考虑小应变刚度特性的软土边界面模型与应用

基坑开挖导致周边土体经历复杂的加卸载应力路径,传统的本构模型难以同时反映此过程中土体的超固结和小应变刚度特性。在现有的边界面模型中,引入土体小应变刚度特性,提出软土边界面模型小应变刚度修正方法。基于一种高效的半隐式应力更新算法,将改进后的边界面模型采用UMAT子程序二次开发嵌入有限元软件ABAQUS中,并应用于某地铁车站深基坑开挖工程的数值模拟。分析结果表明,采用改进模型准确地反映了上海地区典型土层的小应变状态本构关系和土体的应变刚度相关性;由于改进的边界面模型能够同时反映土体超固结和小应变刚度特性,计算的围护结构变形与现场监测数据吻合较好。

大主应力方向及中主应力系数对重塑黄土小应变刚度特性影响试验研究

利用配备高精度应变传感器的空心圆柱扭剪仪对重塑黄土开展了一系列定向剪切试验,剪切过程中保持平均主应力p、大主应力方向角?以及中主应力系数b不变。共完成了包括3组不同大主应力方向角和1组不同中主应力系数的4组试验,共21个试样。对定向剪切条件下重塑粉土的应力-应变-强度以及小应变(<0.1%)刚度特性进行了研究,分析了不同大主应力方向角及中主应力系数的影响。试验研究结果表明,重塑黄土存在显著的强度各向异性特性,沿?=0°方向的强度最大,而最小强度方向因中主应力系数的不同而不同。?=0°时,b=0.25的强度最大,此时试样接近平面应变条件。小应变条件下重塑黄土的剪切刚度也因剪切时?和b的不同而不同,剪应变小于0.02%和大于2%时,刚度基本保持不变,初始剪切刚度很大,当剪应变大于0.02%后,随着剪应变的增加而迅速衰减,衰减曲线可以采用指数函数进行较好的拟合。

基于深基坑监测数据的土体小应变刚度参数优化分析

考虑土体小应变特性的HSS模型在深基坑的数值分析中得到较多的应用,但受试验条件的限制,其刚度参数往往不易获得。为对HSS模型的初始剪切模量G_0^(ref)、小应变参数r_(0.7)、三轴实验割线模量E_(50)^(ref)等三个刚度参数进行优化分析,以厦门市某一地铁深基坑工程为依托,基于施工过程的实测数据,提出一套简便易行的刚度参数优化方法。基于地表沉降和围护墙水平变形的实测数据,以修正后的极差和标准差为收敛指标,对深基坑的浅部开挖工况进行弹塑性位移反分析;然后对深部开挖工况继续进行优化分析,通过不同工况、不同断面的实测数据进行若干次参数优化,可将收敛误差控制到较小范围内;最后得出厦门地区代表性土层淤泥质土、粉质粘土、残积砂质粘性土的刚度优化参数,积累了土工参数的地区经验值。该方法不仅可用于刚度优化分析,也可用来预测深基坑开挖引起的周边环境风险。

考虑土体小应变刚度特征时隔断结构保护效果的三维数值分析

我国城市地下交通隧道建设日益频繁,而隧道施工会对周边地面建筑物的安全造成威胁,必要时需要采取措施对重要建筑物进行保护。近年来隔断桩/墙被越来越多地用于工程中,对其保护效果的分析评估就显得很有必要,而土体小应变刚度特征对于合理分析这类变形问题具有重要意义。为此,首先用FISH语言编程在FLAC3D中实现一种能反映土体小应变刚度特征的本构模型,并分别通过模拟小应变三轴试验和土工离心机试验在土单元和边值问题两个层面上验证了该模型的正确性和有效性。在此基础上,对隔断桩/墙减少隧道开挖引起的地面沉降的效果进行了三维数值模拟和参数分析。研究表明,隔断结构的深度对隔断效果影响最为显著,隔断结构应至少深入到隧道底部以下1倍隧道半径的深度;桩径(墙厚)、桩中心间距等因素在合理范围内变化对隔断效果影响不大;隔断桩与地下连续墙的隔断效果差别较小。

非等向固结砂土极小应变刚度的超弹性模型

反映砂土极小应变刚度的 Hardin-Richart 公式主要是基于等向固结的实验数据,但是天然土体基本都是处于非等向固结状态。实验研究表明,随着非等向程度的加深,Hardin-Richart 公式对土体刚度的估算偏差越大,误差最大可超过 20%。3 种类型的超弹性模型能够反映土体极小应变刚度随应力水平增大而增大的幂律关系,但仅有 HE1 模型具有弹性剪胀等特殊的正剪耦合特性,对土体非等向固结状态下的刚度规律趋势预测正确。HE1 模型对土体非等向固结状态下的刚度规律预测结果受到其参数取值的影响,但总体而言与实验结果总结的规律一致。

含应力旋转路径对软黏土小应变刚度影响试验研究

利用配备高精度局部位移传感器的空心圆柱扭剪仪对杭州软黏土开展了系列应力旋转路径条件下的试验研究,包括：大主应力沿不同角度的定向剪切,不同剪应力水平下大主应力单纯连续旋转后定向剪切以及大主应力往复循环旋转后定向剪切3类典型应力路径,并考虑了中主应力系数及剪应力水平的影响。重点分析应力旋转路径对软黏土小应变刚度特性的影响。主要结论有：在不同的复杂应力条件下软黏土的刚度均受应变大小的影响,应变小于0.01%时软黏土的刚度很大,在0.01%~0.1%范围内刚度迅速衰减;在定向剪切条件下剪切方向对软黏土小应变剪切刚度的影响并不明显,而中主应力系数的影响比较显著;在主应力单纯旋转阶段软黏土会因不同的剪应力幅值产生不同程度的应变累积,继而对土体的小应变刚度的影响程度也不同;主应力往复循环旋转虽然也会产生前期累积应变,但土体在后期定向剪切阶段的初始刚度并未显著衰减,说明应力旋转模式对小应变刚度也有很大影响。

环境湿度可控的土体小应变刚度试验系统

为研究脱湿过程中饱和度改变对土体小应变刚度的影响规律,自主研制了一套非饱和土小应变刚度试验装置。该装置由3部分构成:相对湿度控制系统、变形测试系统和波速测试系统。相对湿度控制系统可分级提供环境室内相对湿度,通过称重模块记录土样质量变化;变形测试系统利用图像采集结合数字图像处理技术获得土样体变;波速测试系统采用压电陶瓷元件制作的波速传感器,可同时测试土样脱湿过程中压缩波及剪切波波速。试验结果表明:该装置能够分级稳定控制相对湿度环境、间接测量土样体积变化及实时测试弹性波波速,进而研究波速表征的小应变刚度随饱和度的变化规律;土样剪切波速及小应变剪切模量随饱和度的降低逐渐增加,压缩波速及小应变体积模量随饱和度的降低先减小后增加。该装置结构简单,便于操作,为研究非饱和土小应变刚度特性提供了科学有效的测试方法与试验手段。

基于小应变刚度本构模型的基坑内外坑面积比对坑中坑围护结构的影响研究

为了深入研究坑中坑式基坑的受力与变形,以南昌市艾溪湖叠合式公轨共建深长明挖隧道中的坑中坑工程为研究背景,采用PLAXIS 2D有限元软件结合小应变刚度硬化本构模型(HSS),建立了坑中坑有限元计算模型,研究了内坑与外坑的面积比对基坑围护结构受力和变形的影响。结果表明:内外围护结构的最大水平位移均随着面积比的增大而增大,其原因为随面积比增加,内外坑围护结构间土体逐渐由无限土体转变至有限土体;外墙所受的弯矩,无论正负弯矩都随着面积比的增大而增大;内坑灌注桩主要承受正弯矩,负弯矩相对较小,且其正弯矩随面积比的增大而增大;采用弹性地基梁理论研究内外坑面积比对围护结构影响时,可不考虑弹簧系数随面积比的变化。

共振柱和弯曲元研究石灰固化粉土的小应变刚度特性

为研究石灰固化粉土的小应变刚度特性,利用共振柱和弯曲元对固化土和素土开展了不同围压下的小应变刚度测试。试验结果表明,石灰处理后粉土的小应变刚度显著提高,相同围压下固化土和素土的最大剪切模量比值为1.69~2.59。素粉土和石灰固化粉土的小应变刚度具表现出非线性特征,不同围压下的G-γ衰减曲线符合Hardin-Drnevich模型。固化土和素土的最大剪切模量和围压具有较强的线性相关性,并且固化土的刚度对围压的敏感性高于素土。研究还发现,采用共振柱和弯曲元得到的最大剪切模量非常接近。建议工程实践中采用弯曲元快速准确测定固化粉土的小应变刚度特征。本研究有助于对深化加固土的小应变刚度特性的理解,并为有关粉土的加固工程提供施工设计参数和理论指导。

考虑土体小应变特性的桩基动刚度拟静力计算方法

上部结构受力验算需要用到下部基础刚度作为弹性边界条件,而桩基的刚度又受到土体刚度非线性的影响。本文采用拟静力方法计算桩、土和承台共同作用下的整体三向动力刚度,并引入土体小应变刚度的简化分析模型考虑土体刚度非线性对桩基刚度的影响。通过桩土相互作用模型中"受力变形平衡-土体刚度与应变协调-受力变形平衡"的循环计算,实现对土体在小应变水平下刚度非线性弱化特性的模拟,最终达到模型力学平衡与土体刚度水平的协调,从而得到桩基的拟静力刚度。在有限差分软件中实现上述算法,并对某工程柱下单桩和群桩基础整体三向刚度进行了大规模的计算应用。研究表明,采用本文提出的考虑土体与应变特牲的桩基动刚度拟静方法所得到的结果可为上部结构受力分析提供合理的计算参数。

饱和度及收缩变形对土体小应变刚度特性的影响

饱和度影响下的浅表层土体小应变刚度与泊松比是预测土与结构物相互作用引起变形的关键参数。基于自主设计的试验装置,针对细粒土(黏土和粉土)通过蒸汽平衡法控制环境湿度,开展了无外荷载作用下土体饱和度变化对小应变刚度及泊松比影响的试验研究。试验结果表明:细粒土弹性波速及小应变刚度随饱和度演化均可分为3个阶段,即边界效应阶段、过渡阶段及残余阶段。压缩波速及小应变体积模量随饱和度的降低先减小后增加,剪切波速及小应变剪切模量随饱和度的降低逐渐增加,黏土的泊松比随饱和度的降低呈线性减小,粉土的泊松比在饱和度低于85%后无明显变化,仅在0.37附近波动,与粉土相比,黏土的小应变刚度特性及泊松比受饱和度影响更为显著。

土体小应变条件下紧邻地铁枢纽的超深基坑变形特性数值分析

以上海地区一紧邻地铁枢纽的超深基坑工程为分析对象,考虑土体的小应变刚度特性,建立地铁区间隧道和邻近基坑的二维有限元分析模型,探讨土体小应变条件下超深基坑的变形特性。算例分析表明,考虑土体小应变刚度特性可以显著减小超深基坑的变形,计算结果与实际情况更为吻合。对于紧邻地铁枢纽的超深基坑,开挖顺序对于基坑变形也有着显著影响,在同样的计算模型下,先开挖大基坑再开挖紧邻地铁枢纽的小基坑,可以明显地减小超深基坑的变形,这与上海地区已有的工程实践经验是一致的。所获得的结论对于紧邻地铁枢纽的深基坑工程设计与施工具有重要参考价值。

上海临港砂质粉土硬化土小应变模型参数研究

硬化土小应变模型(HSS模型)考虑了土体在小应变区域内刚度随应变的非线性变化,是土工数值分析中应用较为广泛的软土本构模型之一。上海地区软土的特性研究已取得了较为丰富的成果,但关于浅层砂质粉土的研究还不够全面。通过三轴固结排水剪切试验,三轴固结加卸载试验,固结试验以及共振柱试验,获得上海临港地区浅层砂质粉土的硬化土小应变本构模型的试验参数,包括土体的初始剪切模量、土体强度参数和加卸载模量等。将试验结果与已有文献的相关数据进行对比分析,试验结果可为上海地区浅层砂质粉土的深基坑工程数值分析提供参考数据,具有工程参考价值。

软黏土深埋矩形顶管施工地层变形分析

结合上海轨道交通14号线静安寺车站工程,基于颗粒间应变(IGS)小应变刚度本构模型对顶管顶进过程进行了三维数值模拟。通过对比现场实测及既有工程经验,验证了数值模型的有效性。利用数值模拟,分析了软黏土地层中矩形顶管施工地层变形响应。主要结论包括:(1)基于IGS小应变本构模型的数值模拟可以合理反映矩形顶管顶进引起地表沉降特征;(2)顶管施工引起地表沉降形态可以通过高斯曲线表征,随着顶管顶进,沉降槽宽度系数变小;(3)土体深层水平位移呈“S”形分布,在隧道顶部所在深度,土体具有最大的远离隧道的侧向位移和沿顶进方向的水平位移,在隧道底部所在深度,土体具有最大的朝向隧道的侧向位移及沿顶进反方向的水平位移。

高等与常用本构模型对黄土变形影响的模拟对比

选用合适的土的本构模型是确保岩土工程问题数值模拟定量计算精度的关键。近些年来,两种土的高等本构模型,即硬化土模型(HS模型)和考虑小应变刚度的硬化土模型(HSS模型)在已有的研究中表现出良好的有效性和先进性,但目前鲜有将其应用于黄土工程问题的研究。为此,针对笔者开展的室内黄土三轴压缩试验和现场黄土地基平板载荷试验,采用Diana有限元软件中的HS和HSS模型及常用莫尔-库伦模型(M-C模型)和邓肯-张模型(D-C模型)开展了数值模拟对比研究。结果表明:HS和HSS模型比常用的M-C和D-C模型更好地拟合了这两种试验结果,且HSS模型比HS模型总体拟合结果更好。因此,HS和HSS模型在模拟黄土变形及其失稳破坏机理方面比后两者更可靠,具有推广使用价值。

土体GHS与HSS模型选择对基坑数值分析结果的影响

为对比基坑工程土体本构模型选择对计算结果的差异,利用Plaxis软件,坑底土体分别选用小应变刚度模型(HSS)与广义土体硬化模型(GHS)进行对比分析。结果表明:基坑开挖后,坑底相邻区域第三主应力显著降低,HSS模型坑底刚度与第三主应力相关,GHS模型坑底刚度与当前平均主应力和前期应力相关,GHS模型坑底的剪切刚度E_(ur)显著大于HSS模型;在基坑开挖各阶段,采用GHS模型在基坑开挖全程都获得显著更少的隆起量。当开挖至坑底地层(开挖10 m)时,可减少45.4%的坑底隆起量极值;采用GHS模型计算的基坑底下卧盾构隧道的变形量,小于采用HSS模型计算的变形量,更加接近于工程实测值。

上海地区软土HSS模型参数的试验研究

HSS模型可以考虑小应变范围内土体剪切模量随应变增大而衰减的特点,在基坑开挖数值分析中逐渐得到较多的运用。通过基于GDS系统的三轴仪、常规固结仪和共振柱仪完成系列的室内试验,获得了上海地区典型软土层(也即黏土层2、淤泥质粉质黏土层3、淤泥质黏土层4和粉质黏土层5)的硬化土小应变本构模型(HSS模型)参数c',φ',E_(oed)^(ref),E_(50)^(ref),R_f,G_0^(ref)和γ_(0.7),以及模型参数之间的比例关系,并将试验结果与已有文献的相关结果进行对比分析。通过工程实例的数值分析表明,围护墙体水平变形计算值和实测值大致相等,验证了HSS本构模型以及本文提出的参数确定方法在上海软土地区基坑开挖分析中的适用性,具有工程参考价值。

盾构隧道施工对火车站站房的影响分析

在火车站站房附近进行隧道开挖势必会对站房结构安全造成威胁,实际施工中主要通过经验方法来判断房屋是否安全。本文以南昌轨道交通2号线下穿南昌火车站工程为背景,采用数值模拟方法分析盾构隧道下穿施工引起的火车站站房沉降变形情况,房屋最大沉降为6.49 mm,远小于经验方法的沉降限值30 mm,随后采用改进的Boone方法预测站房受损情况,判定结果为隧道施工很可能造成站房结构的轻微裂损。经验方法预测结果偏于不安全,应在施工前采取加固保护措施对站房进行保护。

隧道开挖对地面房屋影响的三维数值分析与评估

城市地铁建设需要针对隧道开挖对地面房屋的影响进行合理的评估。采用能够考虑土体小应变刚度特征的本构模型,通过三维数值模拟以计算典型工况下隧道开挖引起的地面不同位置框架结构房屋变形,进而分别采用Burland方法及改进的Boone方法对房屋所受的影响进行评估,并将两种方法的评估结果进行对比。结果表明,采用Burland方法可能会低估框架结构房屋所受的影响,从而导致预测结果偏于不安全。同时,采用改进的Boone方法的预测结果表明,框架结构房屋的损坏很可能出现在地表沉降曲线反弯点附近的位置。

毛竹复合土钉墙工作性状的数值分析研究

以某软土基坑采用毛竹复合土钉墙支护的工程实例为背景,利用有限元软件PLAXIS建立某设计剖面的平面应变有限元模型。为提高数值分析定量计算分析的精度,采用了能反映土体小变形和加卸载变形等特点的小应变刚度模型。通过对土钉墙面层及毛竹排桩的水平位移、坡顶沉降、毛竹土钉的轴力以及毛竹排桩的剪力和弯矩分布规律的分析,对堤坝形毛竹复合土钉墙的工作性状获得了较全面的认识,并探索了其可能的失稳破坏形式。采用该程序自带的强度折减有限元法计算了各开挖工况下支护体系的稳定安全系数,表明毛竹复合土钉墙在施工期间和施工后均具有较高的稳定性,具备可靠的支护能力。