5种排水条件下饱和重塑黄土三轴剪切特性

为了深化对工程实践中黄土排水状态和影响的认识,通过三轴剪切试验控制应变增量比研究了饱和重塑黄土在不排水、强制吸水、自由排水、强制排水、部分排水5种排水条件下的剪切特性。结果表明,饱和重塑黄土的剪切特性与排水条件密切相关:在不排水和强制吸水条件下,黄土试样表现为应变软化,从广义上讲,在强制吸水条件下试样的剪胀性被强制发挥;在自由排水和强制排水条件下,黄土试样表现出硬化趋势,其中,在强制排水条件下试样的剪胀性受到抑制;在部分排水条件下,黄土试样为应变软化或应变软化到硬化的过渡状态,此时,黄土的剪切特性不仅与应变增量比有关,也受到孔隙比的影响,应变增量比越接近0,试样的软化程度越明显,而试样的孔隙比越小,其在剪切初始阶段的剪胀趋势越明显,试样的峰值强度和残余强度越高。另外,基于渐近状态方程和剪胀方程,量化分析了饱和重塑黄土的渐近状态和剪胀性,发现试样的渐近状态应力比与剪胀程度呈负相关关系。

基于最大剪应变增量的边坡潜在滑动面搜索

滑动面位置和形状的判断是影响边坡地基稳定性分析合理性的主要因素,合理地确定滑动面的位置和形状是边坡地基稳定性分析首先要解决的问题。由岩土工程常用的Mohr-Coulomb度理论可知,岩土体破坏是由于某一面上的剪应力达到了岩土体的剪切强度,此时剪切面上必然发生较大的剪切变形,因此可以通过搜索最大剪应变增量的位置来确定边坡滑动面。基于以上思路,综合运用有限差分软件FLAC3D和曲线拟合技术,提出基于最大剪应变增量确定边坡地基潜在滑动面的方法。首先,利用有限差分软件FLAC3D计算极限状态时边坡内的应力、应变,在计算剖面中设置一系列的垂线,利用FISH语言编制程序搜索垂线上剪应变增量最大位置的坐标,以获得滑动面上的离散点坐标。然后,通过最小二乘的方法对离散点进行曲线拟合,得到滑动面的形状和位置。通过与极限平衡法的对比分析,验证文中方法的合理性。文中方法的判断标准物理意义明确,简便实用,且克服了对网格的依赖性。

平面应变含缺陷岩样变形破坏全过程数值模拟

采用拉格朗日元法(FLAC)研究了左边界有缺陷的压缩岩样剪切带的启动及演变规律,峰后本构关系采用线性应变软化模型.计算结果表明,在应力-时步曲线峰值之前,剪切带首先出现在缺陷附近,直到贯通试样右边界;在剪切带传播过程中,塑性区沿切向及法线向外扩展;剪切带内部单元的剪切应变率-时步曲线经历了稳定、线性上升和非线性上升3个阶段.然而,剪切应变增量随时步持续增加.剪切带倾角接近于Arthur倾角,表明数值计算结果是可信的.

基于FLAC^(3D)的边坡滑面搜索法及动力稳定性分析

针对边坡动力分析中的滑面搜索及稳定性定量评价,基于FLAC3D弹塑性分析,提出一种剪应变增量搜索边坡滑面的方法,并用矢量和方法计算安全系数,采用FLAC3D的内置FISH语言,实现地震动力时程中滑面自动搜索和动力安全系数计算,即变滑面动力稳定分析。算例表明,该方法计算结果与强度折减法、刚体极限平衡法所得结果非常接近,并成功用于卡拉水电站上田镇滑坡体动力稳定性分析,表明所提方法的有效性和优越性。

列车振动荷载作用下某岩质边坡应力应变动力响应分析

以某高速铁路隧道进口边坡为研究对象,采用FLAC3D软件分析了列车振动荷载对该边坡岩体的应力、变形及稳定性的影响。数值模拟结果显示,在列车振动荷载作用下,隧道两侧及底部最大、最小主应力均产生集中现象,最大主应力较自重应力场下增加1～2MPa,最小主应力较自重应力场下增加0.5～1MPa;隧道顶部最大、最小主应力均与自重应力场下基本一致;隧道进口边坡总位移增量最大值区域主要分布在边坡顶部及隧道正上方坡顶区域,自坡顶往坡底总位移增量逐渐减小,最大总位移增量约为2.15cm;列车振动荷载将在边坡内地层分界面附近、软弱夹层内、构造结构面附近、开挖面附近形成剪应变增量带,对边坡的稳定性极为不利。

基于剪应变增量的岩质边坡开挖卸荷深度判别

鉴于确定卸荷破坏程度和深度是岩质边坡稳定性分析首先要解决的问题,基于卸荷岩体力学基本理论,提出以岩体剪应变增量确定卸荷分区的方法,将开挖后的岩体划分为剪切变形区、开挖扰动区和应力不变区,并以锦屏水电站缆机平台边坡为例,对开挖过程进行数值模拟计算,通过与卸荷量百分比法的对比分析,验证以剪应变增量为标准判别卸荷深度的合理性,同时表明卸荷破坏程度和深度与岩体结构密切相关,存在结构面的岩体比完整岩体卸荷破坏深度更大。

构造应力场对隧洞围岩应力和变形破坏特征影响的研究

依据某隧洞和实测地应力资料,利用有限差分软件FLAC3D模拟了不考虑构造应力作用和考虑构造应力作用条件下隧洞开挖后围岩的应力和变形破坏特征。结果表明:隧洞开挖后围岩应力出现明显的变化,无构造应力作用时,在隧洞侧壁围岩中出现应力集中;有构造应力作用时在隧洞的顶部和底部的围岩中出现应力集中,且应力集中的区域和量值明显增大。无构造应力作用时,隧洞顶拱和底部处位移和影响深度最大,隧洞围岩变形区域的外边界为竖向"蝴蝶型";有构造应力作用时,侧壁处位移和影响深度最大,隧洞围岩变形区域的外边界为横向"蝴蝶型"。洞室围岩剪应变增量区域的外边界无构造应力作用时近似为竖向椭圆形,有构造应力作用时则为横向椭圆形。研究成果对构造应力区深埋隧洞的稳定性分析以及支护设计具有一定的借鉴意义。

含不同半径孔洞的颗粒体模型的力学行为数值模拟

本文通过编程建立了非连续介质(颗粒体材料)模型,采用FLAC软件模拟了静水压力条件下不同半径的巷道围岩中的剪切应变增量、最小主应力及最大主应力的分布规律。研究表明,随着孔洞半径的增大,呈圆环形的剪切应变增量与最小主应力的高值区的圈数、呈辐射状的最大主应力的高值区的延伸范围及剪切应变增量的最大值都呈先慢后快的增长趋势。模型中最大的拉应力接近于在模型四周所施加的压应力,而最大的压应力约为所施加的压应力的5～10倍。模型内部的剪切应变增量、最小主应力及最大主应力的分布是高度不均匀的。具有较高的差应力的位置与具有较高的剪切应变增量的位置具有很好的一致性。

线性及非线性屈服函数交界处临界应力对隧洞围岩力学行为的影响

利用C++对FLAC中的双线性的莫尔-库仑及非线性的虎克-布朗屈服函数进行了复合,复合后的线性及非线性屈服函数交界处的临界应力对计算结果的影响是一个值得研究的问题。针对圆形巷道围岩的塑性区、应力、位移及剪切应变增量进行了数值计算。计算结果表明,随着临界应力的值的增加,隧洞围岩的塑性区尺寸、被监测单元或节点的剪切应变增量及位移减小;塑性区内的被监测单元的应力增加。这是由于随着临界应力的值的增加,本文提出的非线性本构模型中线性剪切屈服部分的屈服极限提高所致。在高地应力(莫尔-库仑本构模型不再适用)及侧压系数不为1时的计算结果表明,隧洞围岩发生了拉破坏,非线性的虎克-布朗本构模型不能预测出这一点。

竖向地震动对地表最大剪应变的影响

提出以土剪应变幅值增量的变化作为基本指标来反映竖向地震动对土动力特性影响的分析方法,通过数值计算,在对不同地震波平均后,建立考虑竖向地震动与地表最大剪应变幅值相对增量之间的简化计算公式.简化公式中包含了场地类别、竖向和水平峰值加速度比、输入水平加速度峰值和土层厚度等主要影响因素,便于工程应用.同时,依据公式的参数分析表明,地表最大剪应变相对增量与输入水平加速度峰值成指数递增关系,与土层厚度成线性递增关系,与竖向和水平峰值加速度比成抛物线递增关系.

土质边坡动力稳定性试验研究

以云贵高原某典型土质边坡为原型,采用了4种加速度震动波输入模式,设计完成了比例为1:6的小型振动台模型试验,结合FLAC3D数值模拟对边坡动力响应特性和边坡变形破坏规律进行分析。结果表明:当输入加速度低于某个临界值时,整个坡体的加速度响应基本保持一致,各部位放大效应增加不明显,当输入加速度逐渐增加,高于临界值时,坡体的卓越频率得到充分激励,各部位加速度响应大幅增加,此时边坡最易发生变形破坏,且加速度响应沿着坡高方向有显著的放大效应;剪应变增量时程曲线反映出在边坡震动破坏过程中,滑体后缘以张拉为主,中部及下部以剪切为主,而且剪出口剪应变增量的变化尤为关键,其增幅速度直接导致该部位抗剪强度降低速度增快;边坡震动变形破坏模式为崩塌–剪切滑移破坏,变形破坏过程可分为4个阶段。

高煤帮破坏机理及控制技术

针对高煤帮巷道两帮的大变形问题,以霍尔辛赫煤层条件为例,数值模拟分析了其煤帮破坏机理,即在围岩压力下产生压剪破坏,四角形成强剪切区,连接成似"C"形剪切带,上部煤体斜向滑移,在巷帮中部变形最大;采用锚杆锚索联合支护后,剪切应变值及塑性破坏范围均有所减小。根据模拟结果及相关成功工程经验,提出煤帮层次化支护技术,即锚索或注浆锚索配合锚杆支护。在西辅运大巷进行了强力锚杆锚索控制高煤帮的现场试验,监测表明巷帮锚索有效控制了帮部顶角剪切滑移造成的失稳,巷道变形和离层均较小,取得较好支护效果。

以强度增长率评价麦秸秆加筋盐渍土的加筋效果

采用麦秸秆与石灰共同加筋固化滨海盐渍土,可解决由于盐胀、溶陷和吸湿软化引起的土体强度下降问题。首先,制备盐渍土、石灰土、麦秸秆加筋盐渍土和麦秸秆加筋石灰土试样(整体均匀加筋、上部均匀加筋和下部均匀加筋);进而,进行φ50 mm试样、φ152 mm重型击实试样和φ102 mm轻型击实试样的无侧限抗压强度试验,以及φ61.8 mm试样三轴压缩试验;最后,分析抗压强度增长率、主应力差比值和黏聚力增长率的变化规律,以评价麦秸秆的加筋效果。结果表明:①麦秸秆加筋增强了土的抗压强度和抗变形能力。②麦秸秆加筋提高了土的黏聚力,在试样下部加筋,加筋效果更好。③加筋石灰土的强度由麦秸秆和石灰共同承担,加筋石灰土的浸水稳定性来源于石灰的固化作用。④低围压时,加筋对土的侧向变形约束较强;高围压时,加筋和围压共同限制土的侧向变形。采用麦秸秆加筋是滨海盐渍土的一种有效处理方法。

岩土塑性理论中功表达的近似性

对广义剪应力、广义剪应变的表达式作了说明,在给出其增量表达的同时,指出了在计算二者增量时可能产生的误解。在此基础上,分析比较由平均主应力、体积应变增量、广义剪应力、广义剪应变增量表述的功的增量以及由三向主应力与三向主应变增量表述的功的增量得出:两种表述在一般情况下并不一致。但在某些特殊情况下,例如等应力Lode角加载并满足应力全量Lode角与应变增量Lode角相等时,二者的表述一致。岩土塑性理论中塑性功增量存在与功的增量相同的问题,然而对于实际岩土材料,应力全量与塑性应变增量等Lode角的假定在一般情况下是不能满足的。因此在岩土塑性理论中,对于一般情况下的等应力Lode加载情况,用平均主应力、塑性体积应变增量、广义剪应力、塑性广义剪应变增量表述的塑性功增量也只是一种近似。

库水位周期性变化对簸箕石滑坡的影响评价

库区水位变化对于控制库岸斜坡的稳定性具有十分重要的作用,以簸箕石滑坡为研究对象,分析库水位周期性变化对坡体变形的影响。簸箕石滑坡常年受到周期性水位调节的影响,水位的波动比水面平稳时对坡体前缘所造成的侵蚀更严重,坡体的变形也更加复杂化。基于簸箕石滑坡实地巡查,利用FLAC3D软件进行渗流-力学耦合计算,分析了库水位涨落过程中,滑坡体的剪应变及滑动位移规律。结果表明:蓄水之后水位变化对剪应变增量的影响不明显,但剪应变增量集中程度较蓄水之前有所增强;蓄水之后,滑坡的滑动位移随着水位的下降而增大,而水位上升过程中,位移值虽然较下降之后的值有所减小,但上升到一定水位高度之后,滑动位移继续增加。该研究成果对于簸箕石滑坡及此类滑坡灾害的预测预报具有重要的现实意义。

颗粒体材料在压缩位移控制加载条件下的力学行为及界面参数对它的影响

采用连续介质快速拉格朗日分析程序(FLAC),模拟了颗粒体材料在压缩位移控制加载条件下的力学行为及破坏过程。颗粒及它们之间的界面被离散为尺寸相同的单元。颗粒被视为各向同性的弹性材料,而界面被视为弹性-应变软化-理想塑性材料。界面完全破坏之后,其内聚力为零而内摩擦角不为零,因而适于模拟颗粒之间的摩擦行为。在双轴压缩条件下的计算结果表明,压应力通过颗粒之间的接触,以应力线的方式在试样的垂直方向上传递,最终形成了清晰、有序的图案,而剪切应变增量的高值区主要位于一些界面上。从剪切应变增量的高值区中能发现试样中的最薄弱环节。此外,还研究了试样两侧的压应力、界面的初始内聚力及内摩擦角对试样的应力—时步曲线的影响。

分级加载与波浪荷载耦合作用下软黏土动力响应特性

以长江口长兴岛潜堤后方滩涂圈围工程为研究背景,采集堤坝地基土样,根据实际工况应力路径设计不同围压和动静应力组合,对淤泥质软黏土进行动三轴试验,探究地基土在分级施工加载与波浪荷载耦合作用下软黏土应变、孔压特性以及强度弱化特性。研究结果表明:耦合应力加载后土样的应力-应变曲线呈现应变软化和强度弱化特性,分级加载效应可使应变及孔压增量减少,且应变增量、孔压增量与循环振后静强度折减度,均和固结围压、静偏应力比、动偏应力比等因素相关。当动偏应力比相同时,深度较浅土层围压较小,静偏应力比反而较大,其应变与孔压增量越大,静强度衰减越明显。随着动偏应力比增大,土单元的应变增量与孔压增量、强度折减度有不同程度的增大,并且不同深度的差异性较大。在此基础上,分别对强度折减度β、广义综合剪应变γgs及广义综合孔压增量比Δu/σ3进行了量化,并对(γgs-β)及(Δu/σ3-β)相关性进行了探讨。研究结果对于指导具体工程实践具有一定的参考价值。

低剪应力水平主应力轴循环旋转对原状黏土性状影响研究

为研究低剪应力水平主应力轴循环路径可能对黏土性状产生的影响,以杭州地区典型原状软黏土为对象开展试验研究。结果表明,试样在安全极限剪应力水平下进行剪应力恒定的多振次主应力轴循环旋转后(含单幅和双幅旋转),应变及孔隙水压力发展进入动态平衡,瞬时等效刚度和孔隙水压力值主要取决于剪应力中的扭剪应力分量,而轴向应力分量对两值亦有促进作用。进入主应力轴循环旋转动态平衡的试样在卸载后进行后续静态剪切时,应力–应变关系将表现出明显的刚度硬化特征,其中尤以三轴压缩过程中强度发挥程度提前的现象最为显著。同时,由于主应力轴循环旋转导致试样残余应变的积累及结构上的变化,使得试样在后续三轴压缩试验初期产生的主应变增量与主应力增量方向不共轴特性较为明显。但低于安全极限剪应力水平的主应力轴循环旋转未对试样的静态抗剪强度以及临界孔隙水压力产生显著影响。

考虑静压桩挤土应力影响的室内试验研究

通过GDS应力路径三轴仪进行饱和淤泥质粉质黏土的应变保持和剪切试验,模拟静压桩沉桩过程中及沉桩后桩周土体孔隙水压力、有效应力的变化以及剪切模量的变化。研究结果表明:桩周土体的超静孔隙水压力u与应变ε、初始应力σ0有关;最大超静孔隙水压力umax与应变ε之间近似双曲线分布关系;最大超静孔隙水压力umax与初始应力σ0之间、有效应力增量?σa′与初始应力σ0之间近似直线变化关系;剪切模量G_(50)与距桩轴相对距离r/r0之间近似双曲线分布,与深度有关;归一化后的剪切模量G_(50)/G_(50∞)与深度的关系不明显,仅与距桩轴相对距离r/r0有关,7.5倍桩径之外的剪切模量G_(50)不再受到桩贯入的影响。

石家庄太行山区残坡积土滑坡变形破坏机理研究

通过收集石家庄太行山区典型残坡积土地质环境资料,选取高家峪滑坡为研究对象,在分析太行山区典型残坡积土滑坡组构特征、变形成因、发育阶段的基础上,建立滑坡地质模型及数值模型,从滑坡位移、最小主应力、剪应变增量等方面分析滑坡支护前后变形机理。结果表明,切脚后的滑坡坡脚是最不稳定的部位,滑坡剪出口分布在中下部,简易支护后可提高滑坡的整体稳定性,尤其是坡脚位置;滑坡变形可分为蠕动变形、基本稳定、前部失稳坍塌、趋于稳定等4个阶段,在前2个阶段采用可行的支护方案有利于提高切脚滑坡的稳定性。