基于扰动理论修正的桩-土接触面荷载传递模型及其应用

利用硬化模型、双曲线模型、指数模型以及软化模型模拟的桩-土接触关系存在参数取值困难、误差大的问题。为深入研究土-结构接触面的强度与变形机理,基于扰动理论,假定完整状态接触单元的抗剪强度服从线弹性模型,而扰动部位则服从塑性模型,建立修正的桩-土接触面荷载传递模型。该模型参数分析表明,参数k、η对模型τ-s曲线形态影响大,而参数τf、ζ对模型τ-s曲线形态影响很小;并通过大型桩-土接触面室内直剪试验,量化接触面上剪切应力与剪切位移的关联性,进一步确定修正桩-土接触模型内部计算参数。结果表明模型τ-s曲线与试验曲线吻合较好,验证了模型的合理性。扰动桩-土接触模型既能描述桩侧应变软化也能描述硬化特性,有助于理解复杂应力条件下桩-土接触面的强度计算与变形机理。

基于扰动状态概念的砂土-混凝土桩接触面荷载传递模型研究

基于扰动状态概念理论,考虑砂土密实度对扰动函数的影响,建立混凝土桩-砂土接触面荷载传递模型。用混凝土板表征桩侧粗糙度效应,采用大型直剪仪开展不同密实度的砂土-混凝土桩接触面力学行为的试验模拟,研究砂土密实度对混凝土桩-砂土接触面的力学特性的影响规律,分析接触面模型初始剪切系数、模型扰动参数(A和Z)对桩-砂土接触面荷载传递模型的作用机制。研究结果表明:1)混凝土桩-砂土接触面易呈现应变软化,在低法向应力条件下,混凝土桩-密砂接触面的应变软化程度最大。2)模型扰动参数Z在数值上近似等于孔隙比。模型扰动参数A越大,砂土与混凝土桩接触面的软化显著程度越大。参数A随着密实度增大而增大。随着法向应力增大,密砂的扰动参数A呈近似线性衰减,松砂和中密砂的扰动参数A近似呈双折线衰减。3)初始剪切系数k_s随着法向应力增大而增大,密实度越大,增速越快。4)基于扰动状态概念的桩-砂土接触面荷载传递模型可靠、参数的物理意义明确且易确定,能很好地表征桩-砂土接触面的应变软化及硬化等力学特征。

根系影响下粗糙土-岩接触面剪切损伤模型研究

合理描述根系和岩面粗糙度影响下土-岩接触面的剪切行为是开展土岩混合边坡稳定评价的关键。基于Weibull分布并考虑含根率、粗糙度的影响建立了土-岩接触面剪切统计损伤模型。根据试验结果,确定了含根率、粗糙度对接触面剪切刚度的影响函数及模型参数,并验证了模型的可行性;进一步,探讨了含根率、粗糙度和模型参数m、w 0对接触面剪切变形和损伤演化的影响。研究表明:根系与粗糙度均能抑制接触面损伤发展从而提高接触面强度;提出的损伤模型能较好地描述根系和粗糙度影响下土-岩接触面剪切损伤演化和剪切力学特性。研究成果可为土-岩接触面剪切性能分析及土岩混合边坡稳定评价提供理论参考。

基于含冰量的冻结砂土-混凝土接触面蠕变特性

保证高含冰量冻土区桩基础的长期稳定性是多年冻土区桥梁桩基础安全服役中的关键问题,为研究含冰量对冻土-混凝土接触面蠕变特性的影响,采用自行研制的大型蠕变剪切仪,在−2℃条件下开展含冰量为6%、12%、16%、23%、36%、60%、80%的冻结砂土与混凝土接触面蠕变试验.试验结果表明:在恒定的剪应力作用下,除含冰量为6%试样出现加速蠕变外,其他试样仅出现衰减蠕变及稳定蠕变2个阶段;随含冰量的增大,试样黏性变形占比增大,含冰量为80%试样的黏性变形超过总变形量的80%;稳定蠕变速率受到干密度及含冰量的综合影响,含冰量为16%时稳定蠕变速率最小;Burgers黏弹性模型能较好地模拟高含冰量冻结砂土-混凝土接触面蠕变曲线;随着含冰量的增大,初始剪切模量和稳定蠕变阶段黏滞系数先增大后减小,初始蠕变阶段的渐进剪切模量呈幂函数减小,初始蠕变阶段黏滞系数呈幂函数增大.

一种状态变量相关的非饱和接触面弹塑性模型及验证

为研究非饱和土与结构的接触问题,基于状态相关概念和临界状态理论,以净法向应力和吸力为应力状态变量,在考虑吸力对屈服函数、流动法则和硬化定律等影响下,建立了非饱和土-结构接触面的弹塑性模型。通过砂土-钢和砂土-土工织物两种接触面的剪切试验结果,对模型的可靠性进行了验证。结果表明:该模型可描述不同初始状态的土-结构接触面力学行为,还能预测不同边界条件下(常法压、常刚度和常体积)接触面的剪应力、法向位移和应力路径变化。在此基础上,对不同吸力下的非饱和粉土-钢和风化花岗岩土(CDG)-混凝土接触面的剪切结果进行预测,发现随着吸力的增大,接触面峰值强度增大,应变软化和剪胀特征愈加明显,且由剪缩到剪胀转换的相变点所对应剪切位移减小。与已有模型相比,该模型参数更容易确定,计算的峰值强度和临界应力更接近实测值,且能反映峰值强度对应剪切位移随吸力减小的趋势,说明该模型能更好地考虑吸力对接触面峰值强度、临界状态和硬化特征的影响。

高心墙堆石坝接触黏土与岸坡接触特性的离心模型研究

为了提高砾石土心墙与岸坡之间的变形协调性,高心墙堆石坝通常在心墙与岸坡之间设置高塑性黏土,统称为接触黏土,接触黏土的变形特性对高心墙的应力变形性状和心墙的安全性有重大影响。开展了4组接触黏土与岸坡接触面的局部离心模型试验,通过调整施加的上覆荷载大小来探讨原型坝体不同高程处的接触面剪切位移发展规律。基于理论分析,提出了一个计算接触黏土与岸坡接触面离心模型试验中边界效应影响范围的解析表达式,以确定接触面离心试验中试验模型的相似比尺。试验结果表明:在原型坝体的不同高程处,接触黏土与岸坡之间均会产生一定的剪切位移,但不会出现分离现象;接触黏土和砾质心墙土变形主要以竖向下沉为主,并且接触黏土与砾质心墙土之间的沉降等值线变化较为连续,未出现陡变情况,这说明接触黏土起到了很好地协调变形的作用,因此在进行高心墙堆石坝的结构安全性分析过程中应考虑接触黏土与岸坡的接触效应。

软硬地层接触面倾角对盾构隧道纵向力学性能的影响

针对现有盾构隧道纵向力学性能研究中较少考虑纵向穿越软硬变化地层,且接触面倾角影响规律尚不清晰的问题,基于实际工程建立盾构隧道-地层三维纵向精细化模型,并提出一种同时考虑管片错缝拼装、纵环向螺栓、地层与隧道接触面真实力学性能的精细化模拟方法;采用改进的Timoshenko梁理论验证模型可靠性,并分析穿越软硬变化地层盾构隧道的纵向力学性能,探讨地层接触面倾角的影响规律。结果表明:盾构隧道沉降量在软硬地层接触面急剧变化并在软硬地层两端趋于稳定,隧道两侧沉降差异在倾角为30°和150°时更为显著;管片张开和错台量集中分布于软硬地层接触面附近,分布范围随倾角增大逐渐向软土层侧移动,最大管片张开和错台量在倾角120°时最大,分别为0.183和1.270 mm;倾角对盾构隧道纵向内力影响较大,大于90°后影响逐渐显著;纵向上,管片纵向螺栓和地层-隧道接触面的变形更为显著。研究结果可为进一步发展盾构隧道纵向分析方法和保障此类盾构隧道的安全运营提供参考。

红黏土-混凝土接触面剪切特性及扰动本构模型

为研究不同法向应力下接触面应力-位移及破坏强度等特征,采用大型直剪仪对红黏土与混凝土结构接触面进行剪切试验。基于扰动状态理论对接触面剪切过程进行分析,在传统两参数Weibull分布函数的基础上引入扰动阈值参数γd,构建考虑初始扰动位置影响的接触面剪切扰动本构模型,并对该模型进行验证与讨论。试验结果表明:不同条件下接触面应力-位移曲线表现出典型的剪切软化特性,且其黏聚力c和内摩擦角φ均小于红黏土自身;构建的模型可较好地预测接触面在高法向应力和大剪切位移条件下的剪切应力应变关系,扰动阈值参数γd的合理取值范围为(0.7~0.9)γp(峰值剪应变)。

圆形水池一次与二次衬砌接触面模拟方法

为了研究一次衬砌与二次衬砌之间的连接与受力特征,采用各向异性的接触面本构薄层单元,建立圆形高位水池结构的三维数值模型,分析了不同钢筋直径及钢筋布置间距下的钢筋应力及衬砌间的错动量。结果表明,钢筋直径及钢筋间排距对钢筋应力和衬砌间的错动量影响较小,钢筋应力均远小于钢筋屈服强度,衬砌间的最大错动量为3mm。计算方法避免了完全几何接触算法存在的收敛性问题,研究成果可为类似工程结构的计算提供参考。

考虑粗糙度影响的冻结砂土-混凝土接触面蠕变特性研究

为保证多年冻土地区桥梁桩基在服役期的安全稳定,需研究考虑流变效应的桩端承载及桩侧承载性能,其中考虑桩-冻土接触面蠕变特性的桩侧承载性能是多年冻土桩基长期稳定性的关键。利用自行研制的大型应力控制式剪切仪开展冻结砂土-混凝土接触面的剪切蠕变特性研究,试验采用灌砂法定义混凝土表面的粗糙度,其中4组为试验分析组(粗糙度为0,0.039,0.059和0.098 mm),1组为模型验证组(粗糙度为0.02 mm)。基于冻结砂土-混凝土接触面蠕变试验,研究蠕变变形、蠕变速率与时间及粗糙度的变化规律,揭示粗糙度影响下的接触面剪切蠕变机理,建立考虑粗糙度影响的接触面现象学蠕变模型。研究结果表明:冻结砂土-混凝土接触面在恒荷载作用下表现出显著的蠕变效应。不同粗糙度条件下,冻结砂土-混凝土接触面蠕变特性不尽相同,粗糙度越大试样衰减蠕变时间越长、稳定蠕变阶段越明显、蠕变稳定性越强;稳定蠕变速率随粗糙度的增大而减小,二者呈线性变化规律,得到发生非衰减蠕变的临界粗糙度为0.093 mm。提出的现象学蠕变模型对冻结砂土-混凝土接触面蠕变曲线有着良好的适应性,同时也可用于预测不同粗糙度条件下试样的蠕变规律,可为多年冻土区桩基长期承载及变形数值计算提供参考。

冻土与结构接触面循环剪切损伤模型

抗剪强度和压缩体应变是冻土与结构接触面的力学特性指标中最重要的两个参数,对冻土与结构接触面的力学分析至关重要。采用自行研制的大型多功能冻土-结构接触面循环直剪系统,开展了冻土与结构接触面力学性能及变形规律的试验研究,采用损伤力学理论,基于等应变分布假设、零弹性域假设、弹性应变无耦合假设,选择不可逆性体应变与最大不可逆性体应变的比值作为损伤因子,建立了用于描述冻土与结构接触面剪切行为的抗剪强度与压缩体应变损伤模型。通过相关试验对建立的损伤模型进行验证,结果表明,所建模型是准确、合理的。

一种土与结构接触面模型的建立及其应用

在进行了一系列接触面单剪试验的基础上，分析和探讨了接触面剪切破坏和变形的机理，提出了错动位移、剪切位移以及接触面“剪切错动带”的概念。在此基础上，建立了一种新的接触面模型，并给出了确定模型参数的方法。有限元计算结果表明，该模型能够较合理地反映接触面上剪应力的传递及相对位移的发展，它比常规接触面模型有较明显的改进。

粗粒土与结构接触面统一本构模型及试验验证

在试验基础上建立了一个可统一描述粗粒土与结构接触面力学特性的本构模型。提出了新的建模思路,基于试验得到的接触面本构规律建立了模型的数学公式及参数确定方法。进行了多种法向边界条件下接触面单调和循环剪切试验,采用新建立的模型对试验结果进行了预测,模型预测结果与试验结果吻合良好。该模型参数易于确定,能够统一地描述包括单调与循环加载条件下接触面的应变软化、剪胀规律、异向性等主要力学特性,能够合理地考虑受载过程中接触面的物态及相应力学特性的演化,能够统一地描述低法向应力到高法向应力范围内接触面的力学响应。

基于Weibull分布的土-结构接触面统计损伤软化本构模型

以法向应力为0.8-1.0 MPa条件下的土-结构接触面剪切力学特性及变形性态为依据,从土-结构接触面抗剪强度的随机性出发,将接触面上的整体剪切破坏视为有限个微元的剪切破坏的组合,提出了基于平面应变条件下Mohr-Coulomb屈服准则的土-结构接触面微元强度表达式,在假定微元强度或微元破坏服从双参数Weibull分布的基础上,建立了土-结构接触面统计损伤软化本构模型.结果表明,模型能够较好地反映土-结构接触面变形破坏的全过程,尤其是剪切过程中所表现出的应变软化特性,其模拟与试验结果曲线的相关系数达0.99以上.

土与结构物接触面损伤本构模型

根据粗糙接触面变形机理,建立了基于损伤力学基本原理的接触面本构模型来描述其力学特性。所建议的损伤模型可以用一个统一的表达式来表述,能够较好地反映土与结构物接触面剪切过程中的应变软化和剪胀等力学特性;模型参数较少,物理意义明确。对接触面直剪试验和单剪试验成果进行了验证,模型计算与试验结果吻合较好,表明建议的土与结构物粗糙接触面损伤模型是合理可行的。

接触面薄层单元耦合本构模型

接触面单剪试验显示， 在土与结构接触界面土体一侧存在剪切错动带， 剪切过程中的土尤其是粗颗粒土出现明显的剪胀／ 剪缩效应． 为了反映剪切错动带的应力应变特征， 更恰当地模拟土与结构的相互作用， 提出了接触面薄层单元耦合本构模型． 同时讨论了薄层单元厚度的确定问题．

土与结构间接触面的非线性弹性-理想塑性模型及其应用

将非线性弹性理论与弹塑性理论相结合,对于土与结构间接触面提出了一种非线性弹性-理想塑性模型,用于模拟土与结构相互作用体系的变形与破坏机理。推导建立了这种接触面单元的应力-应变关系和弹塑性系数矩阵,并且讨论了这种模型在基坑开挖与支护分析应用中所面临的数值计算问题。最后针对某一基坑工程实例,应用这种接触面模型进行了数值计算与分析,结果表明,该模型能够较合理地模拟接触面上的变形机理与受力状态。

粗粒土与结构接触面三维本构关系及数值模型

基于试验结果,探讨了粗粒土与结构接触面的三维力学特性,该接触面在三维剪切时两个方向上的剪应力-应变关系表现出较强的耦合特性,但其主剪应变的大小只与主剪应力的大小有关。基于提出的接触面弹塑性损伤理论,建立了描述三维条件下接触面力学特性的本构模型及其数值格式。编制了有关程序,采用该模型对接触面的力学响应进行了预测。预测结果表明,建立的接触面三维本构关系及数值模型是合理和可行的,能够较好地反映包括剪切耦合特性在内的接触面主要力学特性。

混凝土三维细观接触面模型数值模拟与CT试验验证

对混凝土三维随机骨料模型进行了改进,在骨料和砂浆之间加入了"面-面接触单元"模拟两者的接触特性,编制了相应的命令程序,称新模型为混凝土接触面模型。采用双折线损伤演化模型进行计算,对数值模拟结果进行了分析研究。从混凝土破坏过程图和荷载-位移曲线图两方面与CT试验结果进行了比较,表明试件破坏时裂纹的萌生、扩展过程与CT试验观测到的过程具有相似性,数值计算的荷载-位移曲线与物理试验具有一定程度的一致性。混凝土接触面模型克服了随机骨料模型中的界面层太厚,计算单元多,计算速度慢的弊端,且解决了原模型裂纹空洞区大的问题,不仅可以较好地使混凝土数值模型更接近于实际物理模型,而且大大提高了计算速度。

损伤模型接触面单元在有限元计算分析中的应用

简要介绍了接触面损伤模型 ,推导了接触面单元的有限元格式 ,编制了平面和轴对称问题有限元计算程序 ,对土与结构相互作用问题进行了有限元分析。对单个接触面单元进行了有限元计算 ,与损伤模型理论解比较 ,验证了计算程序的正确性。对不同边界约束条件的土工织物拉拔试验和桩土相互作用问题进行有限元计算 ,对接触面非线性模型和损伤模型的计算结果进行比较。计算结果表明 ,损伤模型能够反映土与结构物接触面剪切过程中的应变软化和剪胀特性 ,较非线性弹性模型接触面单元有显著的优越性 ;土体与结构物刚度、边界约束等条件对土与结构相互作用有明显的影响 ,这些影响在桩基础、加筋土与周围土体相互作用等问题的研究中必须加以考虑。