微结构依赖的界面土分数阶本构模型

【目的】建立考虑微结构影响的界面土本构模型并对其进行验证。【方法】模型中引入考虑颗粒定向排列和颗粒破碎影响的微结构标量,该标量影响了剪胀状态线与临界状态线之间的距离。采用土体分数阶塑性本构方法,建立微结构依赖分数阶本构模型。采用带误差控制的欧拉-柯西算法,在Matlab中编写所建立的模型,并验证在三维和二维、不同边界条件、不同微结构边界值情况下,模型数值模拟与实际试验数据的应力变形规律的匹配性。【结果】建立了含有10个模型参数的界面土分数阶本构模型,该模型可以准确地描述在三维常法向应力/刚度条件下界面土的三维剪切行为。微结构标量向其边界值演化,在不同微结构边界值条件下,模拟预测值均高于实测值,但预测值的应力位移变化趋势均与试验数据的一致。【结论】所建模型可以较好地模拟界面土硬化、软化、剪胀和剪缩等力学行为,且模型参数均可通过试验获得。本研究可为考虑微结构影响的土与结构物接触面本构理论研究提供参考。

石漠化区岩-土与非岩-土界面土壤孔隙变异及入渗对干湿变化的响应

全球气候变化下土壤水分暴涨骤减愈加频繁和强烈,这使生态系统脆弱的喀斯特区石漠化适应性治理面临严峻挑战。因此,探究干湿变化下土壤孔隙变异及入渗响应对石漠化区土壤水分补给及降雨径流调节具有重要意义。该研究采用原位圆盘入渗法研究了干湿条件下不同露石岩面形状岩-土界面和非岩-土界面土壤孔隙结构变异及水分入渗的响应。结果表明:1)干旱条件下土壤孔隙大小及数量均大于湿润条件;干湿条件下岩-土界面土壤小(<0.2 mm)、中孔隙(0.2~1.0 mm)数及体积比均大于非岩-土界面,大孔隙(>1.0 mm)数及体积比则小于非岩-土界面;干湿变化下土壤孔隙数及体积比的平均变化幅度从高到低为小孔隙、中孔隙、大孔隙,土壤孔隙各参数平均变化幅度从高到低为非毛管孔隙度、毛管孔隙度、通气度、总孔隙度。2)干旱条件下土壤稳定入渗率和饱和导水率均大于湿润条件;随着水头压力的增加,岩-土界面和非岩-土界面土壤导水率逐渐增加,土壤稳定入渗率则呈现先减小后增大的趋势。3)干湿条件下各级土壤孔隙对入渗水流的贡献率均随孔隙减小而降低;非毛管孔隙度和大孔隙数对土壤入渗能力的影响最大。4)岩-土界面土壤孔隙及水分入渗等参数在干湿变化下的平均变化幅度均大于非岩-土界面。研究结果可为干湿变化下土壤孔隙变异引起的土壤水分补给及降雨径流调节能力变化的认识及石漠化的适应性治理提供科学依据。

石漠化山区露石岩面流对岩-土界面土壤氮磷淋溶与输入作用的研究

基岩出露的石漠化区露石岩面在承接降水(含穿透雨)后易形成岩面流,并携带岩面有机或无机物质输送至岩周土壤中,对岩-土界面土壤养分变化具有重要影响。为探明岩面流对岩-土界面土壤氮磷的淋溶与输入影响,选取基岩明显出露的休耕地(1年岩面流作用)、退耕灌草地(5年岩面流作用)和坡耕地(无/少岩面流作用)3种样地,并分别选择外凸、平直和内凹3种特殊的岩面形状,研究了距岩面不同水平距离及土层的岩-土界面及非岩-土界面土壤的全氮和全磷变化特征。结果表明:岩面流对0~10 cm表层岩-土界面土壤氮磷产生输入或淋溶作用,对10~20 cm层岩-土界面土壤氮磷作用不明显。不同岩面形状形成的岩面流对岩-土界面土壤氮磷的淋溶与输入作用强度依次为:内凹型>平直型>外凸型。其中,在1年岩面流作用的休耕地中,内凹型岩面形成的岩面流对岩-土界面土壤氮素的影响主要表现为淋溶,而平直型和外凸型岩面表现为输入作用;不同形状岩面流对岩-土界面土壤磷素的影响均表现为淋溶。然而,在植被生长较好的退耕灌草地中,5年岩面流作用下不同形状岩面流对岩-土界面土壤氮磷的影响主要表现为输入。研究结果可为深入认识出露岩石对喀斯特生态系统土壤特性的影响提供科学依据。

黏性土中静力沉桩过程桩土界面土压力模型试验

为探讨静压桩贯入过程中桩土界面土压力的变化特性,开展了室内饱和黏性土中静压桩沉桩模型试验。采用双壁模型管桩分离内外摩阻力,在桩身安装微型土压力传感器,监测桩-土界面土压力,分析了沉桩过程中压桩力与桩端阻力的变化规律,探讨了静压桩沉桩过程中桩土界面土压力的分布特征,明确了桩土界面土压力在沉桩过程中存在明显的退化效应,揭示了饱和黏性土中静压桩沉桩过程桩土界面土压力的变化机理。试验结果表明:压桩力随贯入深度的增加近似呈线性增长,在贯入后期闭口桩的压桩力明显大于开口桩的压桩力;桩端阻力基本呈现出线性增长,在沉桩过程中桩端阻力占压桩力的比例较大,占比为62.3%;在静压桩贯入初期,桩土界面土压力的增长速度较低,随着静压桩的逐渐贯入,桩土界面土压力呈现出线性增长且增长速率较快;在同一深度处,随着静压桩的逐渐贯入桩土界面土压力出现明显的土压力退化现象,在深度20、30、40、50、60、70 cm处,土压力依次平均退化14.6%、13.8%、13.2%、9.2%、7.2%、6.1%。

多露石石漠化区岩面流对岩-土界面土壤的冲蚀效应

岩面流在基岩出露的喀斯特石漠化区普遍存在,其容易受岩面形状影响以汇聚或分散的方式对岩—土界面处土壤进行冲刷侵蚀,这是喀斯特石漠化区土壤侵蚀/漏失发生的重要物理过程。为分析不同岩面形状下岩面流对岩—土界面土壤颗粒分布的影响,揭示岩面流对岩—土界面土壤的冲蚀效应,选择具有典型石漠化特征的休耕地(1年岩面流冲刷作用),在其中选取3种典型岩面形状(平直型、外凸型和内凹型岩面)为研究对象,采用激光粒度仪分析法,分析距岩—土界面不同水平距离(0~2,2~4,4~6,6~8,8~10,20 cm)及不同土层(0—10,10—20 cm)处土壤的颗粒分布特征。结果表明:(1)不同岩面形状下岩面流对岩—土界面处土壤的冲蚀影响依次为内凹型>平直型>外凸型;内凹型岩—土界面处土壤中黏粒含量最低,外凸型岩—土界面处土壤中黏粒含量最高;(2)岩面流对岩—土界面土壤冲蚀作用主要集中在距岩—土界面水平距离0~2 cm范围内,在其范围内内凹型岩—土界面土壤的砂粒含量均显著高于外凸型和平直型,而在距岩—土界面其他水平距离处土壤颗粒分布情况无显著性差异;(3)在岩面流影响下岩—土界面土壤颗粒分形维数均值排序依次为外凸型>平直型>内凹型,与土壤中黏粒含量呈正比,砂粒含量呈反比。研究结果可为深入认识基岩出露石漠化区土壤侵蚀/地下漏失发生过程提供科学参考。

超重力场中界面土压力的测量

测量诸如孔隙水压力、位移和载荷等物理量能够达到相当高的精度,但土压力的测量则困难得多。在吸取了国内外同行经验后,为离心模型试验设计研制了一种微型土压力盒,主要用于土与结构物界面土压力的测量。水压力、干砂压力和砂土压力三种标定结果表明,这种微型土压力盒的线性度良好;在研究地下连续墙的侧向土压力分布的离心模型试验中,根据这种微型土压力盒的测试结果,获得了合理的侧压力系数。

动、静载环境下界面土直剪试验

为了探究土体界面土的力学性质及其变化规律,以粉土、粉质黏土和碎石土作为试验材料,以法向应力大小、上下土层类型、界面处理方式、动载环境、静载环境和动载作用时长等作为试验变量因素,运用正交试验设计方法对不同类型的原状土和重塑土试样进行室内直剪试验,得到了土体界面土的剪力-位移本构曲线,根据曲线中的峰值抗剪强度计算出了能够反映界面土抵抗黏性破坏能力的黏结系数。试验结果表明:粉土的黏结系数小于粉质黏土;界面土的抗剪强度与上下土层的结合类型相关,界面土的粗糙度越大,界面土处的土体接触越充分,则界面土的力学性质越好;随着动载作用时间的增加,土体界面土的抗剪强度会有所下降;并且,界面土的力学性质与上下土层性质之间有一定的联系。

喀斯特高原石漠化区露石岩-土界面与非岩-土界面土壤入渗特性差异

为揭示喀斯特石漠化区露石岩—土界面与非岩—土界面土壤渗透特性差异,通过环刀法探究岩—土界面与非岩—土界面土壤入渗特征及入渗模型适应性。结果表明:(1)岩—土界面0—10 cm土层和10—20 cm土层土壤容重大于非岩—土界面,土壤总孔隙度小于非岩—土界面。岩—土界面含水率和毛管孔隙度总体上大于非岩—土界面,非毛管孔隙度、黏粒和排水能力总体上小于非岩—土界面。(2)岩—土界面土壤的入渗能力总体上小于非岩—土界面,其初始入渗速率、平均入渗率、稳定入渗率小于非岩—土界面(平直形除外)。(3)3种形状岩—土界面0—10 cm土层和10—20 cm土层土壤的初始入渗速率、平均入渗率和稳定入渗率均表现为平直形>外凸形>内凹形。非岩—土界面土壤入渗与岩—土界面具有相似性,主要由土壤容重和总孔隙度共同决定。(4)Horton模型对岩—土界面与非岩—土界面土壤入渗的拟合效果优于Kostiakov模型和Philip模型,能更好地模拟喀斯特地区复杂情况下土壤的入渗特征。研究以期为深入认识喀斯特地区水分入渗及水土流失提供新的研究思路与科学理论支撑。

石漠化区退耕驱动下露石岩-土界面土壤渗透特性变化

为揭示退耕对石漠化区露石岩—土界面土壤渗透特性的影响,以典型石漠化坡耕地为对照,选择休闲地、退耕灌草和果园为研究对象,采用环刀法研究了平直、外凸和内凹型露石岩—土界面土壤渗透特性。结果表明:(1)不同退耕类型岩—土界面土壤入渗过程及特征差异较大,从初始入渗率到稳定入渗率衰减幅度在0.350~55.756 mm/min,而不同岩—土界面形状间土壤入渗速率差异较大;(2)不同退耕类型岩—土界面土壤入渗速率的主要影响因素为毛管孔隙度和非毛管孔隙度,初始入渗率、平均入渗率和稳定入渗率均与毛管孔隙度呈极显著负相关(p<0.01),而初始入渗率与非毛管孔隙度呈显著正相关(p<0.05);(3)与Kostiakov模型和Philip模型相比,Horton模型对不同退耕类型岩—土界面土壤入渗过程拟合适用性最好,可以更好地模拟和预测不同退耕类型岩—土界面土壤入渗过程和入渗能力;(4)主成分分析评价不同退耕类型岩—土界面土壤入渗能力大小为坡耕地(0.99)>休闲地(0.16)>退耕灌草地(-0.43)>退耕果园(-0.72)。退耕明显降低石漠化区露石岩—土界面土壤入渗能力,这种降低在外凸型岩—土界面最为显著。研究结果可为深入认识退耕对石漠化区岩—土界面水分渗漏提供科学依据。

橡胶砾石级配对筋土界面循环剪切特性的影响

橡胶砾石作为基础填料,具有低剪切刚度、高阻尼比的特性。为了研究土工格栅-橡胶砾石的循环剪切特性,利用室内动态直剪仪进行了一系列直剪试验,分析了4种橡胶砾石颗粒级配(级配不良GR1、GR4,级配良好GR2、GR3)、3种橡胶配比(10%、30%、60%)、3种竖向应力(30、60、90 kPa)下土工格栅-橡胶砾石界面的剪应力-剪切位移关系和体变特性。试验结果表明:在循环剪切过程中,各橡胶砾石级配均表现出剪切硬化的特点,但其抗剪强度与纯砾石相比均出现不同程度的降低;橡胶砾石抗剪强度随着竖向应力的增加而增大,4种级配土中GR2表现出最高的抗剪强度,但相较于纯砾石其抗剪强度约下降9%;界面最大竖向位移与竖向应力和橡胶含量成正相关,2种连续级配土GR2和GR3的界面竖向位移较小;在同一颗粒级配下,剪切频率和剪切位移幅值越大,混合土界面峰值剪应力越大;筋土界面剪切刚度随着循环次数的增加而增大,随着橡胶含量的增大而减小,而阻尼比与剪切刚度呈相反的规律。

球状风化花岗岩类土质边坡土-岩界面优势流潜蚀特性研究

受降雨作用,球状风化花岗岩类土质边坡的土-岩差异风化界面极易演化为优势渗流通道而发生渗流潜蚀,进而加速该类边坡的变形失稳,然而当前有关其渗流潜蚀作用特征、细颗粒迁移规律等的研究仍鲜见开展。基于多孔介质非饱和渗流理论,综合考虑细颗粒运移、潜蚀启动响应与非饱和渗流的耦合关系,提出一种可准确描述土-岩界面渗流潜蚀过程的数值计算框架。采用有限元方法,构建优势流作用下非饱和花岗岩残积土的渗流潜蚀模型,并以均质土柱的渗流潜蚀过程为参考,系统研究3种典型土-岩界面埋藏状态下的优势流潜蚀特性。结果表明:球状风化花岗岩类土质边坡的土-岩界面与基质渗透性存在高度差异性,湿润锋形成向下凹陷的渗透漏斗,且随着降雨的持续,湿润锋的凹陷程度愈发明显;细颗粒流失程度与土-岩界面的埋藏状态相关,其中下填土体工况的优势流潜蚀最为显著,其界面处甚至出现超孔隙水压力,最不利于该类边坡的稳定性。研究成果可为降雨条件下球状风化花岗岩类土质边坡稳定性的准确评价提供科学依据。

考虑剪切速率影响桩土界面力学特性模拟研究

文中通过大型直剪仪研究了黏性土与混凝土界面的界面摩擦阻力,测定了不同剪切速率和法向应力下黏性土-混凝土界面摩擦阻力以及剪切速率与剪切破坏位移的关系.结果表明:黏性土与混凝土界面的剪应力-剪切位移关系受剪切速率和法向应力的影响.剪切速率对界面附着力和界面摩擦角均不存在影响,界面剪切破坏位移与剪切速率之间没有明显的相关性,但剪切速率对桩-土界面剪切破坏位移有一定的影响.因此,静压桩沉桩速度范围内,剪切速率对桩土界面力学特性影响不大.

基于桩-土界面剪切特性的单桩沉降和承载问题研究

近年来,西北地区出现了许多高填方场地,为减小建筑物基础的不均匀沉降,基础类型广泛使用桩基础。与一般场地不同,黄土填方场地中的单桩桩周土受力后仍会产生较大的变形,该类场地单桩沉降机制复杂。桩顶总沉降计算是桩基设计的重要依据,为此,建立了高填方黄土场地单桩桩顶总沉降计算模型。基于传统的荷载传递法和剪切位移法,分别考虑桩-土界面的桩-土相互作用和桩-土界面外剪切带土体的剪切变形。依据桩端边界,将单桩类型分为摩擦桩和端承摩擦桩,分别建立桩周土弹性阶段和塑性阶段的桩身位移控制微分方程,结合边界条件进行求解,得到桩身位移、轴力、侧摩阻力,并通过弹塑性理论求解了桩周土剪切带土体剪切变形,进而通过叠加原理求得桩顶总沉降。用桩长与桩周土塑性发展深度的比值,定义了桩基承载力安全系数K。通过算例分析与现场试验数据对比分析,研究结果表明:使用新的模型计算得到的桩顶总沉降与现场试验结果相近;当桩顶荷载较小、桩周土处于弹性阶段时,桩端边界对桩身轴力、位移和侧摩阻力影响很小,但桩周土进入塑性滑移阶段后,桩端边界的影响开始变大,考虑桩端土的承载能力会极大提高单桩极限承载力;建立了将荷载传递法和剪切位移法综合起来的计算模型,不仅可以考虑桩-土界面的相对滑移,还可以计算桩-土界面外土体剪切带的剪切变形,使得桩顶总沉降计算更加精确,可为类似场地中单桩沉降的分析与控制提供一定的参考。

冰水赋存演化下冻结土石混合体-结构界面强度劣化机制及模型

温升下冻结土石混合体-结构界面层孔隙内冰水赋存改变极易诱发强度劣化,而目前界面强度劣化机制及劣化规律定量表征的相关研究存在空白。制备0%,15%,30%,45%等4种含石率组合体试样,通过核磁共振、直剪试验研究了正融过程冰水赋存演化下界面强度劣化特性,结合莫尔-库仑准则首次提出以薄膜水及毛细水含量变化率为参变量的强度劣化模型。得到结论:含石改变界面孔隙结构分布使毛细水占比升高;温升下界面抗剪强度劣化程度随含石率增加而降低;正融后不同含石率界面黏聚力衰减程度均大于内摩擦角衰减程度;黏聚力、内摩擦角与未冻水含量关系曲线分别呈阶段非线性特点及两阶段线性特点,其实质在于薄膜水及毛细水发育使得界面黏聚力和内摩擦角产生不同程度及形式的劣化。模型分析表明:随含石率升高,薄膜水及毛细水劣化系数具有“此消彼长”的特性,颗粒间及颗粒与结构接触面滑动摩擦强度和咬合摩擦强度劣化比例系数分别呈现下降、上升趋势。

含水率和冻融循环对筋土界面剪切特性的影响

制作了一套可实现温度控制的筋土界面直剪试验设备。为了研究含水率、界面温度、冻融循环次数对筋土界面剪切特性的影响,开展11组土工格栅-砂土界面直剪试验。研究结果表明,筋土界面的黏聚力和摩擦角均随含水率的增加而减小,当含水率提高时,筋土间的抗剪强度减弱。加筋可显著提高冻土的抗剪强度,当界面温度为-10℃时,土工格栅-砂土界面剪应力峰值较冻结后砂土的剪应力增加了约20%。筋土界面剪应力随着界面温度的降低而增大,当界面温度在0℃以下时,剪应力较大且剪应力-剪切位移曲线会出现峰值强度和残余强度,而在无冻结情况下,筋土界面剪应力稳定值基本相同。冻融循环后筋土界面的抗剪强度减小,筋土界面的黏聚力和摩擦角均随着冻融循环次数的增加而减小,但在4次冻融循环后趋于稳定。研究成果可为冻土地区土工格栅加筋土结构的设计和应用提供理论依据。

加筋土结构筋-土界面特性和筋材位移变化规律试验研究

基于拉拔试验研究加筋土结构筋-土界面正应力、填土压实度与含水率、拉拔速率等对筋-土相互作用特性和筋材位移变化的影响,分析筋材位移的演变规律。研究结果表明:土中筋材各点位移均不同程度滞后于加载端位移,且随与加载端的距离增加而增加,筋材位移呈非线性递减趋势;增加界面正应力、压实度或含水率,相同拉拔力下同一位置处筋材位移呈减小趋势,且距加载端越远,筋材位移受影响越小;筋材拉拔以整体拔出和拉断破坏模式为主,筋材拔出破坏时拉拔力峰值与加载端位移呈近似线性关系,且格栅拉拔力峰值与界面正应力、压实度、含水率或拉拔速率呈正相关关系;增加压实度或含水率,筋-土界面相互作用增强,筋-土界面摩擦角略有增加,但筋-土界面似黏聚力增加明显,且接近填土最佳含水率时界面似黏聚力较大。拉拔特性试验表明,加筋土工程中应严格控制填土含水率,适当的筋-土界面变形有利于发挥筋材作用。

膨胀土-混凝土界面剪切特性研究及界面系数修正

为对不同含水率下与不同法向应力下的膨胀性土的界面抗剪强度-界面剪切位移曲线进行分析,通过设计室内膨胀土-混凝土界面直剪试验,研究各含水率对膨胀土-混凝土界面各力学性质的影响。结果表明:不同含水率条件下的应力应变曲线均无应变软化现象,基本符合应变硬化模型;含水率的增长,对界面抗剪强度有较为明显的劣化影响,应力应变曲线的峰值也随之愈发滞后;同一含水率的界面抗剪强度与法向应力较好地符合摩尔-库伦强度准则,随着含水率的逐渐增长,界面抗剪强度也呈现递减态势;界面黏聚力先呈增长态势,后呈逐渐减小态势;界面等效剪切模量呈现下降趋势,同时通过微观角度对界面黏聚力和界面内摩擦角引起的界面强度变化规律进行了机理性的分析。界面内摩擦角则随着含水率增加逐渐地呈现反比例函数降低态势,引入界面摩擦系数,进一步细致分析界面摩擦力学性质,同时修正了界面黏聚力和法向应力对界面摩擦带来的较大影响,针对于浅层边坡土体与桩基础的摩擦估算,考虑到法向荷载对于界面摩擦系数影响较为合理。

基于损伤耦合演化过程的黏土-结构物界面统计损伤本构模型

为了评估粗糙度对土与结构物界面强度特性的影响,首先,开展不同法向应力条件下黏土和不同粗糙度黏土-结构物界面强度的直剪试验,分析了土体剪切面强度和界面强度的相互关系;其次,利用图像处理软件分析黏土-结构物界面的剪切机理,提出了考虑结构物表面粗糙度影响的界面损伤耦合演化过程;第三,引入考虑界面粗糙度影响的等效初始损伤因子,基于连续损伤理论和统计强度理论建立了考虑界面损伤耦合演化过程的黏土-结构物界面统计损伤本构模型;最后,结合室内试验结果验证了模型适用性。研究结果表明:在相同法向应力条件下,界面粗糙度越大,界面强度越接近土体强度;界面强度与结构物表面粗糙度呈幂函数关系增加,其增长速率随结构物表面粗糙度增加而降低;黏土-结构物界面剪切全过程的损伤演化过程可分为等效初始损伤阶段和加载损伤阶段,其中,等效初始损伤阶段受界面粗糙度影响,加载损伤包括受荷损伤和耦合损伤。本文模型所得结果与试验结果的吻合度较高,能较好地反映黏土与结构物界面损伤本构特征。

不同桩-土界面摩擦系数对水平荷载下大直径单桩变形特性影响研究

为研究不同桩-土界面摩擦系数对水平荷载下大直径单桩变形特性的影响,根据现场试验及室内循环剪切试验结果,采用Abaqus软件及可考虑软土软化效应的本构模型进行数值模拟。结果表明:提高桩-土界面摩擦系数可在一定程度上减少桩顶位移,其减少程度与桩土相对位移呈正相关。桩-土界面摩擦系数变化区间为0.1~0.5,在水平静载作用下,桩-土界面摩擦系数对桩顶位移的影响随荷载的增大而增大,随桩径的增大而减小。水平循环荷载作用下,桩-土界面摩擦系数对桩顶位移及桩周土体软化程度的影响随荷载峰值、荷载频率、循环次数的增大而增大,桩顶位移减小值最大可达25.85%,桩周土体软化程度最大可达17%。

黏性土-混凝土界面抗剪及残余强度试验研究

文中采用自制的大型试验系统,通过直剪试验对粉质黏土-混凝土界面在不同粗糙度条件下的剪切特性展开研究,探明预制桩桩-土界面的力学参数与粗糙度之间的关系。结果表明粗糙度是预制桩桩-土界面的剪切强度和剪切刚度等力学性质的重要影响因素。界面抗剪强度、界面摩擦角、界面附着力、界面剪切刚度和界面剪切破坏位移等力学参数均随着混凝土表面粗糙度的增大而增大,其中剪切破坏位移增幅较为显著,最大增幅达55%;界面附着力随粗糙度增大呈先减小后增大的趋势,最大增幅23.7%。试验结果对静压桩的工程实践具有重要意义。