考虑剪胀效应的各向异性本构模型及其在圆柱扩孔中的应用

自然沉积场地中的超固结黏土兼具各向异性与剪胀性质,但能同时准确描述上述特性的本构模型较少,而能将模型应用于土体的柱孔扩张分析就更为少见.为此,做了三点工作:(1)在超固结黏土UH模型基础上,引入随超固结度变化的变相应力比,并利用非相关联流动法则反映受超固结度影响的剪胀特性;(2)采用修正的旋转硬化规则,利用塑性应变增量来驱动屈服面及塑性势面的转轴,使之反映初始各向异性以及循环加载下应力诱导各向异性特性.并采用基于SMP准则的变换应力方法来得到三维修正UH模型;(3)提出了一种自相似性模拟土体柱孔扩张方法.实测数据表明,在剪切加载下正常固结或者轻微超固结黏土处于体积收缩变形模式,而中度超固结则处于先剪缩后剪胀的变形模式,重度超固结黏土则是完全剪胀变形模式.K0固结黏土则表现为更高的剪切刚度以及稍高的残余强度,所提模型能够描述上述的剪胀规律以及各向异性特性.采用所提修正UH模型的三维本构方程及自相似性方法,分析了考虑超固结度以及K0固结条件下柱孔扩张过程中的土体应力场分布状态,并通过一系列各类型黏土的室内试验以及现场原位测试试验与所提模型及解析解方法的预测进行对比,验证了所提模型及解析方法的合理性及适用性.

K_0固结软黏土的弹黏塑性本构模型

在修正剑桥模型基础上综合考虑了软黏土的各向异性及率相关性,建立了适用于K0固结软黏土的弹黏塑性本构模型。模型借鉴过应力理论的基本思想,定义了与动态加载面相对应的参考屈服面,应用径向映射准则将两者联系起来,流动函数通过分析一维情况下土体的体积蠕变速率得到。以黏塑性体积应变为硬化参数,将一维情况扩展到三维应力状态,直接用次固结系数描述土体黏性强弱,所有参数可通过压缩试验及三轴不排水剪切试验得到。分别计算了代表性等向和K0固结黏土的三轴不排水等应变率加载、不排水剪切蠕变及蠕变破坏过程,与试验结果进行对比,验证本文模型的有效可行性。

各向异性砂土K_0试验研究

静止土压力系数K0是岩土工程分析计算中的重要力学参数之一。实际工程中墙后填土由于碾压都具有不同程度的各向异性。制备了不同沉积方向的砂土试样,通过三轴排水剪切试验研究了砂土的各向异性。在研制应变路径试验设备的基础上给出了静止土压力系数的测量方法,研究了不同沉积方向对于K0的影响,并将试验测得的静止土压力系数与Jaky公式以及土压力离心模型试验结果进行了对比,离心模型试验结果与材料单元试验结果一致,证明了测量方法的有效性及结果的正确性。研究结果表明,各向异性条件下的K0值比各向同性时明显偏大。

K_0固结饱和土柱孔扩张问题弹塑性分析

采用K0固结各向异性土体本构模型,将柱孔扩张后周围土体分为弹性区和塑性区,根据柱孔扩张理论和边界条件,推导出K0固结状态下饱和天然土体柱孔扩张问题弹塑性区的应力、塑性区半径以及超孔隙水压力的理论解答。同时,通过算例与修正剑桥模型解答进行对比分析,结果表明,土的不同初始固结状态对柱孔扩张后孔周围的应力和超孔隙水压力产生很大影响,采用考虑K0固结诱发各向异性土体本构模型所得到的应力和超孔隙水压力解答大于修正剑桥模型的解答,但塑性区影响半径却明显小于后者。

K_o固结粘土各向异性不排水剪强度研究

在三维各向异性弹塑性本构关系基础上，求解不排水条件和破坏条件，导出各种不同试验条件下K0团结粘土的各向异性不排水剪强度表达式。对常规超固结比定义下的不排水剪强度进行研究，将理论计算结果与试验结果进行比较，验证所提理论的合理性。

初始应力各向异性土的弹塑性模型

剑桥模型沿球应力轴 ( p轴 )等向塑性体变硬化 ;在日本广泛采用的关口—太田模型沿初始固结线 (K0 线 )不等向塑性体变硬化。三轴试验数据表明 :自K0 状态向伸长方向剪切时 ,前者方法计算的体积应变偏小 ,而后者方法计算的体积应变偏大。作者提出一种介于上述两者之间、考虑初始应力各向异性 (如K0 固结 )的不等向塑性体变硬化弹塑性模型。为了使模型在三维应力下较好地反映土的强度和变形特性 ,模型的剪切屈服准则使用SMP准则。模型的土性参数与剑桥模型一样 ,其预测值与粘土实测值的比较表明 ,提出的模型是简单合理的 。

基于变换应力方法的各向异性模型三维化

各向异性模型的三维化较各向同性模型更加复杂,如果采用g(θ)方法进行各向异性模型的三维化,会出现诸如屈服面不连续、内凹的现象。但如果采用变换应力方法,既能保证各向异性屈服面的连续光滑,又能使各向异性模型的临界状态面与强度准则相一致。采用基于SMP准则的变换应力方法,实现了初始应力各向异性化的修正剑桥模型的三维化,确定了三维化模型的塑性因子和塑性流动方向,并给出了应用于有限元计算的切线刚度矩阵。通过试验数据和预测结果的对比,表明变换应力方法三维化的各向异性模型能够较合理地反映K0固结土的强度和变形特性。

K_0固结软土的循环剪切特性及其流变模拟

对原状温州黏土进行了三轴不排水循环剪切试验,系统分析了黏土在循环剪切过程中应变和孔压的累积特性以及加载频率的影响。考虑到天然黏土不等向固结历史的影响,试验土样在循环剪切前均先K0固结至原位应力状态。研究表明,对于K0固结软黏土,以剪应变累积曲线出现拐点作为循环破坏标准较为合适,此拐点对应的单幅破坏峰值剪应变εs,tp大小基本恒定为3%,与加载频率、循环偏应力幅值等因素无关;循环荷载幅值一定时,荷载持续时间t对黏土的循环剪切性状起控制作用,可综合反映加载频率和振次的影响。根据黏性不排水循环累积效应与静力蠕变过程的相似性,按静力蠕变等效的思路,采用建立的各向异性弹黏塑性本构模型对其进行模拟分析,并通过试验验证了此流变等效方法的有效性。

k_0固结条件下淤泥土排水蠕变特性研究

利用室内试验研究土体蠕变特性时,因受试验条件限制较少开展土体的排水蠕变特性试验研究。对于先还原土体的先期固结条件,然后再开展土体的三轴排水蠕变特性试验的研究更少。为此,以淤泥土为研究对象,通过k0固结三轴排水蠕变试验探讨了饱和淤泥土在轴向加载和侧向减载条件下的排水蠕变特性。由试验数据可知：排水条件下,两种应力路径的轴向蠕变规律基本一致,体积应变明显小于轴向应变,且随时间的延长呈现一定程度的剪缩与剪胀交替性。首次利用三单元力学模型推测出淤泥土的蠕变起始时间为施加偏应力荷载后的100~200 min之间。提出淤泥土蠕变系数的概念并总结其变化规律,得知淤泥土的蠕变系数与偏应力水平密切相关,即不论围压及加载方式如何,蠕变系数均随应力水平增大而增大,且基本呈直线关系,而与前期固结围压大小、蠕变荷载施加方式关系不大。最后提出了淤泥土蠕变本构模型建立的思路,即用南水双屈服面模型描述瞬时变形量和用蠕变经验公式描述蠕变变形量相结合的方式来建立蠕变本构模型。

考虑诱发各向异性的花岗岩残积土硬化土模型参数研究

通过花岗岩残积土在原位有效自重应力下的固结(简称K0固结)排水三轴剪切试验和三向等压固结排水三轴剪切试验,分析诱发各向异性状态对花岗岩残积土硬化土模型(HS模型)参数的影响,并探讨K0固结排水三轴剪切试验所得HS模型参数在花岗岩残积土基坑工程数值分析中的适用性.研究结果表明:诱发各向异性对花岗岩残积土HS模型参数产生影响,诱发各向异性状态下的花岗岩残积土HS模型参数应用于实际基坑工程的数值分析可获得更加准确的预测结果.

K_(0)固结饱和黏土中打桩对邻近桩影响分析

动力打桩过程可能会引起既有桩基产生较大位移,进而影响建筑物安全稳定。本文在K;固结各向异性本构模型的基础上,推导了桩周土体破坏区和塑性区的半径计算方法,建立了打桩引起周围土体应力和超孔压的理论计算公式。在此基础上,以最小能量原理为理论依据,将超孔压视为外荷载,提出了其在向周围土层的传递方式,并在半无限空间体内推导了其对周围土体径向应力的影响,并结合天津典型软土对研究成果进行了分析。研究结果表明:建立的柱孔口扩张弹塑性理论计算结果与既有方法基本一致,超孔压在塑性区沿径向衰减速度明显较大;当桩间距较小时,打桩会使邻近已打设刚性桩产生较大水平位移。

基于桩周土体固结的静压桩承载力时效性研究

基于静止土压力系数K_0固结饱和原状土体超静孔隙水压力消散的解析解,根据沉入低渗透性饱和土体中静压桩承载力与超静孔隙水压力消散程度的相关性,得到其在沉桩后不同休止时期极限承载力的理论解,实现静压桩在任意休止时间承载力的预测。与其他解不同,该理论解采用更符合天然土体实际工作性状的K_0固结土体弹塑性模型,能够考虑不等向固结和应力等多种因素影响,并同时考虑桩侧和桩端土体固结对静压桩承载力时效性的贡献。工程实例分析结果表明:沉桩施工所产生的超静孔隙水压力、不同时间的消散值以及不同休止时间承载力的实测值与理论值较吻合,证明解的合理性。

K_0固结饱和土体柱孔扩张问题一种相似解法

采用能够考虑原状土体实际K_0固结特性弹塑性本构模型的屈服面方程为屈服准则,根据柱孔扩张基本平衡方程和相似解方法,对处于天然状态下的饱和土体柱孔扩张问题进行求解,推导出从零初始孔径柱孔扩张问题在小应变情况下塑性区的有效应力、超静孔隙水压力半解析解答。同时,通过算例对比分析表明:饱和土体在柱孔扩张后其塑性区超静孔隙水压力沿径向呈衰减趋势变化,其大小随着超固结比的增大而增大,孔壁周围土体有效应力下降明显,随着超固结比的增大,有效应力的减小趋势有所降低;考虑K_0固结影响的本文解答所得到的超静孔隙水压力大于修正剑桥模型的解答,扩孔完成后其周围土体有效应力下降大于后者。

饱和黏土中静压桩桩周土体强度时效性分析

天然饱和黏土中静压桩在沉桩过程中对土体造成巨大的挤压,致使桩周土体产生较高的超孔隙水压力,沉桩结束后随着桩周土体的逐渐固结,土体强度表现出明显的时效性.为研究饱和黏土中静压桩沉桩后桩周土体强度的变化规律,基于K0-MCC模型并考虑了土体初始各向异性与诱发各向异性对桩周土体强度的影响,推导出柱孔不排水扩张后桩周土体应力及超孔压的解答,并根据轴对称固结理论推导了静压桩桩周孔压消散的理论解答.在此基础上,考虑桩周土体在固结过程中的松弛效应,对沉桩结束后桩周土体强度的时变效应进行了解析,并通过离心机模型试验验证了该解答的合理性.结果表明,该解答能够较为合理地预测沉桩结束后桩周土体强度与超孔压的变化规律,而土体超固结比、静止侧压力系数和土体有效内摩擦角等因素对桩周土体强度变化存在一定的影响.饱和黏土中静压桩的承载力具有时效性,静压桩周土体强度时变规律的解答能够为静压桩时变承载力的计算提供理论依据,具有重要的现实与科学意义.