Effect of structural characteristics distribution on strength demand and ductility reduction factor of MDOF systems considering soil-structure interaction

It is known that structural stiffness and strength distributions have an important role in the seismic response of buildings. The effect of using different code-specified lateral load patterns on the seismic performance of fixed-base buildings has been investigated by researchers during the past two decades. However, no investigation has yet been carried out for the case of soil-structure systems. In the present study, through intensive parametric analyses of 21,600 linear and nonlinear MDOF systems and considering five different shear strength and stiffness distribution patterns, including three code-specified patterns as well as uniform and concentric patterns subjected to a group of earthquakes recorded on alluvium and soft soils, the effect of structural characteristics distribution on the strength demand and ductility reduction factor of MDOF fixed-base and soil-structure systems are parametrically investigated. The results of this study show that depending on the level of inelasticity, soil flexibility and number of degrees-of-freedoms (DOFs), structural characteristics distribution can significantly affect the strength demand and ductility reduction factor of MDOF systems. It is also found that at high levels of inelasticity, the ductility reduction factor of low-rise MDOF soil-structure systems could be significantly less than that of fixed-base structures and the reduction is less pronounced as the number of stories increases.

高速铁路土工格栅加筋膨胀土边坡作用机制

土工格栅加筋处治是解决膨胀土边坡问题的关键技术。为深入研究格栅与膨胀土相互作用机制,依托南宁铁路改柳南线工程,开展加筋设计及格栅抗拔稳定性计算。将考虑膨胀土侧向膨胀影响及格栅反包约束作用的设计方案应用于实际工程中,并通过预埋设的监测元件,对自然降雨−蒸发气候下加筋边坡的含水率、应力、位移及格栅应变的变化特征进行长期监测。研究结果表明:在考虑侧向膨胀及格栅约束的影响下,土工格栅的抗拔稳定安全系数仍满足规范要求。基于监测数据发现,受大气环境影响,体积含水率的波动幅度由浅至深逐渐减弱;格栅应变变化趋势与土体应力变化趋势基本一致,随季节性干湿气候呈“波浪”式变化;靠近坡面土体受大气干湿循环的影响更为显著,对降雨入渗敏感,其土工格栅应变变化迅速,峰值出现时间早;格栅应变峰值远小于格栅允许拉应变,且边坡累积水平位移量较小,表明加筋边坡滑移破坏风险较低;在降雨过程中,格栅对边坡土体施加弹性约束,允许坡面发生一定程度的膨胀,释放坡体因增湿产生的膨胀势,从而避免边坡因侧向应力增大形成渐进式滑坡,体现了土工格栅加筋膨胀土边坡“以柔治胀”的作用机制。研究成果可为高速铁路膨胀土边坡的土工格栅加筋设计与施工提供理论和技术支撑。

高摩阻超静定土工格栅在粗粒土夹层中的剪胀作用研究

在加筋土工程中,采用异型格栅和设置粗粒土夹层可以有效增强筋土相互作用。然而粗粒土夹层厚度的确定方法仍有待进一步研究。基于一种带有凸起节点结构的高摩阻超静定土工格栅(high resistance hyperstatic geogrids,简称HRHG)与砾石的直剪试验结果,建立了剪切硬化筋土界面的剪胀本构模型,并进一步研究了筋土剪胀应力在土体内引起附加应力的分布规律。通过开展不同法向压力(30、50、80 kPa)下的直剪试验,研究了不同粗粒土夹层厚度(60、100、140、180 mm)对筋土相互作用的影响,并与筋土界面剪胀应力的分布规律进行了对比分析。结果表明,筋土界面剪胀本构模型可以有效计算剪缩位移和剪胀位移,且最终剪胀位移随法向压力增加而减小。由界面剪胀应力引起的粗粒土中附加应力随着与筋土界面距离的增加而降低,但是剪胀范围逐步增大。粗粒土夹层厚度的增加可以有效提高界面剪切强度,但存在最优夹层厚度使界面剪切强度的增幅迅速降低。最优夹层厚度随着法向压力的增加而减小。通过对比分析最优夹层厚度与剪胀应力比之间的关系,提出了基于筋土界面剪胀本构模型的确定最优夹层厚度的半经验公式,可为HRHG在工程中的设计或应用提供参考。

基于响应面法的复合改良膨胀土无侧限抗压强度研究

为提高膨胀土的无侧限抗压强度,降低工程危害。在木质素改良膨胀土的研究基础上,通过单因素试验研究纤维长度、纤维掺量及木质素掺量对膨胀土抗压强度的影响规律,基于单因素试验结果,通过BBD (BOX-Behnken design)响应面设计法进行响应面试验,建立二次回归模型,研究了双因素交互作用对膨胀土无侧限抗压强度的影响。结果表明:单因素作用时,膨胀土无侧限抗压强度在各因素作用下均呈现先增大后减小的趋势;双因素交互作用时,木质素掺量和聚丙烯掺量二者交互作用显著性最好。由BBD响应面法得到的最优组合为:聚丙烯纤维长度为9 mm、纤维掺量为0.3%、木质素掺量为3%,该变量下平行试验组的平均抗压强度为552.48 kPa,相比于素膨胀的抗压强度提升了76.97%,可见此方案下对素膨胀土的无侧限抗压强度提升效果最好。研究成果为新乡地区弱膨胀土的改良提供了借鉴,为复合改良土的试验设计提供了新思路。

浅层膨胀土及其纤维改良土的剪切强度特性

与膨胀土工程灾害密切相关的浅层膨胀土受到的围压通常较低,其力学特性有别于高围压下的情形.通过三轴剪切试验比较高、低围压下膨胀土的剪切行为及剪切强度的非线性特征,探讨聚丙烯纤维改良浅层膨胀土的剪切特性及加固机理.结果表明,浅层膨胀土剪切强度具有明显的非线性,可用幂函数表征.随着土体中水的质量分数增大和围压减小,膨胀土剪切强度非线性更加明显.采用高围压下的抗剪强度参数试验结果会导致浅层饱和膨胀土的黏聚力被高估225.7%、内摩擦角被低估42.5%.掺入纤维后膨胀土的剪切强度明显提高,提升幅度与土体中的三维纤维网状结构的形成度有关.增大纤维长度可以有效降低剪切强度衰减率,继而消弱膨胀土的应变软化效应;过长的纤维在膨胀土内容易弯曲和扭折,会导致纤维-膨胀土界面作用随着土体变形而逐渐劣化.

加筋花岗岩残积土抗剪强度的试验与机理分析

花岗岩残积土是中国东南部沿海地区工程建设中常见的土体,采用加筋土技术对高填方边坡能很好地提高其整体稳定性与土体的抗剪强度。首先通过直剪切摩擦试验研究了筋-土界面的摩擦特性;然后在不同加筋层数及不同干密度情况下,对花岗岩残积饱和土和加筋饱和土分别进行了三轴固结排水剪切试验,探究不同干密度、不同加筋层数情况下的加筋效果。试验与机理分析表明:不同加筋层数的试样对应的规格化强度系数都大于1,这说明在土体中加入筋体能有效地提高抗剪强度,减少土体的变形。随着加筋层数的增加,规格化强度系数增加,说明加筋层数的增加能提高加筋效果,但两层加筋的规格化强度系数与一层加筋相比并不是线性增加,第二层加筋效果有减弱的趋势;随着干密度的下降,规格化强度系数上升;随着围压的增加,加筋土的规格化强度系数降低。土工格栅主要通过提高土体黏聚力来提高土体抗剪强度,导致土体的黏聚力显著地提高,而对内摩擦角的影响却不大;通过理论计算结果与测试结果对比,验证了准黏聚力增量公式的合理性,且第二层加筋对准黏聚力增量的贡献相对较小。

级配对粗粒土-格栅界面循环剪切特性影响试验研究

【目的】为研究级配对粗粒土-土工格栅界面动力剪切特性的影响规律,【方法】基于连续级配方程,通过改变试样的最大粒径d_(max)和级配面积S,制备了18组不同级配试样,对各组试样分别进行设置土工格栅和不设置土工格栅的循环直剪试验,分析d_(max)和S对界面循环剪切特性的影响,并引入了加筋剪切刚度系数α_(K)和加筋阻尼比系数α_(D),来评价土工格栅对动剪切强度参数的影响效果。【结果】结果显示:当小于格栅网孔尺寸的粗粒含量较高时,剪切刚度K随着d_(max)的增大而增大,阻尼比D随着d_(max)的增大而减小;反之,则表现出相反的趋势。K和D均与d_(max)呈对数函数关系;K和D与S的关系均可用二次多项式表示。此外,给出了α_(K)和α_(D)与粒孔比的关系,即随着粒孔比的增大,α_(K)先增大后减小,α_(D)呈先减小后增大的规律。当粒孔比取0.073左右时,土工格栅对粗粒土循环剪切特性的加筋效果最好。【结论】结果表明:颗粒与土工格栅间的互锁机制对粗粒土-格栅界面的循环剪切特性有重要影响,当大部分颗粒粒径小于格栅网格尺寸时,颗粒与格栅间的互锁机制充分发挥;当颗粒最大粒径及格栅网格尺寸相同时,存在一个最优级配面积,使得粗粒土-格栅界面的抗震性能最好。

土体强度折减对海上升压站结构抗震设计的影响

通过有限元非线性时程分析,对比API规范法与考虑土体强度折减作用后某海上升压站桩基及上部平台结构的水平向应力与变形等主要设计指标,结果表明,考虑土体强度折减后,土体对于桩基的水平向约束力减弱,单桩的变形与受力均出现大幅增加,且上部结构的整体水平运动特征更为显著,使用API规范计算上部平台结构的应力结果偏保守,建议在海上升压站的桩基础设计时根据场地土的特性选取土体强度折减模型并着重校核桩基础的关键设计指标。

含水率对残积土与土工织物界面剪切特性的影响

为探究不同影响因素下残积土与土工织物界面的剪切特性,采用气动直剪仪对土工织物加筋残积土试样进行直剪试验。考虑含水率、剪切速率、竖向应力等因素,分析不同剪切速率和竖向应力下含水率对残积土与土工织物界面剪切特性的影响。试验结果表明:在同一含水率情况下,筋土界面的抗剪强度与竖向应力成正比,在含水率为17%时,竖向应力50 kPa的抗剪强度从53 kPa分别增加到84 kPa(100 kPa)、151 kPa(200 kPa);随着含水率的增加,界面似黏聚力显著降低,筋土界面抗剪强度减小,而界面摩擦角无明显变化。剪切速度主要影响筋土界面摩擦角,筋土界面抗剪强度随着剪切速率的增大而增大;且在高剪切速率、低含水率情况下,筋土界面的剪缩现象在达到一定剪切位移后有所缓解,最后趋于平稳。

纤维掺量对花岗岩残积土剪切特性的影响

为探究纤维掺量对花岗岩残积土的剪切特性的影响,采用气动直剪仪对纤维加筋花岗岩残积土试样进行直剪试验。考虑纤维掺量、剪切速率、竖向应力等因素,分析不同剪切速率和竖向应力下纤维掺量对花岗岩残积土剪切特性的影响。试验结果表明:竖向应力为300 kPa时,与未掺纤维相比,纤维掺量分别为0.3%、0.6%、0.9%时,剪切强度分别增加了23%、46.1%、79.2%,即掺加纤维对花岗岩残积土剪切强度有明显的增强作用。内摩擦角随着纤维掺量的增加而增大,黏聚力随着纤维掺量的增加而增加。低竖向应力下,土样先剪缩再剪胀;高竖向应力下,土样只发生剪缩。在低速剪切的情况下,剪切速率对花岗岩残积土的剪切强度特性影响较小;剪胀程度随剪切速率增加而增强。

水土化学作用对离子型稀土矿体抗剪强度参数的影响机理

为研究水土化学作用对离子型稀土矿体抗剪强度的影响,将矿体分别浸泡于不同浓度的硫酸铵溶液中,明确硫酸铵浓度对矿体颗粒表面双电层中滑动层厚度和矿体颗粒间净作用力的影响,由此探讨了硫酸铵浓度对矿体抗剪强度参数的影响机理。研究表明:当硫酸铵溶液浓度由0.08 mol/L增大到0.23 mol/L时,矿体颗粒间最大净引力的绝对值由10.44 atm增加到13.20 atm,矿体中的黏粒和细粉粒逐步团聚成粗粉粒、极细砂和细砂,且硫酸铵浓度越高,黏粒和细粉粒团聚成的大颗粒团越多,黏性颗粒间的接触面积由0.089 m^(2)/g减小到0.052 m^(2)/g,故矿体的黏聚力减少;同理,当硫酸铵浓度由0.08 mol/L增大到0.23 mol/L时,矿体颗粒表面双电层中的滑动层厚度由3.12 nm减小到2.25 nm,矿体颗粒表面的双电层厚度减小,矿体颗粒间直接接触面积增大,且矿体中的黏粒和细粉粒逐步团聚成粗粉粒、极细砂和细砂,则矿体的滑动摩擦强度和咬合摩擦强度均增大,即矿体的摩擦强度增大,矿体的内摩擦角增大。

土体强度分区各向异性对边坡稳定性影响研究

土体强度各向异性的空间分布会随边坡受力状态变化出现一定程度的重新调整。文中以石人足成层土边坡工程为研究对象,首先,根据土体最大主应力方向角以及土层几何特征进行初始分区划分,并结合数值分析结果确立各向异性强度参数方程,计算各分区土体强度参数;其次,根据计算结果对初始分区进行即时调整,确定调整后的耦合分区并再次计算其土体强度参数;最后,考虑土体强度各向同性和分区各向异性,建立了流固耦合数值计算模型,研究了边坡体渗流、位移和应力的演化特点,确定了加固前后边坡稳定性系数,分析了该边坡工程采用挡土墙和抗滑桩联合加固的效果。结果表明:考虑分区各向异性计算所得边坡平均应力最大值大于各向同性,但其渗流域和流速均小于后者;考虑分区各向异性时,坡体位移理论计算结果与现场监测结果更吻合。

管道结构垂向——侧向耦合管土作用机理性试验研究

钢制悬链线式立管的触地段与海床会发生频繁的相互作用,对管道的安全性影响很大。首先探索干土环境下管土作用的机理有助于更好地理解真实海况下管道—湿土作用规律。试验测试是研究管土作用最可信最直接的手段。进行了垂向及侧向管土作用机理性试验,根据土体抗剪强度验证了试验中相互作用机理与管道尺寸的无关性。研究了不同运动速度对土体反力的影响,发现运动速度对垂向及侧向管土作用均存在一定的放大效应,而垂向低速工况下放大效应不明显;接着分别研究了垂向与侧向管土作用的规律,分析了土体反力变化的成因,最后针对管土垂向—侧向的耦合效应进行研究,发现不同的垂向深度会极大地影响侧向管土作用。为后续的管道—含水土体相互作用试验奠定基础,也可为陆上管土作用相关研究提供参考与建议。

劲性复合桩挤土效应及承载力作用机制研究

劲性复合桩施工工艺复杂,为了明晰其成桩过程中的挤土效应及荷载传递机制,开展了劲性复合桩挤土效应试验、静力触探试验研究,描述了劲性复合桩成桩过程中桩周土体孔隙水压力、总应力、有效应力的变化情况,探讨了劲性复合桩承载力形成机制。试验结果表明:劲性复合桩挤土效应沿桩径方向逐渐减小,沿桩长方向逐渐增大;在劲性复合桩成桩过程中,周围土层的有效应力增长了12%~63%,桩侧摩阻力也因此显著提升;锥尖阻力、侧壁阻力则分别提高了13%~84%、8%~97%。同时,劲性复合桩通过多种不同强度材料的组合,沿桩径方向依次形成了承载力递减的4个受力构件,实现了比常规桩基均质材料更好的承载效能,本质上是契合了桩顶荷载沿桩径方向、桩长方向引起的桩身剪切应力、压缩应力均会逐渐衰减的特性,这也是劲性复合桩显著经济优势的来源。

黄土场地水平受荷桩的应变楔计算方法改进

应变楔方法是一种能较好地考虑桩土相互作用和土的非线性本构关系的水平受荷桩理论计算方法,桩-土相互作用模式和土的本构关系是应变楔方法研究的切入点和难点。在已有应变楔模型的研究基础上,结合结构性黄土联合强度,将黄土的抗拉强度引入应变楔法计算中,对桩前应变楔土体的水平应力增量Δσh、发挥摩擦角φm和桩侧剪应力τ做出改进,并通过算例验证了改进计算方法的适用性。计算结果表明:改进计算方法适用于黄土场地水平受荷桩的计算,迭代算法和流程可靠;考虑黄土抗拉强度的水平应力增量Δσh和桩侧剪应力τ的计算值略微偏小,发挥摩擦角φm的计算值会略微偏大,导致考虑黄土抗拉强度的桩顶位移和桩身弯矩最大值比不考虑黄土抗拉强度的计算值略微偏小,但和现场试验实测结果基本一致。

UHC管桩在200m超高层建筑中的应用

超高层建筑荷载较大,较少采用预制桩。本文在长沙某住宅项目中,通过系统的地基、单桩和桩筏载荷板试验、施工措施改进和三维数值分析,将UHC超高强预应力管桩成功应用于200m超高层住宅建筑,为相关工程提供了宝贵的经验。研究发现,相对于桩筏载荷试验结果,通过地基土载荷试验和单桩载荷试验分别得出的地基土和桩基刚度是偏于保守的,但满足工程设计需求;UHC管桩在圆砾层或残积含砾粉质黏土层中沉桩难度较大,可采用长螺旋引孔、重锤低击等方式确保有效桩长;采用小应变硬化土的三维数值分析模型计算表明,超高层沉降和倾斜率满足设计要求;沉降监测数据显示,建筑物最终沉降约为1cm,表明了在超高层建筑中采用UHC管桩的桩土共同作用方案是切实可行的。

格栅-土界面抗剪强度模型及其影响因素

采用四种格栅(单向、双向和三向)和两种填料(黏土、砂砾石)为试验材料,开展了一系列的大型直剪试验,研究了格栅类型和填料类型、压实度、含水率及剪切速率五个因素对格栅-土界面强度特性的影响规律,并且建立了能够分别对格栅中的横肋-土和纵肋-土界面强度进行单独量化评价的模型,对比分析了同种格栅中纵肋和横肋力学机理以及不同型格栅横肋对抗剪强度贡献的大小。结果表明:(1)对于砂砾石填料,格栅-土界面的似黏聚力从大到小依次为:三向格栅、双向格栅、纵肋较短的单向格栅和纵肋较长的单向格栅,而界面内摩擦角近似相等;(2)填料压实度和剪切速率的增大会分别引起格栅-砂砾石界面似黏聚力和内摩擦角的增大;(3)格栅-砂砾石界面的似黏聚力和内摩擦角都明显大于格栅-黏土界面,而且格栅-黏土界面似黏聚力和内摩擦角随着填料含水率的增大而显著降低;(4)单向格栅的横肋对筋-土界面抗剪强度的贡献要远大于双向和三向格栅的横肋,而且也明显大于其格栅网孔内砂砾石本身的抗剪强度;格栅纵肋-砂砾石界面的抗剪强度能够较好地符合摩擦定律,但其贡献的抗剪强度最小。

动载作用下土工格栅加筋土计算模型的研究

本文在前人工作的基础上提出了在动力荷载作用下土工格栅与土相互作用的有限元分析模型 ,该模型采用非线性弹簧 阻尼延迟器 质量块系统模拟土工格栅纵肋、横肋与土动力相互作用 ,采用集中刚度法形成总刚 ,可用来研究加筋土在动载作用下的变形特性 .非线性弹簧的刚度、阻尼延迟器的阻尼比可以通过振动台试验获得 .基于该模型编制了加筋土的动力有限元分析程序 ,有限元分析结果与实测值一致 ,表明了计算模型和分析程序的正确性 .

交通荷载作用下土工格栅加筋路基的弹塑性分析

基于所提出的土工格栅与土动力相互作用有限元分析模型和分析程序 G- D,对在路面下铺设土工格栅的道路模型和不加筋道路模型进行动力响应对比分析 ,研究在交通荷载作用下加筋路基位移和加速度响应特性和土工格栅与土的相互作用对加速度的影响 ,以揭示土工格栅的加筋机理和效果。

试验条件对土工格栅与膨胀土界面拉拔性状的影响

采用高密度聚乙烯(HDPE)单向土工格栅,以及南水北调中线工程新乡段的膨胀性泥灰岩风化土,在填土尺寸为600 mm×600 mm×600 mm的大型叠环式剪切试验机上进行一系列拉拔试验,研究了土工格栅与试验箱侧壁距离、拉拔速率、上覆荷载大小等试验条件因素对筋土界面拉拔性状的影响。结果表明:不排水条件下,土工格栅与试验箱侧壁的距离,对峰值拉拔力、界面强度与切向刚度的影响不大;拉拔速率较大时,拉拔力增长较快,其拉拔力峰值和界面强度较大;上覆荷载和拉拔力不同,格栅的变形量及筋土相对位移量不同,不同上覆荷载下界面摩阻力沿格栅埋入长度分布的非均匀程度不同,并可导致较小上覆荷载下界面平均摩阻力反而较大的反常行为。