武汉软土小应变硬化模型参数试验研究

小应变硬化(HSS)模型考虑了土体在非常小的应变条件下刚度的高度非线性,在深基坑工程变形分析中得到广泛应用,其中如何确定土体的各个模型参数是应用该模型的关键。针对武汉软土地区,结合国内外文献中对HSS模型的研究成果,总结了HSS模型中各个参数的确定方法,并以武汉市两个软土深基坑工程为背景,利用三轴固结剪切仪和GDS动三轴仪进行了三轴固结排水剪切试验和动三轴试验研究,获得了HSS模型所需的土体强度、小应变刚度等参数。在此基础上,构建了HSS模型中各个参数的经验关系,并根据国内外学者的研究成果,结合本文室内试验的结果,提出了一套完整的武汉市软土深基坑工程HSS模型参数的获取方法。研究成果可为武汉市类似工程地质条件下的深基坑工程变形分析提供参数和技术支撑。

杭州淤泥质粉质黏土小应变硬化土模型参数试验及工程应用

小应变硬化土(HSS)模型被广泛用于软土地区分析基坑开挖对周边环境的影响。淤泥质粉质黏土是一种高灵敏性土,对基坑开挖工程有很大影响。本文介绍HSS模型13个参数及其确定方法。选取杭州淤泥质粉质黏土,开展标准固结试验、三轴固结排水试验、三轴固结排水加载—卸载—再加载试验和弯曲元试验等一系列室内试验,确定杭州淤泥质粉质黏土HSS模型参数的取值及其比例关系。依托杭州2个典型工程案例,分别建立基坑开挖三维有限元模型,分析围护结构深层水平位移和支撑轴力,并对比实测数据和数值模拟结果,验证杭州淤泥质粉质黏土HSS模型参数取值合理性。该研究可为淤泥质粉质黏土地层基坑开挖数值模拟HSS模型参数取值提供参考。

考虑扰动影响的土体小应变硬化模型参数试验研究及其在基坑工程中的应用

天然结构性土体容易受到各类施工扰动,导致土体物理力学性质改变,进而影响工程稳定、变形以及邻近环境。针对宁波两种典型土体,分别对原状土和轻、重扰动土以及重塑土开展了三轴试验及一维压缩试验,分析了扰动度对小应变硬化模型(HS-small model,简称HSS模型)主要参数的影响规律,并将其应用于宁波某基坑工程,利用Plaxis3D分析了考虑周边土体扰动影响的坑后土体水平位移变化。研究结果表明,扰动会使土体的强度及刚度参数降低。对于淤泥质黏土,轻扰动试样的参考切线模量E_(oed)^(ref)、参考割线模量E50ref及参考加卸载模量Eurref值分别降低14%、10%、2%,重扰动试样三参数分别降低43%、14%、15%,粉质黏土三参数也呈现相似降低趋势。在考虑土体扰动影响的情况下,基坑周边两个测斜孔的最大水平位移值分别增大13%、15%,更加接近实测值。研究结果可为小应变硬化模型的参数取值以及考虑扰动影响的基坑工程分析计算提供指导。

小应变土体硬化模型参数的敏感性分析及确定方法

小应变土体硬化(hardening soil model with small strain stiffness,HSS)模型能够反映土体小应变阶段的非线性特性和应力相关性,在深基坑工程领域已被广泛应用。但由于模型参数众多,目前对参数确定方法尚缺乏系统研究。分析了HSS模型各参数的意义及常规确定方法,采用数值模拟方法开展了HSS模型参数的敏感性分析,基于统计的大量研究成果,建立了土体参数与孔隙比之间的非线性关系,进一步通过2处深基坑工程的变形分析进行验证。结果表明:在基坑数值分析中,参考动剪切模量G_(0)^(ref)的敏感性最高,参考切线模量E_(oed)^(ref)的敏感性最低,建立的非线性关系能够较好地反映土体模量与孔隙比的相关性,围护结构侧移的计算值及实测值较为吻合,验证了提出的参数确定方法的适用性,可为相关工程提供参考。

宁波浅层软土小应变硬化土模型参数试验研究

小应变硬化土模型(HSS模型)因能考虑土体小应变特性,所得数值模拟结果通常更接近于实测值,因此在数值分析中得到广泛应用。目前,关于软土HSS模型参数的研究,主要集中在上海地区,其它地区的研究成果较少。通过室内试验方法对宁波地区的浅层软土进行HSS模型参数的取值研究,并与现有文献的统计成果进行对比,结果表明:大部分HSS模型参数的试验值处在统计范围之内,说明宁波浅层软土与其它地区的软土有其共通性;个别参数的试验值不在统计范围之内,说明宁波浅层软土亦有其地区差异性。

基于HSS-MCC融合模型及SSA-BP神经网络开展深基坑超大变形预测研究

软土环境下深基坑开挖变形特性研究中,多采用硬化类弹塑性模型进行分析,如HSS模型和MCC模型.南京河漫滩软土地区,深基坑开挖时局部常发生较大变形,部分土体变形状态介于小应变与大应变之间,单一模型无法准确预测土体变形特征.同时,BP神经网络在基坑变形预测中得到广泛应用,但在训练过程中,权阈值易陷入局部最优解,影响预测的准确性.据此,依托南京地区典型软土深基坑工程,采用Midas中的HSS模型与MCC模型进行分析,比对两种模型的桩体变形量差异,并基于最小二乘准则对两模型进行线性融合,融合模型可对后续区段监测数据进行校准及补充.通过融合麻雀搜索算法对BP神经网络进行优化,在其训练过程中快速收敛,得到全局最优的权阈值,依托狭长基坑已开挖区段监测数据学习训练,进而依据后续区段浅部开挖揭露深部变形特征,预测结果与实测值吻合度较高.研究结果对软土地区深基坑大变形的预测研究具有重要参考价值.

小应变硬化模型(HSS)在Rayleigh波作用下场地响应分析中的应用

为研究冲击荷载或地震作用下产生的,以Rayleigh波为主的面波对浅层地表土体动力响应特征以及数值模拟中土层阻尼的设置方法,以厦门地区浅层的素填土及粉质黏土为研究对象,采用有限元动力分析,土体本构采用小应变硬化模型(HSS),利用模型本身的滞回环特性,输入变化的小应变参数,考察HSS模型的小应变参数对场地动力响应的影响,并与土体采用摩尔-库伦模型结合Rayleigh阻尼("MC+Rayleigh阻尼")的计算结果进行对比。研究表明:当采用带有滞回环的HSS模型时,波速随初始剪切模量Gref0的增大而增大,但振幅减小,残余变形量也有所减小;小应变参数γ0.7对波的影响较小;HSS模型能够给出残余变形量,而"MC+Rayleigh阻尼"由于本构模型为理想弹塑性模型,在卸载重加载条件下表现为纯弹性行为,无法反映出卸载重加载过程中塑性应变的积累及其累积阻尼效应;但HSS模型还不能够全面反映循环加载作用下塑性体积应变的累积,因此在考虑滞回阻尼的基础上,仍然建议借助Rayleigh阻尼来更加全面地模拟土体的实际阻尼特性。

基于HSS模型海上风电桶形基础水平循环承载特性对比研究

采用土体本构模型对黏土中的桶形基础进行了有限元模拟,以研究桶形基础的水平循环承载特性。利用有限元方法模拟了在不同单调组合荷载作用下黏土中的桶形基础离心机试验,与试验结果对比验证了使用小应变硬化土(HSS)本构模型的适用性。在此基础上,基于HSS模型和硬化土(HS)模型对比研究了不同循环荷载和小应变模量对桶形基础累积转角、旋转中心和桶-土相对刚度的影响。结果表明,黏土中桶形基础的累积转角随着循环次数和水平荷载的增加而增加,然而每个循环中累积转角的增加逐渐减小。另外,提出了Tb和ζb之间的拟合关系式预测黏土中桶形基础的累积旋转。无论处于疲劳极限状态(ζb=0.3)还是正常使用极限状态(ζb=0.5),旋转中心类型都是从深中心变为浅中心。桶-土相对刚度随循环次数的增加而减小,并且循环荷载越大刚度衰减越大。另外,小应变模量对基础累积转角和桶-土相对刚度有较大影响而对旋转中心无显著影响。与已有的研究结果对比发现,HSS模型更加适用于精细化设计。

基于SCPTU测试的小应变硬化土模型参数确定方法及应用

小应变硬化土(HSS)模型是基坑工程开挖分析采用的主要模型,其可靠性取决于土体参数的合理选取。本文提出基于地震波孔压静力触探(SCPTU)测试的土体HSS模型参数取值方法。由于SCPTU测试在土体原位状态下进行,克服了室内试验存在的取样扰动问题。通过太湖隧道基坑工程SCPTU测试,确定了土体的HSS模型参数。将该参数应用于室内试验和基坑开挖模拟,并且与实测结果进行了比较。结果表明:数值模拟获取的土体固结不排水三轴剪切试验及压缩试验应力-应变曲线与实测值较为吻合,基坑开挖完成后围护结构水平位移实测值与模拟值也较为一致,验证了基于SCPTU测试的土体HSS模型参数确定方法的适用性。

济南济泺路穿黄隧道典型粉质黏土HSS模型参数获取及适用性

盾构施工过程中土体大部分区域处于小应变状态,与常用的本构模型的土体性质有所不同。因此,为研究济南济泺路穿黄隧道区域内典型粉质黏土的的静动力行为特性及工程适用性,通过室内基础土工试验、侧限固结试验、标准三轴固结试验以及动三轴试验,确定了粉质黏土基本物理性质参数以及切线刚度E_(oed)^(ref)、割线模量E_(50)^(ref)、卸载/重加载参考刚度E_(ur)^(ref),并将所得参数应用于济南济泺路穿黄隧道工程下穿北岸大堤沉降分析中,同时通过对比应用硬化土小应变硬化(hardening soil model with small strain stiffness,HSS)本构模型、摩尔库伦(M-C)本构模型的模拟结果与现场实测结果,验证了HSS本构模型在该地区变形分析中的准确性。结果表明:围压一定时,该地区粉质黏土试样竖向应变以塑性应变为主,且随动应力的增加,土体达到稳定所需时间越长;循环荷载一定时,增大土体围压可提高土体的稳定性;基于室内试验获取的HSS本构模型参数模拟的济南济泺路穿黄隧道下穿大堤工程地层变形结果与现场实测值吻合良好,验证了基于所提出的室内试验获取岩土小应变相关参数方法的适用性。研究成果可以丰富济南黄河地区粉质黏土地层参数研究,并为该地区岩土工程数值模拟分析的本构模型与地层参数选取提供参考。

基于应变的应变硬化指数演化行为研究

为准确描述变形过程中双相高强钢板的应力应变关系,针对3种双相高强钢板应变硬化指数的演化行为进行了试验研究与理论模型预测。借助单向拉伸试验机和自主研发的DIC应变测量系统,获得了3种材料的真实应力-真实应变曲线,基于经典的Hollomon流动应力模型,得到了其应变硬化指数的演化历程,发现3种材料应变硬化指数与真实应变呈非线性变化关系。为了更好地预测应变硬化指数的演化行为,提出了可以描述其值变化的非线性数学模型,并结合经典的Hollomon流动应力模型,提出了基于n值变化的修正的Hollomon-n流动应力模型,最后通过3种材料的真实应力-真实应变曲线验证了所提出模型的有效性。

基于HSS模型双线隧道上跨施工对既有地铁影响

针对某新建盾构隧道近接上跨既有地铁项目,基于小应变硬化模型(HSS),建立了三维有限元模型,通过与实测数据和莫尔–库伦模型计算结果的对比,验证了HSS模型计算的可靠性和优越性。在此基础上,进一步分析了新建隧道施工引起的既有隧道竖向变形特征,及隧道水平净距和叠交角度两参数对既有隧道变形的影响规律。结果表明:HSS模型计算结果与实测值吻合较好,能有效预测既有地铁隧道的变形;在新建隧道上跨穿越的影响下,既有地铁隧道产生竖向隆起变形,且变形主要发生在盾构下穿前的1.5倍新建隧道直径到穿越后的2倍新建隧道直径范围内;既有地铁隧道隆起峰值点会随着盾构二次穿越而发生偏移,且其竖向变形曲线呈现出“双峰”趋势;增大双线隧道水平净距和新旧隧道叠交角度,都能使既有隧道的变形减小。

江苏大丰海域海洋土HSS模型主要参数试验研究

小应变硬化土(hardening soil with small strain stiffness,HSS)模型能反映土体在小应变范围内的非线性,广泛应用于土工变形分析。海上风电基础对变形控制要求高,需考虑土体的小应变特性。通过固结试验、三轴固结排水试验、三轴固结排水加卸载试验与共振柱试验,获得了江苏大丰海域海洋土HSS模型主要参数,并建立了HSS模型相关模量参数与土体物理参数之间的关系。试验成果可为海洋土HSS模型分析及参数取值提供重要参考,具有一定的工程价值。

珠海富水软土小应变硬化参数试验研究

基于三轴排水、标准固结等室内试验,并结合经验方程,标定了珠海富水土体的成套HSS模型参数,并分析了主要强度参数E_(50)^(ref)、E_(oed)^(ref)、G_(0)^(ref)和E_(ur)^(ref)的比例关系,为珠海地区不同土层的HSS模型参数取值及计算提供参考。研究发现,珠海地区黏土的小应变参考剪切模量G_(0)^(ref)高于砂土,且远高于淤泥质黏土。与长三角等滨海地区相比,珠海地区的黏土因含水率较高,其参考割线模量E_(50)^(ref),参考加卸载模量E_(ur)^(ref),参考切线模量E_(oed)^(ref)和参考剪切模量G_(0)^(ref)均较低。

基于HSS模型邻近建筑的深基坑数值分析

以某邻近既有建筑的深基坑工程为例,利用有限元软件PLAXIS 2D建立数值模型,研究了硬化土小应变模型(HSS模型)与摩尔库伦模型(MC模型)下基坑开挖过程中地连墙水平位移与地表沉降与实际监测数据的差异,并基于HSS模型分析了基坑开挖过程中围护结构水平位移与既有建筑的沉降,同时,本文分析了既有建筑与基坑之间距离以及既有建筑的层数对既有建筑倾斜率的影响。分析结果表明:HSS模型相对于MC模型可以更加精确的预测基坑开挖工程中的变形情况;采用HSS模型模拟时,围护结构的水平位移为“内凸形”,随基坑深度的增加,围护结构最大水平位置不断下移、最大水平位移逐渐增大,围护桩最大水平位移为24.2 mm,建筑物最大沉降为11.9 mm,均满足设计要求;基坑与建筑物之间距离越小,建筑物层数越高,邻近建筑物倾斜率越高,建筑物每增加一层,其倾斜度约增加0.58×10^(-4)。

基于HSS模型的隔离桩对基坑变形控制的数值分析

基坑开挖引起的过大变形会对附近地下管线产生不利影响。以宁波秋实路工程项目为背景,结合地勘报告和地区经验确定土体HSS模型参数,通过三维数值模拟,分析设置隔离桩对靠近燃气管线的桥墩深基坑的变形控制效果。计算结果表明参数取值方法合理,内插型钢后的水泥土搅拌桩变形控制效果有明显提高,在一定范围内调整隔离桩竖向长度相比纵向布置宽度能更有效控制变形,并确定了最终的隔离桩布置方案。

考虑应变硬化的混合弹塑性接触模型

为了更加真实地反映粗糙表面的实际接触情况,根据表面微凸体变化的连续性、单调性和光滑性原理提出了一种新的混合弹塑性接触模型。该模型在球体初始接触时,就考虑更小微凸体的塑性变形和较大变形量时的应变硬化。通过反正切函数构建一组函数,用来表征接触过程中变形状态的变化,利用Meyer硬度指数反映应变硬化的影响,进而导出接触面积和接触载荷的数学表达式。通过采用文献中已有的铜、铝合金和纯镍材料的实验测试结果,以及文献中不同的弹塑性接触模型的计算结果进行对比分析,结果表明,该模型的计算结果能够很好地与实验测试结果吻合,尤其是在大变形量、出现应变硬化的情况下,更能体现出该模型的优势。

考虑材料应变硬化和包辛格效应的厚壁筒自增强理论模型

提出了一种以材料的实际拉-压应力应变曲线为基础,考虑材料应变硬化行为和包辛格效应的厚壁管自增强理论模型.本模型通过直接对实际材料拉-压应力应变曲线进行四段拟合得到所需参数,因此能更好地反映材料的应力-应变特性,给出更精确的残余应力计算结果.模型预测的残余应力和实验测试结果与其他3种自增强理论模型预测结果进行了比较,结果表明,该模型的预测结果和实验测试值吻合,比其他理论模型给出了更精确残余应力预测结果.讨论了包辛格效应和屈服准则对筒壁残余应力的影响.理想弹塑性模型、线性强化模型以及幂硬化模型等都是本模型的特例.

干湿循环作用下基于Laplace分布的裂土应变硬化损伤模型

为了建立干湿循环作用下裂土应变硬化损伤模型,提出裂土微元强度服从Laplace分布的假定,同时考虑初始损伤门槛影响,引入干湿循环损伤变量和荷载作用损伤变量,分别描述裂土干湿循环开裂和应力水平作用下损伤演化规律。基于不同干湿循环阶段裂土的固结不排水三轴剪切试验,探究围压对不同干湿循环开裂损伤的影响;利用线性拟合确定应变硬化损伤模型参数,探讨围压和干湿循环次数对初始损伤应力门槛值的影响,并对比验证不同干湿循环次数与应力水平作用下的试验结果。研究结果表明:干湿循环对裂土平均微元强度影响显著,5次循环后,微元平均强度降幅显著,相比初始状态降低39.7%~78.5%;反映平均微元强度与弹性模量的Laplace分布参数m0和T0均与围压呈正相关;围压提高了初始应力损伤门槛值,降低了干湿循环作用造成的损伤,相比初始状态试样,5,8和12次干湿循环后试样的初始损伤应力门槛值分别降低37.77%,45.67%和57.43%。建立的基于Laplace分布的损伤本构模型能充分反映干湿循环作用后裂土受荷时的应变硬化特征,并可模拟裂土在干湿循环和围压共同作用下的全应力-应变曲线,其模型参数易获取,且具有明确的物理意义;干湿循环次数愈多,围压愈高,模型与土体应力-应变试验曲线吻合程度越高。

一种非共轴应变硬化本构模型数值应用及离心机试验验证

在土体的剪切变形过程中,当主应力方向产生旋转时,主应变增量方向与主应力方向之间存在显著的非共轴现象.同时,机动摩擦角、膨胀角随着累积塑性偏应变的增长而增加,土体具有应变硬化的特点.传统的弹塑性本构模型不能够反映上述现象对地基承载力特性的影响.为了能够对地基承载力问题进行合理的分析,建立了一种非共轴应变硬化模型,并将该模型运用到有限元计算中.通过与三轴试验和离心机模型试验结果进行对比,对该模型在数值应用中的合理性进行了验证.研究结果表明,该模型能够对不同围压下的应力-应变关系进行预测.对浅基础承载力问题进行研究时,非共轴应变硬化模型的计算结果比传统弹塑性本构模型更加接近于离心机试验结果,验证了该模型的数值应用合理性.