Evaluation of soil fabric using elastic waves during load-unload

It is essential to assess the evolution of soil fabric as it has an important role in the mechanical responses of soils during complex loading conditions.This contribution carries out the physical experiments using three granular materials in the laboratory.The variations of compression and shear wave velocities(Vp and Vs)are investigated during load-unload cycles under dry and drained conditions.Supplementary discrete element method(DEM)simulations are performed to understand the evolution of soil fabric during the equivalent load-unload cycles using spherical particles.Vp and Vs are not always reversible even though the stress state regains its isotropic condition after unload,indicating that Vp and Vs are governed by not only the stress state but also the fabric change.The variations of Vp/Vs are density-and stress-dependent;a higher level of stress ratio(s01/s03)threshold is observed for denser packings to trigger a significant change in wave velocity ratio(Vp/Vs)for experimental results using spherical glass beads and simulation data using spherical particles.Considering the particle shape,a higher s01/s03 threshold is found for more angular particles than rounded particles.The DEM result reveals that Vp/Vs of spherical particles can be correlated linearly with the evolution of fabric ratio(Fver/Fhor)during loadunload in a pre-peak range under dry and drained conditions.

基于混合物法则根土复合体本构模型的研究

为探究根土复合体的应力-应变关系,将其视为两相体,根系采用线弹性模型,土体采用邓肯-张模型,并考虑根系与土体之间的相对滑移关系,基于混合物法则建立根土复合体本构模型。通过素土与不同含根量的根土复合体三轴压缩试验,得到其应力-应变关系,通过单根拉伸试验得到根系的弹性模量。结果发现,(1)根土复合体的极限主应力差随含根量的增加先增加后减小,含根量0.3%为最优含根量。(2)单根的直径与抗拉力、抗拉强度符合幂函数关系,与弹性模量符合多项式关系。(3)通过反分析的方法,建立滑移关系,得到模型计算值的应力-应变关系,发现模型计算值与试验值的拟合度(R^(2))为0.96。该研究为根土复合体本构模型的建立提供新思路,并为根土复合体的数值分析提供参数。

集约化生产条件下稻田土壤机械压实预测模型构建与验证

传统的土壤压实风险评估方法是基于土壤的先期固结压力理论,以机械的接地压力与土壤先期固结压力间关系作为判断依据,缺少针对集约化稻作“湿耕烂种”等生产场景中由定量机械压实造成的土壤结构破坏程度的评价方法和依据。为研究适合中国稻作特色,可以定量预测机械压实危害程度的压实容重预测模型,该研究基于土壤的回弹指数和压缩指数推导出土壤压实容重预测模型,以适用于集约化生产条件下稻田土壤机械压实预测。采用调控原状土含水率的单轴压缩试验法分别构建了土壤初始容重、初始含水率与弹性压缩模量、塑性压缩模量和先期固结压力之间的传递函数,然后基于典型机型的田间原位平板下陷试验验证所建模型的可靠性和实用性。结果表明,基于单轴压缩试验法构建的各传递函数拟合决定系数大于0.95。将各传递函数模型所得的弹性压缩模量、塑性压缩模量和先期固结压力输入土壤压实容重模型预测的压实后的土壤容重与实测值的相对误差小于5%。可见,该研究设计的土壤压实预测模型能够准确量化受机械压实情况下土壤容重的变化量,而土壤传递函数法能为构建和应用区域性农业土壤的压实模型提供便利。研究可为集约化生产条件下稻作“湿耕烂种”等生产场景中由定量机械压实造成的土壤结构破坏程度评价提供可靠方法和依据。

高聚物胶凝戈壁土的动模量及阻尼比试验研究

高聚物胶凝戈壁土是将高聚物掺入戈壁土中,可有效提高原状戈壁土的基本性质。采用中型动三轴试验研究了在不同高聚物质量比、围压、固结比、加载频率工况下高聚物胶凝戈壁土的动弹性模量和阻尼比变化规律。结果表明:高聚物质量比R_(p)对动弹性模量和阻尼比影响较大,在动应力比(cyclic stress ratio, CSR)为0.157时,动弹性模量随R_(p)增大呈线性增长;CSR>0.157后随R_(p)增大动弹性模量先增大后减小,在R_(p)为3%时出现峰值;在相同CSR下,天然戈壁土在振动荷载下产生的残余应变比高聚物胶凝戈壁土的大,当R_(p)为3%时经过5次振动后的残余应变仅为天然戈壁土的18.4%;阻尼比随R_(p)的增大略有降低。基于沈珠江动力模型,建立了考虑高聚物质量比影响的修正模型,并通过试验验证了修正模型的适用性。研究成果可为高聚物戈壁土的动力分析和工程应用提供理论依据。

基于相似理论的复合地基弹性垫层模型试验研究

为了对比分析不同桩型(半刚性桩和柔性桩)、不同垫层材料(砂垫层、碎石垫层、弹性垫层)和垫层厚度对复合地基承载特性的影响,需要开展复合地基室内模型试验研究。在研制模型试验系统、建立符合模型试验要求的模化条件和相关准则的基础上,分析了复合地基的承载特性,引入了弹性垫层模拟实际工况的可行性。结果表明,随着垫层厚度的增大,桩土应力比有所减小,上刺入量会逐渐增大。柔性桩的桩顶面中心点沉降量明显小于半刚性桩,一般差值在10 mm左右;柔性桩的分级加载分界点在60 kPa左右,半刚性桩则在80 kPa左右。弹性垫层相比于砂垫层和碎石垫层,其整体性相对更好,可将原有的“100~200 mm砂垫层+荷载板”改为“小于100 mm的砂粒找平层+弹性垫层+荷载板”,以更好地发挥实际垫层在复合地基的作用。

考虑冰晶胶结特性的冰-冻土界面力学特性

寒区多年冻土斜坡内部存在的下卧冰层对多年冻土斜坡稳定有着重要影响。为探究冰-冻土界面力学特性对斜坡稳定的影响,该研究以冰-冻土界面为研究对象,在低温环境(−3℃)下开展了不同冻土初始孔隙比和含水率下的冰-冻土界面及对应的冰-土颗粒界面直接剪切试验,建立了考虑冰晶胶结特性的冰-冻土界面非线性弹性损伤模型,结合试验结果对模型进行了验证,并分析了界面在剪切过程中切线刚度的变化规律。结果表明:冰-土颗粒界面的剪切应力表现为应变硬化特性,而冰-冻土界面的剪应力在峰值强度之后迅速下降,表现为应变软化特性。冰-冻土界面结构系数峰值点对应的剪切位移随着含水率的增大而增大,当冻土初始孔隙比为1.0、0.8和0.6,冻土初始含水率从14%增大至18%时剪切位移分别增大了32.7%、41.3%和52.1%。在−3℃下,冻土的初始含水率越大,则界面处的胶结冰越多,黏聚强度对界面的抗剪强度贡献也就越大。当结构系数达峰值点后,界面开始产生损伤,并随着剪切位移的增加进入加速损伤阶段。剪切过程中界面的切线刚度呈先增大后减小的趋势,在结构系数峰值点处为0,之后切线刚度随着剪切位移的增加逐渐减小。此外,界面的峰值切线刚度随着法向应力的增大而增大,当冻土初始孔隙比1.0、初始含水率为18%,法向应力从50 kPa增大至200 kPa时,则界面的峰值切线刚度增加了63.7%。在冰-冻土界面力学模型中考虑冰晶胶结特性更加合理,研究结果可为寒区斜坡稳定性分析提供参考。

北疆膨胀土渠道混凝土衬砌结构变形特性研究

为研究北疆膨胀土梯形渠道混凝土衬砌结构变形和内力的变化规律,通过室内试验和数值模拟计算基土膨胀变形量,基于弹性地基梁理论,建立计算混凝土衬砌板变形和内力的力学模型,分析了基土初始含水率为6%、9%、12%、15%的膨胀土渠道运行后混凝土衬砌板变形和内力的变化规律。结果表明,混凝土衬砌板变形和内力值随基土初始含水率的减小而增加,当基土为风干含水率6%时,渠道底板和坡板膨胀变形最大值分别可达到3.48、3.94 cm;当初始含水率一定时,坡脚处膨胀反力最大,渠底板中间位置位移和弯矩最大;渠坡板距坡脚1/3处位移最大,距坡脚1/6处弯矩最大。最后,根据研究结果提出了两种“防渗保湿”工程措施。

行间耕播机弹性可覆土镇压轮性能有限元仿真分析及试验

为提高播种机的播种及镇压性能,解决播种作业中覆土后即时镇压的难题,结合橡胶类材料的变形理论与轮胎力学的研究基础,建立基于种沟沟型的理论模型,并设计出一种具有覆土功能的弹性镇压轮,镇压轮横截面由顶端连通的两个腔室组成,通过镇压轮侧缘与种沟接触产生的挤压力以同时实现覆土和镇压作业。利用ABAQUS软件对镇压轮进行有限元仿真分析,考察其覆土及镇压性能,通过有限元仿真分析证实该模型可行有效。通过与双圆盘覆土器和传统橡胶镇压轮的田间对比试验测得,该文所设计的弹性可覆土镇压轮作业后种子平均覆土深度为34 mm,变异系数为15.68%,镇压后种子上方距离地表5 cm的土壤紧实度为33.5 k Pa,变异系数为13.97%,应用双圆盘覆土器和传统橡胶镇压轮作业后种子平均覆土深度为35.3 mm,变异系数为17.51%,镇压后种子上方距离地表5 cm的土壤紧实度为26.5 k Pa,变异系数为15.32%,田间对比试验证实弹性可覆土镇压轮和双圆盘覆土器均可满足玉米播种作业对覆土深度的要求,但弹性可覆土镇压轮对土壤的镇压强度大于传统橡胶镇压轮,同时由覆土深度变异系数和镇压强度变异系数可以看出,弹性可覆土镇压轮在作业过程中的覆土深度稳定性和镇压强度稳定性均优于双圆盘覆土器和传统橡胶镇压轮。

考虑土体结构性的修正邓肯—张模型

探讨了结构性土体的应力-应变关系,将土体应力-应变关系分为应变软化型和应变硬化型,并根据其力学性状将应力-应变关系分阶段讨论,其中硬化型应力-应变关系分为两个阶段,而软化型则分为三个阶段。同时,在邓肯—张模型的基础上,考虑了土的结构的损伤,引入损伤比的概念,对邓肯—张模型进行了修正。以几种土的试验结果为基础将本文模型及邓肯—张模型和软化模型进行了对比,结果表明本文模型能够更好地反映土的应力-应变关系。

冻土横观各向同性非线性本构模型的实验研究

通过对冻土形成过程及组构特点的分析,指出冻土属正交各向异性材料;并对-5℃～-9℃之间冻土试件3个主方向应力–应变关系曲线、切线模量E以及各向泊松比μ进行了全面实验测定,应用复合材料力学理论,分析证实了冻土可以足够精确地认为是非线性横观各向同性材料,为建立新的冻土本构模型及强度准则,并为冻土与建筑物相互作用的数值分析提供了理论依据。

降雨条件下土体滑坡的有限元数值分析

将Duncan-Chang模型引入饱和-非饱和土的本构关系模型,建立了饱和-非饱和土的统一的非线性弹性模型,并应用于降雨滑坡的机理分析。由实例分析得知,利用饱和-非饱和土的统一的非线性弹性模型来分析由于大气降雨而引起的土体滑坡的形成与发展过程是可行的,也是一种有益的探索。

层状地基中隧道开挖对临近既有隧道的影响分析

首次采用弹性层状半空间地基模型,建立了多层地基中隧道开挖对临近既有隧道影响的连续弹性分析方法,改变了过去采用简化分析方法仅能在均质地基中求解此类工程问题的状况。首先,采用Laplace积分变换得到了直角坐标系下单层地基应力和位移的初始函数,在此基础上,运用矩阵递推技术,给出了竖向荷载作用下层状地基中应力和位移的解析表达式并将其作为分析该问题的基本解。然后,采用弹性层状半空间地基模型将既有隧道视为Euler-Bernoulli梁,地基土体连续位移采用弹性层状半空间体系的基本解进行计算,并引入临近隧道开挖引起的土体自由位移场影响建立该问题的连续弹性求解方程,从而可以求得隧道纵向位移和内力。最后,结合离心模型试验和有限元数值模拟算例进行分析,验证了本文方法的有效性。此外,为考察地基土成层性对既有隧道性状的影响,还对几种典型层状地基中的隧道进行了参数分析。成果可为合理制定地下工程施工对临近既有隧道的保护措施提供一定的依据。

非饱和原状膨胀土的弹塑性损伤本构模型研究

以复合体损伤理论为基础,建立了非饱和原状膨胀土的弹塑性损伤本构模型。模型可反映原状膨胀土的三个主要特征(胀缩性、裂隙性和超固结性)造成的独特的力学特性,即,低围压情况下的软化和剪胀,围压较高时的硬化和剪缩以及干湿变化时的反复胀缩特性。模型共包含23个参数,都可由试验测定。

被动状态下地埋管线的地基模量

地下工程基坑、隧道开挖产生的自由土体位移场会引起周边地埋管线(如市政给排水管线、煤气管道等)产生附加变形并受力。基于Winkler地基模型的位移控制分析方法,将自由土体位移作为外部荷载即被动位移施加于管线上,管线与土体的相互作用采用Winkler地基弹簧模拟,弹簧常数一般根据Vesic公式得到。在基于弹性理论的推导中,Vesic公式的前提条件是弹性地基梁置于弹性半空间地表,竖向集中力或弯矩(主动荷载)置于梁的中心位置,这与地埋管线的一定埋深以及位移的施加情况是不一样的。为考虑上述2种因素对Winkler地基模量的影响,进行相应的理论探讨,提出考虑埋深影响的位移作用下地基模量的理论公式,并基于该地基模量进行隧道开挖对邻近地埋管线影响的位移控制理论分析。通过与弹性理论法、离心机试验以及实际工程观测结果的对比,验证该方法的合理性和正确性。

循环荷载作用下广西红黏土动力特性试验研究

针对广西上林县原状红黏土开展一系列循环加载动三轴试验,分析天然含水率、围压与固结应力比等对红黏土动力特性,包话动应力-动应变关系、动弹性模量以及阻尼比等的影响来研究循环荷载作用下红黏土的动力特性。试验结果表明：广西原状红黏土动应力-动应变关系曲线接近双曲线;由于初始剪应力的影响,达到相同的动应变,在均压固结下所需的动应力比在偏压固结下所需动应力要小;动弹性模量随着动应变的增加而减小,且减小幅度随应变增加逐渐减小,初始应力状态对动弹性模量的影响最为显著;固结应力比、围压、含水率和振动次数等对阻尼比均有影响,综合反映在阻尼比随动应变增加而减小,阻尼比离散性较大,取值范围在0.05-0.20之间。利用Konder双曲线模型对试验数据进行拟合,得到相关参数,可为广西地区原状红黏土动力特性设计和数值计算提供一定的理论和参数支持。

软土隧道地表长期沉降的粘弹性流变与固结耦合分析

随着城市地铁的大量投入使用,软土隧道长期沉降问题也得到越来越多的重视.为了研究软土隧道长期沉降随时间的发展规律,采用粘弹性流变模型并耦合太沙基固结理论对软土隧道地表长期沉降进行了分析、预测.结果表明,软土隧道的长期沉降持续时间长,和瞬时沉降相比,长期沉降量也比较显著.计算发现,耦合太沙基固结理论的粘弹性流变分析方法是隧道长期沉降分析的一种简化有效的计算方法.

摩擦型单桩承载性能设计理论研究

进一步分析了摩擦型单桩承载性能,建立了复杂介质中摩擦型单桩的地基土体系模型,将线性变形层模型和非线性传递函数模型相结合,以改进的适合于分层介质内的Mindlin解答为基础,给出了按摩擦型单桩承载机理分析计算的“广义弹性理论法”:同时,利用等效模量的概念解决了Mindlin解中土体位移为负值的现象,为桩基础设计计算提供了有力的理论依据。编制的计算程序,不仅可用于计算单桩竖向加载时的沉降值,而且可根据静载试验实测的荷载-沉降数据反演分析桩侧和桩端土的岩土力学参数值,可用于指导设计和施工,以弥补静载试验抽样率低的缺陷。对工程实例进行计算分析,结果显示。

地铁振动荷载作用下隧道土体变形数值模拟

上海地区地铁隧道主要埋设于第③层淤泥质粉质粘土和第④层淤泥质粘土层中,根据长期监测资料的分析,地铁列车的振动对隧道周围土体强度和变形有较大的影响。利用室内动三轴试验结果确定土体的动弹性模量,采用数值模拟的方法计算饱和软粘土地区地铁振动荷载作用下隧道周围土体的变形,由此进一步计算出地铁振动荷载作用下引起的地面沉降量。通过计算的地面沉降量与实测值比较,其结果与工程实际相吻合。因此可以利用此方法对地铁运营后的沉降量进行评价和预测,为地铁工程的设计、安全运营以及对周围建筑物的影响提供有价值的参考。

基于弹性地基梁理论的梯形渠道混凝土衬砌冻胀力学模型

冻胀破坏是寒区渠道衬砌破坏的主要方式,建立合理的冻胀力学模型是渠道衬砌抗冻胀设计的基础。该文基于Winkler假定,将渠道基土的冻胀效应等效为一组相互独立且垂直或平行于衬砌板的弹簧。冻胀量通过弹簧的伸长量体现,冻胀力通过弹簧被压缩产生的反力体现。结合梯形渠道冻胀时衬砌板的受力特点,应用SL23-2006《渠系工程抗冻胀设计规范》冻胀量的计算成果,建立基于弹性地基梁理论的梯形渠道混凝土衬砌冻胀力学模型,其合理性通过与甘肃省靖会总干渠梯形渠道的前人试验和数值模拟结果进行比较验证。结果表明,该文模型计算的冻胀量和冻胀反力的分布规律与前人的试验和数值模拟基本吻合;计算的冻胀量和试验结果整体相对平均误差为4.72%,计算结果合理。该文模型与现行规范推荐的冻胀量计算成果有机衔接,可为寒区渠道抗冻胀设计提供参考。

受冲击荷载作用土体变形的有限元研究

把土当作一种弹塑性材料,把钻头冲击土体的过程抽象为一个半无限体在圆环面积上受均布力作用的问题,建立合理的计算模型,采用 ANSYS 有限元分析中瞬时动态动力学分析来模拟分析土体冲击变形过程,探讨在钻头结构一定、输出一定的冲击功的条件下,其所能切入土层的深度和钻头对柱状土心的扰动情况。经分析得出,土体轴向压缩量在钻头底唇面处最大,在土样中心部位最小;钻头内外壁和土层接触处土中的密塞斯应力几乎是突变的,而应力在土样中几乎都保持在最小值的水平;冲击对土样的扰动只是在一个很小的范围内。