基于统一屈服准则超固结土的应力诱导各向异性下负荷面模型

为了描述中主应力对超固结土力学行为的影响,提出了一种表征土体超固结和应力诱导各向异性新的弹塑性本构模型。采用统一表述Mohr-Coulomb、Drucker-Prager、Lade-Duncan和Matsuoka-Nakai 4种屈服准则的形状函数g(θ),将其引入到下负荷面模型中修改临界状态破坏线的斜率M值,从而实现新模型中M值能随洛德角θ改变而变化;选择塑性偏应变增量为迭代变量,利用Newton-Raphson迭代开发了新模型的应力积分算法,编写了UMAT子程序,成功将新模型嵌入大型商业有限元软件ABAQUS中。结果表明:新模型能同时表征土体的超固结、剪胀和应力诱导各向异性,预测结果与试验数据吻合良好;新模型物理意义明确表述简单,便于工程推广应用;新模型的应力积分算法收敛速度快,每个增量步所需的迭代次数少,收敛精度高,算法运行稳定可靠。

下负荷面剑桥模型在ABAQUS中的开发实现

利用大型有限元软件ABAQUS所提供的UMAT用户材料子程序接口,针对下负荷面剑桥模型开发了子程序,对超固结土的三轴排水与不排水试验进行了数值模拟,将结果与解析解进行了比较;对同样条件下不同OCR超固结土的三轴排水与不排水试验进行了模拟。结果表明:所开发的子程序具有良好的稳定性和较高的计算精度,能够反映超固结土的应力应变特性(如应变软化),得到比较合理的数值分析结果。

基于下负荷面剑桥模型分析基坑降水对地铁沉降影响

采用下负荷面剑桥模型对上海某工程基坑开挖和降水的地层沉降效应进行有限元计算,分析了其对邻近地铁隧道的影响。分别计算了基坑开挖与降水共同作用和仅降低承压含水层水位而无开挖两种工况条件下,基坑周边环境的沉降影响,以此获得承压含水层水位降低引起周边地铁隧道沉降与基坑开挖降水综合作用下引起的总沉降的关系,并据此将基坑降水引起的沉降从总沉降量中予以分离。研究成果可为工程性地面沉降研究与防治提供借鉴。

人工回灌控制基坑工程地面沉降的数值模拟

人工回灌是控制基坑降水工程引起地面沉降的有效手段,本文以上海地铁2、4、9号3条地铁线所围区域盛大基坑降水为例,探讨基坑降水地下水回灌控制地面沉降的作用机理,并基于下负荷面剑桥理论,建立水-土耦合的地面沉降数学模型,预测基于人工回灌的深基坑工程地面沉降,与实测地面沉降数据对比,得到比较符合实际的数值模拟结果,真实地反映了基坑开挖、支撑和降水共同作用下的地面沉降,值得基坑降水回灌工程推广。

软土弹塑性本构模型发展综述

土的本构理论是理论土力学的重要内容,是研究土体变形、地面沉降的基础理论。理论发展到现在,土的本构模型数目众多。而对于上海地区来说,由于土层主要为软土,所以比较适用的一般为弹塑性模型。在弹塑性模型中,剑桥模型及其扩展模型是最常用的。本文介绍了适合在软土地区使用的弹塑性模型,其中以剑桥模型以及其扩展模型为主,与此同时,还着重介绍了近代发展起来的下负荷面剑桥模型,并岩土模型的发展趋势以及所取得的成果作了简要说明。

桩柱结构在地震作用下非线性响应研究

基于试验基础上建立的经典弹塑性模型——剑桥模型能够准确描述正常固结土的应力-应变关系。当土体的应力历史上经历过卸载或受到循环交变荷载作用即进入超固结状态,它作为土的应力历史的反映,相比正常固结土受力特性有着显著的差异。为研究超固结因素对土体加载特性的影响,在引入能考虑超固结状态影响的下负荷面剑桥模型后,通过三轴压缩和剪切试验对处于超固结状态下土体的受力特性进行了对比分析,并对循环剪切加载下的应力-应变关系以及超固结比的演化规律进行了研究。结果表明,下负荷面剑桥模型能准确反映超固结因素对土体力学特性的影响,相比原状土有着更高的屈服强度。而通过数值模拟自由场地基在地震作用下的动力响应可以看出,超固结因素对地基的动力响应起到了不可忽略的影响,尤其在强震下更需要考虑其影响。在自由场地基地震动力响应基础上,通过对桩柱结构桩-土耦合系统在地震作用下非线性动力响应的模拟对土体非线性以及超固结因素的影响进行了对比研究,研究表明:土体的非线性因素能显著降低结构振动响应中的高频成分,由于土体在交变加载下很快进入超固结状态,相对于剑桥模型,下负荷面剑桥模型在考虑超固结因素后土体的承载性能显著提高,尤其在强震作用下超固结因素带来的影响更加明显,因此,建议对桩基结构物地震响应研究考虑超固结因素影响,以提高桩基结构物地震响应模拟的精确度和可靠性。

统一模型下粘性土和砂性土液化特性数值研究

考虑到土体介质材料经历弹性卸载后即进入超固结状态,而其反过来又能影响土体的力学与抗液化特性,通过考虑超固结因素的影响,在统一下负荷面剑桥模型下对砂性土与粘性土的力学与抗液化特性进行了数值试验对比研究。结果表明,与粘性土相比,砂性土在加载过程中表现出更高的非线性特征与可压缩性,且在非排水加载下更容易引发屈服和液化。通过考虑土体超固结因素的影响以及不同土体条件下超固结比演化规律的差异,下负荷面剑桥模型在统一理论框架下很好的模拟出了砂性土与粘性土间力学与抗液化能力的差异。同时考虑到土体超固结状态与密实度间的关系,模型也从超固结状态的角度很好的解释了土体抗液化能力与相对密度的关系,且与液化试验实测结果取得了较高的一致性。

超固结因素影响下桩柱结构地震响应

地震荷载作用下饱和地基的循环加载响应以及动力液化问题成为地震工程研究中的重要课题。为更好研究饱和地基在考虑超固结因素下的影响及其在循环加载下的演化规律,在下负荷面剑桥模型理论框架下分别通过排水和非排水三轴压缩试验对循环加载下土体的加载响应进行数值模拟研究。在以上研究基础上,基于ADINA81平台开发负荷面剑桥模型本构关系模块,建立两相饱和地基下的桩-土耦合体系的动力非线性有限元数值模型,对不同模型下桩柱结构的地震响应进行了数值模拟对比研究。研究发现在下负荷面剑桥模型下结构的动力响应数值模拟结果介于弹性模型与经典剑桥模型之间,考虑超固结因素影响后,地基表现出更好的抗液化特性与更高的承载能力,能改善结构的动力响应与受力状况。