非饱和土体变试验研究及其在地面沉降中的应用

地下水位降低将导致非饱和土体中净平均应力和基质吸力发生变化,从而引起土体体积变化。针对重塑非饱和砂土、粉土、黏土和软土,结合土水特征曲线和收缩曲线,考察了土体在干燥收缩过程中基质吸力与孔隙比的关系;运用固结曲线分析了土体在经受净平均应力下的变形特性。基于试验结果,根据Fredlund弹性体变本构模型估算了不同的地下水位降低情况时非饱和土区域的沉降量。结果表明,在总沉降量中非饱和土区域的沉降量是不可忽略的,随着地下水位的降低,非饱和土区域的沉降量在总沉降量中所占比例逐渐增大。     

软土等向固结与K_0固结条件下的三轴试验研究

对某软土重塑样分别进行等向固结和K0固结条件下的三轴试验,研究了不同固结条件、不同围压下软土的强度和应力应变特性,并对试验结果进行了分析和对比。结果表明:低围压下,等向固结三轴压缩试验和K0固结三轴压缩试验土样破坏时的主应力差差别不大,随着围压增大,K0固结条件下试验土体的主应力差要明显大于等向固结条件下的试验土体;与等向固结相比,K0固结条件下的土体粘聚力c值减小,而内摩擦角增大;土体呈现剪缩特性。运用等向固结三轴压缩试验确定的邓肯模型参数模拟K0固结条件下土体的试验曲线,吻合较好,初步验证了邓肯模型参数对K0固结土体的适用性。     

降雨入渗条件下双层非饱和土边坡渐进性破坏数值分析

为了研究降雨入渗引起的双层非饱和土边坡的破坏机理,提出了渗透变形水-土-气三相耦合的有限元数值分析方法。计算程序中通过采用合理的非饱和土弹塑性本构模型,使其可描述双层非饱和土边坡在降雨入渗时的渗透-变形耦合力学特性变化,进而更加清晰明了地阐述非饱和土边坡的破坏机理。以2层不同湿密度的非饱和砂土边坡的模型实验作为研究对象,采用所提出的数值计算方法对不同降雨强度(50、100 mm/h)与双层坡角(59°和68.3°)等4个工况进行了数值模拟分析。与试验结果对比可知,数值模拟结果可以很好地再现试验观测现象,包括不同工况下的孔隙水压力变化、破坏时间。计算结果表明：1)由于2个土层的透水系数有所差异,水在2个土层之间的水分迁移较为缓慢。2)坡角越小(59°)或者降雨强度越小(50 mm/h),边坡破坏所需要的时间越长。3)在降雨过程中塑性破坏是从边坡左侧的坡趾附近开始,逐渐延伸至坡顶,最后形成一条贯穿整个边坡的塑性剪切带。4)边坡左侧的土体整体沿着滑动带向下滑动。在降雨强度较大(100 mm/h)的情况下,边坡滑动的规模相对较小。     

非饱和黄土土水特征及其强度指标

以多种理论模型对非饱和土三轴仪实测数据进行了拟合评价;并在此基础上,引入非饱和土最新理论,反演和解析了土体脱湿与吸湿条件下的边界土-水特征曲线、渗透系数函数以及吸应力特征曲线;进一步从强度本构入手,结合不同基质吸力的三轴剪切试验结果,探究了基于吸应力的强度特性。研究结果表明:非饱和土三轴仪所测数据点及其三种模型拟合曲线均落在水力边界曲线(SWCC、HCF、SSCC)范围之内,表明了试验结果的正确性和合理性,以及非饱和土中水分的能量和数量的关系因路径差异而具可变性,即基质吸力不再是含水率的单值函数,而是一个范围体系;同时采用吸应力特征曲线的统一有效应力原理来描述土体在非饱和条件下的抗剪强度性质是合理的、普遍有效的,并且验证了土体处于饱和或者无基质吸力时,吸应力不为零,此时的吸应力对应的是土体在剪切破坏时的表观粘聚力这一结论。     

循环温度荷载作用下饱和黏土的体积变形特性

采用温控三轴仪,研究了排水条件下温度循环引起的饱和黏土体积变化特性。试验结果表明,温度循环会使得土体产生不可恢复的体积变形,塑性体积应变的大小随温度循环周数的增加而增加,并逐渐趋于稳定值;若将经历过温度循环的土样重新加载到新的正常固结状态,后续温度循环中产生的塑性体积应变量值及发展规律与初始循环下的类似;同等温度增量下,体积应变的大小主要受超固结比OCR的影响,与应力水平无关。OCR越大,体积应变越小,随温度循环周数稳定的也越快。基于广义塑性理论,给出了热-力耦合作用下土体体积应变的计算模型。模型中考虑了温度塑性应变对屈服应力的硬化作用,根据屈服应力与前期固结应力之间的差异间接体现温度历史的影响,进而合理地模拟体积应变随温度循环周数的累积规律。利用所建立的模型对本文试验和文献中的数据进行了模拟,验证了模型的可靠性。     

考虑Weibull分布的饱和风积土统计损伤硬化模型研究

为能更好地揭示复杂应力状态下饱和风积土变形过程的损伤本构关系,引入服从Weibull随机分布的饱和风积土微元强度统计损伤理论,基于饱和风积土常规三轴全应力—应变试验曲线,构建能够模拟特定围压环境下饱和风积土变形全过程的统计损伤硬化本构模型。通过拟合分析基于Weibull分布的饱和风积土统计损伤本构模型参数m、F0与围压σ3之间的关系,对其参数进行科学修正,从而构建出能够更客观地描述在复杂应力环境中的饱和风积土统计损伤硬化模型。理论与试验对比研究结果表明该模型具有一定的可靠性,不仅能客观地描述饱和风积土变形的全过程,更能真实地描述孔隙水压力对饱和风积土工程特性的影响。     

地铁隧道地震反应数值模拟与试验的对比分析

根据可液化土层上土-地铁隧道结构动力相互作用大型振动台模型试验结果，以软件ABAQUS为平台，将地基土-地铁隧道结构体系视为平面应变问题，采用记忆型嵌套面粘塑性动力本构模型和动塑性损伤模型分别模拟土体和隧道结构混凝土的动力特性，建立了土-地铁区间隧道非线性动力相互作用的有限元分析模型。对各种试验工况下地基土-地铁隧道结构体系的地震反应进行了数值模拟，并与试验结果进行了对比。结果表明：数值模拟与振动台模型试验结果基本一致，呈现出相似的规律性，相互验证了基于ABAQUS软件的力学建模和振动台试验结果的正确性。     

液化侧扩流场地桩基动力反应振动台试验数值模拟

针对已完成的振动台试验,采用OpenSees数值模拟计算平台,建立液化侧扩流场地群桩振动台试验数值模型。该模型中,采用线弹性梁柱单元模拟桩和挡墙,采用刚性连接单元和零长度单元模拟桩-土界面。自由水体通过施加节点孔压和节点力模拟。引入多屈服面塑性本构模拟饱和砂层,采用两相完全耦合的u—p形式模拟土体位移和孔压。通过对比振动台试验结果表明,建立的有限元数值模型能够可靠地再现砂层和桩基的动力响应,进而验证数值模型的可靠性。同时,针对两个代表性时刻,分析了桩-土体系的侧向变形响应。所采用的分析方法和相关结论也为同类桩-土体系数值模拟提供一般性分析方法和思路。     

饱和‑非饱和土一维大变形固结模型∗

基于分段线性差分法,建立了一种饱和?非饱和土一维非线性大变形固结模型 UCS2。该模型可考虑土体初始饱和度随深度变化,可分析不同地下水位深度的土体大变形固结问题,并编制了 Fortran 计算程序。采用现有数值解对该模型进行了验证,UCS2 模型分别在饱和与非饱和情况下与现有数值解吻合。开展了大变形算例分析,对比了固结前后孔隙比、饱和度、孔隙水压的变化规律,探讨了地下水位深度及非饱和参数对土体固结沉降的影响。     

基于膨胀土蠕变试验的粘弹性模型对比研究

对广西南宁膨胀土进行了一系列室内压缩蠕变试验,得出了相应的蠕变曲线.运用K-H体模型和Bu体模型进行对比研究,确定了正常应力条件下非饱和南宁膨胀土的粘弹性模型和各流变常数,提出了正常应力条件下南宁膨胀土的本构方程及蠕变方程.为膨胀土工程设计和分析提供可靠的理论依据.     

强地震动作用下地基土-地铁隧道结构的动力接触效应

将地基土-地铁隧道结构体系视为平面应变问题,采用记忆型嵌套面粘塑性动力本构模型和动塑性损伤模型,分别模拟土体和隧道结构混凝土的动力特性,用点-线接触单元模型描述强地震动作用下地基土-地铁隧道之间的相对滑移,利用罚函数法和拉格朗日乘子法求解动力接触效应,建立土-地铁隧道非线性动力相互作用的有限元分析模型,分析了动力接触效应对地基土-地铁隧道之间的法向接触压应力、切向接触剪应力和切向滑移的影响规律。结果表明:罚函数法比拉格朗日乘子法更适用于求解强地震动作用下地基土-地铁隧道之间的动力接触问题;与地基土-地铁隧道变形协调假定的计算结果相比较,动力接触效应使地铁隧道的地震加速度反应有所增大。     

地基液化导致沉箱码头破坏及地基加固方法的非线性数值分析

地震作用引发的地基液化,往往导致沉箱基础的破坏。本文基于Biot两相饱和多孔介质动力耦合理论,采用FE-FD耦合数值分析方法,对液化海床沉箱基础的地震反应进行非线性有效应力分析。在数值分析过程中,建立了以土骨架位移和超静孔隙水压力表达的us-pw动力固结方程和循环弹塑性本构模型,该方法能够很好地模拟地震作用下沉箱码头的动力特性及液化破坏的影响。通过数值模拟计算,分析了采用碎石桩进行置换砂区域的防液化加固方法,并就碎石桩处理区域的选择提出了建议。     

统一模型下粘性土和砂性土液化特性数值研究

考虑到土体介质材料经历弹性卸载后即进入超固结状态,而其反过来又能影响土体的力学与抗液化特性,通过考虑超固结因素的影响,在统一下负荷面剑桥模型下对砂性土与粘性土的力学与抗液化特性进行了数值试验对比研究。结果表明,与粘性土相比,砂性土在加载过程中表现出更高的非线性特征与可压缩性,且在非排水加载下更容易引发屈服和液化。通过考虑土体超固结因素的影响以及不同土体条件下超固结比演化规律的差异,下负荷面剑桥模型在统一理论框架下很好的模拟出了砂性土与粘性土间力学与抗液化能力的差异。同时考虑到土体超固结状态与密实度间的关系,模型也从超固结状态的角度很好的解释了土体抗液化能力与相对密度的关系,且与液化试验实测结果取得了较高的一致性。     

基坑开挖过程坑侧土体应力路径试验研究北大核心CSCD

随着基坑的开挖,基坑侧壁土体的竖向应力不变而侧向应力减小,侧壁土压力由静止土压力逐步向主动土压力变化。基于基坑开挖前、开挖过程及支护结构作用后坑侧土体的应力变化情况,开展了常规三轴固结不排水剪切试验、K0固结不排水剪切试验、K0固结侧向卸荷试验和不等压固结侧向卸荷不排水剪切试验等多种室内试验,对比分析了不同应力路径条件下土体的应力应变曲线、抗剪强度及孔隙水压力变化特征,总结了基坑开挖过程复杂应力路径下土体的应力应变特征及强度特性。     

轨道交通荷载作用下EPS颗粒轻质混合土的动力特性研究

EPS处理软土地基具有的独特优越性已逐渐引起学界的重视。基于GDS空心圆柱扭剪试验和ABAQUS有限元数值模拟,进行了轨道交通荷载作用下EPS颗粒轻质混合土的动力特性研究。研究表明:EPS颗粒体积配比Ve/Vs、初始平均有效固结压力p0、初始固结应力比R0、初始中主应力系数b0和初始大主应力方向角α0这5个因素对最大动剪切模量和参考剪应变有明显的影响,但归一化的G/G0—γ/γr曲线基本不受以上试验变量影响;数值模拟结果显示,采用非线性动力本构模型计算得到的EPS混合土路堤中的应力比弹性本构的计算结果大,且剪应力随深度的增加衰减更快。该结论可为EPS颗粒轻质混合土在软土地区的应用提供参考和理论支持。     

饱和土在单向冻结过程中的水-热-力耦合分析

给出了一多物理场模型来模拟饱和正冻土的水-热-力耦合过程。冻土区采用的是非线性弹性本构模型,而未冻区采用修正的剑桥模型。在这一数学模型中,克拉伯龙方程用于描述水和冰在相变时满足的平衡条件,并通过修正孔隙比来描述与温度有关的传导系数,由此描述未冻水的迁移。假定单元中土颗粒的长度不变且沿土柱冰晶从低温向高温有序生成,由此考虑水相变成冰的相对体积变化。以土颗粒的长度为分析目标来考虑冻胀过程中的较大变形。对于给定的边界条件,采用COMSOL软件对耦合的非线性偏微分方程进行求解。结果表明,这一方模型可以较好的模拟饱和土在冻结过程中的水-热-力耦合特征。     

饱和砂土热流耦合离心机试验的有限元分析

岩土热流耦合问题十分复杂,而离心机模型试验和有限元数值分析为研究这些问题提供了技术和方法。针对前人的土体热流耦合离心机试验,利用COMSOL多物理场有限元分析软件对饱和砂土中温度引起的自然对流及其相互影响进行分析。总结了传热和渗流下离心机模型与原型的相似法则,说明了自然对流在饱和土体传热中的重要性。分析表明,满足相似比尺的离心机试验和COMSOL数值模型均能正确模拟饱和土体中的热流耦合问题,土体渗透系数对饱和土体的传热有较大影响。     

软弱场地地铁车站结构地震反应的数值模拟与模型试验对比分析

根据软弱场地土上地铁车站结构大型振动台模型试验结果,以软件ABAQU S为平台,采用记忆型嵌套面黏塑性动力本构模型和动塑性损伤模型,分别模拟土体和车站结构混凝土的动力特性,建立了土-地铁车站结构非线性动力相互作用二维和三维有限元分析模型,对各种试验工况下地基土-地铁车站结构体系的地震反应进行了数值模拟,并与试验结果进行了对比。结果表明:二维、三维数值模拟与振动台模型试验结果基本一致,三维模型可更好地模拟软弱场地与地铁车站结构的动力相互作用及模型结构的动力反应。数值模拟结果和振动台试验结果可相互验证其可靠性。     

地下水位改变对地下结构及土体地震反应的影响

利用FLAC3D软件,把土与地下结构的相互作用问题视为平面应变问题,分别采用Mohr-Coulomb本构模型和Finn本构模型来描述处于水位线上、下土体的非线性动力特性和孔隙压力的发展规律,对地震作用下的不同工况进行了数值模拟。结果表明:水位线上升,孔隙压力大幅度提高,孔压比增加,结构周围土体更容易发生液化;上下板和中柱的加速度峰值产生时刻与地震波峰值产生的时刻相同,而且水位变化对上下板和中柱的加速度影响不明显;底板两角隅处的应力大于中柱的应力,并且底板的主应力都随着地下水位的提升而增大。     

膨胀土非线性蠕变模型研究

通过对南宁膨胀土的三轴压缩蠕变试验,研究了该膨胀土的非线性蠕变特性。基于流变力学和分数阶微积分理论的蠕变模型,构建了可反映膨胀土非线性流变特性的本构方程和蠕变方程。为了更好地描述膨胀土的非线性流变行为,通过引入考虑应力水平影响的类粘滞系数,进一步改进了软体元件。研究发现,膨胀土的非线性蠕变过程可以通过调整分数阶次β1和β2进行有效地模拟。研究结果表明,所建立的模型能完整地描述膨胀土的粘-弹-塑性变形,且模型分析结果与试验结果非常吻合,为计算膨胀土地基在长期荷载作用下的变形提供了理论依据,也对进一步探索膨胀土的应力松弛和长期强度等流变特性具有理论意义。