强度均随含水率的增大而减小。然而,通过两种试验方法得到的软土触变强度恢复曲线不一,总体上来看,通过十字板剪切试验得到的软土触变强度高于无侧限压缩试验结果。在此基础上,结合十字板剪切试验结果,建立了可反映随含水率和静置时间影响的珠江入海口软土强度触变模型;通过实测值和计算值的对比,表明该模型可以较好地预测软土触变强度。

考虑循环围压与振动频率影响的饱和软黏土动力特性试验研究

利用GDS变围压动三轴试验系统对宁波重塑饱和软黏土进行了一系列变围压不排水循环加载试验,重点研究了循环轴向偏应力和循环围压耦合作用下饱和软黏土不排水动力特性,分析了循环围压、振动频率对轴向累积应变及孔压的影响。研究结果表明:不排水条件下,循环轴向偏应力和循环围压耦合作用对试样的累积塑性应变发展具有一定的限制作用,轴向累积应变随应力路径斜率η及振动频率f的增大而减小。不同应力路径斜率、振动频率影响下,应变率随加载时间的变化规律一致,应力路径斜率η对应变率-时间关系影响较为明显,随着应力路径斜率η的增大,应变率减小,而不同振动频率条件下的应变率-时间关系曲线几近重合。最大孔压随循环围压的增加而增大,而随振动频率的增加而减小。在上述试验结果基础上,建立了呈线性关系的应变率与加载时间关系表达式。

考虑砂土抗剪强度空间变异性的盾构开挖面稳定性分析

采用传统研究方法对盾构开挖面稳定性的分析多基于土体是均质、各向同性材料的假设,显然与其本身的非均质性相违背。为此,开展了考虑土体抗剪强度参数的空间变异性对盾构开挖面稳定性的影响研究。在随机场理论的基础上,采用协方差矩阵分解法建立了描述砂土内摩擦角空间变异性的三维随机场模型,借助于数值分析软件平台研究了内摩擦角的变异系数、自相关距离对开挖面失稳模式、极限支护应力的影响规律,并采用概率分析法探讨了极限支护应力特征值的选取。结果表明:砂土内摩擦角的空间变异性对开挖面稳定性有重要的影响;随内摩擦角的变异系数的增大,极限支护应力的概率分布离散性越大;开挖面失稳模式与自相关距离的大小密切相关,当自相关距离与隧道直径比较接近时,开挖面可能出现局部失稳;提出了开挖面极限支护应力特征值的概念,并结合失稳概率给出了其初步确定方法。

基于云模型的膨胀土胀缩等级分类

由于膨胀土胀缩性受多种因素的综合影响,膨胀土胀缩等级的分类是膨胀土处理中的一个难题。选取影响膨胀土胀缩性的5个主要因素作为评判指标,根据分类标准,构建云模型及云的不确定性推理,将各评判指标的定性评语量化为分值,实现定性与定量的转换。在此基础上,利用在各级别区间内随机插值得到的20个标准样本,基于优化理论求出评判指标的客观权重,结合主观权重,得到组合权重。最后,将建立的膨胀土胀缩等级分类模型应用到某实际工程,结合权重和云的不确定性推理,得到待判样本的综合得分,并确定样本的胀缩等级,分类结果与实际情况相吻合,验证了模型的可行性和适用性,该模型可以用于类似工程的膨胀土胀缩等级分类。

延吉膨胀岩变形特性的水-力路径效应与机制浅析

膨胀岩的体积变形受加荷模式和增湿过程的共同影响,为了研究不同水-力路径下延吉膨胀岩的变形特性,以延吉膨胀岩为研究对象,针对不同初始含水率的压实试样开展了3种水-力路径(1吸水膨胀(无荷)—加载压缩—卸荷回弹;2浸水吸湿(体积不变)—加载压缩—卸荷回弹;3加载压缩—浸水吸湿(有荷)—卸荷回弹)的一维压缩试验。试验结果表明:试样在路径1下的压缩指数和回弹指数最大,路径2下次之,路径3下最小,随着初始含水率的增加,试样在路径1和2下压缩指数和回弹指数逐渐减小,而在路径3下压缩指数逐渐增大;无荷状态下试样吸水膨胀,当上覆荷载较大时试样发生轻微的湿陷现象,无荷膨胀率和潜在湿陷率均随初始含水率的增加而减小;膨胀反压法和平衡加压法确定的膨胀力均随初始含水率的增加而减小,对于相同初始状态的试样,膨胀反压法确定的膨胀力较平衡加压法大;延吉膨胀岩的体变规律具有强烈的水-力路径效应,其强烈的水敏性是其中的根本原因。

浸水-循环加卸载条件下压实膨胀岩的变形特征

膨胀岩的体积变形具有明显的水-力路径效应,为了研究浸水-循环加卸载条件下压实膨胀岩的变形特征,以延吉膨胀岩为研究对象,开展了不同初始含水率试样的一维膨胀-循环压缩试验。根据试样浸水膨胀后的压缩-回弹曲线,确定了压缩指数、回弹指数以及二者之差,并引入累积总变形率和累积残余变形率的概念来表征其在循环加卸载条件下的变形特征。结果表明:膨胀率与初始含水率具有显著的线性负相关关系;随着循环次数增加,加、卸载曲线越来越平缓,卸载-再加载滞回环面积逐渐减小,试样的压缩指数、回弹指数以及二者之差均呈逐渐减小的趋势,单次循环产生的总变形和残余变形逐渐减小,累积总变形和累积残余变形先增加后逐渐趋于稳定;初始含水率越小的试样,压缩指数和回弹指数越大,累积总变形和累积残余变形越大;循环加卸载过程对不同初始含水率试样的力学性质有强化和同化作用。

基于时间效应理论的软土深基坑变形分析

由于软土的蠕变特性,在基坑开挖过程中存在着时间效应。以宁波某基坑为工程背景,基于SSC模型并利用PLAXIS有限元软件对深基坑的开挖过程进行了数值模拟,分析了开挖工程中支护结构及基坑自身的变形特点。计算结果表明:基坑开挖时地连墙水平位移、地表沉降及支撑内力均随时间发展而增大,但相比之下,基坑隆起的流变效应不甚明显。其中不同工况对应地连墙水平位移最大值发生位置随开挖深度的增大而下降,而地表沉降最大值基本发生在距坑壁10 m位置,且地表沉降累计最大值与累积施工时间满足多项式函数关系;同时不同工况下地连墙弯矩、剪力随深度变化曲线趋势基本一致并呈"S"形。另外随着支撑结构的施加,地连墙水平位移和地表沉降的增加速率均受到一定限制,因此可通过及时施加支撑的方法抑制支护结构的变形及控制内力的急剧变化。上述结论可对宁波地区基坑开挖的施工提供理论指导,以保障施工过程的安全实施。

延吉膨胀岩膨胀力的水-力路径效应与应用适宜性分析

膨胀力是膨胀岩土地区工程设计和施工中的重要参数,目前常用的膨胀力试验方法主要有膨胀反压法、平衡加压法和加压膨胀法3种。膨胀力大小容易受试验方法的影响。为了研究试验方法对膨胀力的影响,以延吉膨胀岩为研究对象,采用上述3种方法开展了不同初始含水率试样的膨胀力试验,分析比较了3种试验方法的特点和适用范围。结果表明,膨胀力具有强烈的水-力路径效应,3种方法确定的膨胀力存在较大差异,膨胀反压法测得的膨胀力最大,加压膨胀法最小;3种方法确定的膨胀力与初始含水率之间存在明显的线性负相关关系,随着试样初始含水率的增加,不同方法得到的膨胀力与初始含水率的关系曲线逐渐靠拢,水-力路径对膨胀力试验结果的影响逐渐减弱,每一种方法有其自身的特点和特定的适用范围,膨胀力测试应该根据实际工况选择合适的试验方法。

基于稳定系数法的盾构隧道开挖面失稳概率分析

基于B.B.Broms等提出的开挖面稳定系数的概念,结合概率分析方法,考虑了土性参数的空间变异性,将黏土参数不排水抗剪强度看作服从对数正态分布的随机变量,形成了盾构隧道开挖面稳定性概率分析法;并讨论了不排水抗剪强度的变异系数和其均值随深度线性增加的特征对开挖面失稳概率的影响规律。研究结果表明:黏土参数不排水抗剪强度的空间变异性对盾构隧道开挖面稳定性有着重要的影响,参数变异程度越高,开挖面发生失稳破坏的概率也就越大;开挖面失稳概率会随着线性系数的增大而逐渐降低。单一的开挖面稳定系数很难恰当地反映盾构隧道开挖面的稳定性状态,而采用失稳概率的表示方法更为合适。

变围压循环荷载作用下超固结软黏土阻尼比试验研究

通常采用单一轴向循环荷载模拟交通荷载,然而,真实的交通荷载引起的应力场包含循环变化的轴向偏应力和围压。除此之外,部分下卧软黏土是超固结土,并非正常固结土,且针对交通荷载作用下软黏土的阻尼比变化规律鲜有研究。因此,通过对超固结软黏土开展一系列变围压不排水循环加载试验,对超固结软黏土在变围压循环荷载作用下的阻尼比变化规律进行了研究,分析了超固结比和循环围压对阻尼比的影响。研究结果表明:变围压循环荷载作用下,不同试验条件对应的归一化阻尼比与累积塑性应变关系曲线相似,且归一化阻尼比随累积塑性应变的增长逐渐减小。超固结比和循环围压对阻尼比的衰减程度影响显著,阻尼比随超固结比和循环围压的增大而减小。基于上述试验结果,建立了一个能反映阻尼比随累积塑性应变变化规律的计算模型。上述研究成果可加深对超固结土在动荷载下阻尼比变化规律的认识,从而为交通荷载作用下的土体动力反应分析提供试验基础。

双向激振循环荷载和振动频率共同作用下饱和软黏土孔压试验研究

利用GDS变围压动三轴试验系统模拟真实交通荷载下轴向循环正应力与水平循环正应力的耦合作用,对宁波饱和重塑软黏土进行一系列变围压不排水循环加载试验,对循环轴向偏应力和循环围压耦合作用下饱和软黏土的孔压变化规律进行了研究,分析了循环应力比、循环围压及振动频率对孔压的影响。研究结果表明:变围压作用下,孔压随循环应力比、循环围压的增加而增大,随振动频率的增加而减小。不同应力路径斜率、振动频率影响下,孔压率随加载时间的变化规律一致,循环应力比CSR、应力路径斜率η对孔压率–时间关系影响明显,随着循环应力比CSR、应力路径斜率η的增大,孔压率也增大,而振动频率对孔压率–时间关系影响不显著。在上述试验结果基础上得知,估算交通荷载作用下产生的孔压,不能忽视循环围压及振动频率的影响。

一个描述软黏土时效特性的一维弹黏塑性模型

为了描述软黏土一维应力-应变关系的时效特性,基于Bjerrum的等时间线体系,提出等黏塑性应变率线概念,推导了黏塑性应变率与黏塑性应变增量的关系,建立了软黏土的一维弹黏塑性模型;从理论上分析了新建模型与3种典型的一维弹黏塑性时效本构模型的内在联系,表明新建模型与其他3种模型在本质上是等效的,且形式更简洁,物理意义更明确;利用新建模型对软黏土的固结-蠕变耦合效应、应变率效应、应力松弛效应等时效特性进行了理论分析,并得到了相应的解析解;结合宁波软黏土的一维固结试验,阐述了模型参数的确定方法,并用新建模型对宁波软黏土的固结-蠕变试验、温州软黏土的一维多级等应变率试验、香港海相软黏土的一维应力松弛试验进行模拟,验证了新建模型的有效性。研究结果表明,新建模型能很好地模拟软黏土的一维时效特性。

泄水减压法抗浮效果影响因素的正交分析

针对地下室传统抗浮工法的不足之处,探讨了地下室泄水减压抗浮法的基本原理及相应的构造措施,结合数值模拟对影响地下室抗浮泄水减压效果的回填土宽度、泄水孔间距,以及施工过程中填土夯实度、地下室底部底层扰动程度等因素进行正交试验探讨分析,最后结合残差分析法及层次分析法对各因素的影响顺序、影响权重进行了计算。研究结果表明:相对传统方式,泄水减压法变被动抗浮为主动抗浮,抗浮效果显著,且施工简便、成本低廉;各因素影响顺序:填土夯实度>填土宽度>孔间距>地下室底部扰动程度,对应权重值分别为0.55,0.27,0.15,0.03。前3个因素的总和达到0.97,故在应用该技术的工程实践中应尽量减小回填土宽度,降低填土透水性,缩减泄水孔间距均能达到良好抗浮效果,同时也应根据具体的工程条件对这3个因素的参数进行合理限制,以达到最佳降水效果,为泄水减压抗浮法的设计和施工等提供重要参考。

软土基坑开挖对临近既有隧道变形影响研究

基坑开挖后,地基由于应力卸载而回弹,导致临近基坑的隧道发生变形,其变形大小不仅受基坑开挖卸载程度的影响,还与隧道所处的位置有关。依托宁波市地铁1号线盾构隧道工程,基于土体小应变硬化模型和二维有限元数值方法,开展软土基坑开挖对临近既有盾构隧道管片变形影响的数值模拟,分别采用单因素分析法和多因素分析法,针对不同基坑宽度、基坑开挖深度、隧道拱顶埋深以及隧道与基坑距离等影响因素,分析了隧道管片竖向和水平位移随不同影响因素的变化规律。结果表明:①基坑开挖影响下,既有隧道管片竖向位移和水平位移均随基坑开挖深度的增大而逐渐增大,隧道管片竖向位移方向表现为沉降,水平位移方向表现为向基坑方向产生位移,管片呈“横鸭蛋”状变形。②单因素和多因素分析方法结果表明,基坑开挖深度、隧道与基坑距离、基坑宽度均为影响隧道沉降和水平位移的重要因素,而隧道拱顶埋深产生的影响相对较小。

考虑小应变特性的软土盾构隧道地层变形分析

盾构隧道施工不可避免会造成地层扰动,危及周围建(构)筑物的安全,因而准确预测盾构隧道开挖引起的地层变形显得尤为关键。以FLAC3D中的小应变模型为出发点,借助三轴模拟试验验证了小应变塑性硬化模型(PH-SS模型)在考虑土体小应变特性方面的有效性和先进性;以上海某软土盾构隧道施工段为工程背景,分别利用莫尔–库仑模型(MC模型)和PH-SS模型研究盾构隧道施工引起的周围地层变形分布规律。研究结果表明:PH-SS模型不仅可以区分软土加载和卸载模量的差异性,而且可以较好地反映土体剪切模量随剪应变增大而衰减的特性,在表现软土行为时更为合理;当应力释放系数小于0.3时,预测地表沉降时考虑小应变特性与不考虑时的情况区别不大,但当应力释放系数大于0.3时,考虑土体小应变特性是十分必要的;应力释放系数越大,土体应力相关模量的力学响应越明显,地层变形越大;数值计算结果与实测数据进行对比表明,PH-SS模型计算得到的地表沉降更大,与实测数据更为贴近,也说明了PH-SS模型在预测盾构隧道地表变形规律的适宜性。

基于三维随机场的地表堆载引发运营隧道变形分析

随着城市基础设施的快速发展和轨道交通的进一步开发,已有运营盾构隧道不可避免地会受到周围施工的影响,邻近施工将引起运营隧道周围土体的应力重分布,从而使隧道衬砌结构产生额外的附加变形。在三维空间变异性土体中研究了地表堆载对下方既有运营盾构隧道结构变形的影响,采用有限元方法和随机场理论对盾构隧道的拱顶沉降进行了概率分析,揭示了土体参数的波动范围和变异系数对盾构隧道轴向变形超标概率的影响规律,最后根据大量随机分析结果提出了一种简化的等效确定性分析方法。相关成果可以为在类似工程问题中考虑土体参数空间变异性提供一种简化计算方法。

不同降雨条件下堆积体边坡响应规律与失稳力学机制分析

降雨诱发堆积体边坡地质灾害是中国最为常见的地质灾害之一,其失稳力学机制是防灾减灾领域的重要研究方向。针对云南某典型堆积体边坡,统计当地降雨事件分布规律,分别从降雨模式、降雨量和降雨时长3个角度对边坡内部渗流场、应力场的变化规律进行分析,获得了不同降雨条件下滑坡演化机制及破坏形态。结果表明:在降雨量相同的条件下,波动型降雨模式对边坡稳定性影响最大,降雨强度的增加迅速降低边坡安全系数;降雨量的增加导致坡体内部孔压消散区域面积明显增加,渗流场与应力场的互相扰动作用导致岩土体有效应力和基质吸力发生降低,非饱和土的抗剪强度降低,进而导致边坡失稳。研究成果可为降雨型滑坡地质灾害预测与防治提供理论支撑。