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。

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。

珠三角地区典型淤泥质土硬化土本构模型参数研究

为了探讨硬化土本构模型对珠三角地区软土地下工程数值分析的适用性,基于4种不同应力路径三轴试验,分析了本地区典型淤泥质土力学性态及其硬化土本构模型参数的变化规律。研究表明,侧向卸荷及排水条件对淤泥质土硬化土本构模型强度参数c'、φ'值以及刚度参数E_(50)^(rd)、E_(ur)^(rd)和m影响显著,但对破坏比R_(f)的影响较小。对于固结不排水侧向卸荷条件,珠三角地区典型淤泥质土硬化土本构模型主要参数为:参考割线模量E_(50)^(ref)为2.34MPa,参考切线模量E_(oed)^(ref)为1.59MPa,参考加-卸载模量E_(ur)^(ref)为11.67MPa,破坏应力比R_(f)为0.98,刚度应力水平相关幂指数m为1.84;其中:E_(50)^(ref)约为E_(ord)^(ref)的1.47倍,E_(ur)^(ref)约为E_(ord)^(ref)的7.34倍。珠三角地区某软土深基坑工程实践证明,硬化土本构模型适用于模拟该地区软土力学性态。

考虑双对数模型下非达西渗流的软土一维大应变固结分析

鉴于目前半对数模型难以较好地描述大应变软土的非线性压缩和渗透关系的现状,引入适用于软土大应变的双对数压缩渗透模型,建立了考虑非达西渗流的饱和软土地基一维大应变固结方程,并给出了有限差分数值解,通过与室内试验和解析解对比,验证了解答的可靠性。在此基础上,分析了渗流参数、双对数压缩和渗流非线性关系参数和外荷载对固结性状的影响。结果表明:压缩指数I_(c)一定时,渗透参数越大,土层固结越慢;渗透参数一定时,压缩指数I_(c)越大,土层固结越慢;外荷载q_(u)越大,土层的沉降量就越大,超静孔隙水压力消散越快,土层的固结速率也越快;最后,对大、小应变固结理论下差分解对比分析,发现土体发生较大应变时,小应变固结理论将不再适用,此时应采用大应变固结理论开展计算。

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。

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。

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。

小应变硬化土本构模型在FLAC3D中的开发及应用

为了准确模拟岩土介质的加/卸载力学特征,引入了硬化土及小应变本构模型.从屈服函数、硬化规律、塑性势函数、流动法则及小应变刚度方面介绍了程序的开发流程,利用VC++语言编译了动态链接库,实现了在FLAC3D 3.0中的加载和调用.通过与小应变模型开发经典案例的试验结果对比,验证了小应变硬化土模型的合理性.以上海绿洲中环中心深基坑工程为例,分别采用硬化土本构模型、小应变模型和Mohr-Coulomb理想弹塑性模型进行对比研究,硬化土及小应变模型的应力、变形分析结果与实际监测数据更为接近.研究结果可以为变形控制为主的大型地下工程开发提供可靠的岩土力学分析方法.

基于统计损伤修正的冻结砂—黏混合土改进Duncan-Chang模型

为描述冻结砂—黏混合土的偏应力—应变关系,进行不同含砂量冻结砂—黏混合土的冻土三轴压缩试验。基于改进的Duncan-Chang模型(D-C模型),引入统计损伤理论,拟合三轴压缩试验结果,分别建立以Mises强度准则和应变发展为微元强度变量的统计损伤修正模型,对比计算结果与试验数据。结果表明:冻结砂—黏混合土偏应力峰值随含砂量的增加而增加,偏应力—应变曲线由应变硬化型逐渐过渡到应变软化型的临界含砂量为50%。当含砂量介于20%~60%时,基于统计损伤理论的修正改进D-C模型能有效拟合应变硬化型曲线和具有轻微应变软化现象的偏应力—应变曲线。当含砂量为90%时,基于应变发展的统计损伤修正模型的偏应力峰值与试验结果相差3%,具有较强适用性。该结果为不同微元强度变量的统计损伤修正模型提供参考。

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。

基于有限元分析的塑性混凝土本构模型对比研究

塑性混凝土力学性能介于混凝土与土体之间,其本构模型选择尚无统一标准。本文采用有限元方法,结合实例工程,分别采用塑性损伤和硬化土两种本构模型对塑性混凝土进行模拟,系统对比分析两种本构模型的计算差异性。结果表明,两种本构模型的计算结果规律基本一致,塑性损伤本构模型表达式简单,计算结果偏保守、安全,而硬化土体本构模型计算结果准确度更高,但模型参数测定较为复杂,后续可基于硬化土本构模型对塑性混凝土本构模型进行改进。

软黏土小应变本构模型参数研究与应用

小应变范围内土体刚度的非线性特性是土体的重要特性之一,合理获取小应变参数对基坑工程周边环境变形分析至关重要。以上海软黏土为例,采集了该地区的典型黏土层(②~⑥层)的原状土样进行了试验研究,提出了由常规岩土勘察报告提供的压缩模量E_(s1-2)确定刚度参数E^(ref)_(oed)、E^(ref)_(50)、E^(ref)_(ur)及小应变剪切模量G^(ref)_(0)的方法,给出了R_(f)、m、ν_(ur)、γ_(0.7)等参数的取值范围,结合勘察报告提供的c′、φ′等强度参数指标,可以合理得到HS-Small模型的全套参数,上述方法及模型参数已被纳入上海市《基坑工程技术标准》。最后,基于该方法确定的小应变模型参数,对上海深隧排水系统云岭西超深竖井基坑进行了三维数值分析,验证了小应变本构模型在超深基坑工程中的适用性。

冻融条件下冰碛土力学特性试验及模型研究

青藏高原地区的冰碛土多处于季节性冻土区,而冰碛土在冻融循环作用下,容易引发地质灾害和影响工程建设,因此研究冻融循环作用后冰碛土力学性质和强度劣化对该区域工程的安全建设有重大的意义。对藏东南地区冰碛土开展冻融循环后的三轴压缩试验,并采用邓肯-张模型及修正邓肯-张模型对冻融后冰碛土的适用性进行验证,同时探讨了模型参数与冻融循环次数的关系。结果表明:(1)高围压下,冻融后试样表现出更明显的应变软化现象;(2)冻融循环次数与土体内摩擦角无显著相关性,而黏聚力呈负指数型函数衰减,这与直剪试验结果一致;(3)采用邓肯-张模型预测冻融作用下冰碛土的应力-应变曲线,低围压下模拟精度较高,模型参数K和冻融循环次数呈负指数函数关系;(4)修正邓肯-张模型可以较好反映试样的应变软化特性,但对于试样破坏后的残余强度阶段,理论值与试验结果相差很大,可靠度低。该研究以期为寒区工程建设提供基础性参考。

硬化土模型在OpenSees中的实现

为了更好地描述不同岩土的力学行为,将硬化土模型集成于OpenSees中,从刚度参数、屈服函数及塑性势函数3个方面概述了硬化土本构模型理论。基于模型理论,根据隐式积分算法推导出硬化土模型的有限元算法格式并给出实现流程,该算法考虑了屈服面交汇处角区域应力更新问题。结合程序流程和OpenSees接口,将模型在软件中进行了实现,并从理论解及试验对比验证了模型开发的正确性。结果表明:算法推导及程序实现正确。硬化土模型在OpenSees中的实现,弥补了OpenSees三维岩土材料的不足,扩大了OpenSees的应用范围。

砂土状态相关本构模型在ABAQUS中的数值实现方法

土体的剪胀、应变硬化和应变软化等应力-应变特性与土体当前所处的状态相关,状态参数ψ(当前孔隙比e与临界孔隙比ecs的差值)被广泛用于表征不同状态下砂土的力学行为[1]。随后,不同学者相继提出了状态孔隙比参数Ie=e/ecs和Is=(e0-e)/(e0-ecs)、状态压力参数Ip=p′/pcs,以及状态孔隙比-压力参数Iep=ep′/ecspcs[2]。考虑到这一特性,可将状态参数引入广义塑性力学或边界面塑性力学中,建立一系列适用于砂土的状态相关塑性本构模型。

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。

湖相沉积典型软土HSS模型参数取值研究

数值分析被广泛用于研究复杂环境下深基坑开挖变形,但本构模型及模型参数选择对计算结果合理性影响较大。比较分析多种本构模型的特点,硬化土小应变(HSS)本构模型能很好对软土场地基坑开挖引起的变形进行预测,但HSS模型参数多且取值困难。湖相沉积软土在昆明分布范围广,但针对此类土,特别是有机质含量及含水率较高的泥炭质土的HSS模型参数如何取值无相关研究。针对这些问题,对大量土工试验及取原状样进行室内试验资料进行分析,研究得到几个刚度参数间的经验取值关系,获得湖相沉积典型软土层的HSS模型参数。为检验HSS模型及相关参数取值的合理性,运用PLAXIS 2D数值分析软件,对软土场地的两个地铁基坑建立数值模型,计算在不同开挖工况下引起的基坑变形,并与实际变形监测值进行对比分析,两变形吻合较好,从而验证研究结果是合理可靠的,且研究结果对于深基坑支护设计、岩土工程研究及勘察等具有重要的参考价值。

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。