初始剪应力对饱和软粘土静、动力学性能影响——试验研究

通过静、动三轴试验,研究了初始剪应力对软粘土应力-应变关系、应力路径、孔压和强度的影响.研究结果表明,随着初始剪应力的增大,动应变和孔压增大,土体将在较小的循环次数下发生破坏.以转折应变为破坏标准,得到了不同初始剪应力下软粘土的动强度曲线;随着初始剪应力的增大,土体动强度减小.当不存在初始剪应力时,动强度随破坏循环次数的增多而衰减得较快,当初始剪应力较大时,其衰减缓慢.     

基于应力分析的黄土层内滑坡地震失稳机制

针对黄土高原地区黄土层内地震滑坡灾害易发多发和破坏性强的特点,选取三处典型滑坡进行考察,得出了此类滑坡的失稳破坏特征。进一步结合斜坡不同部位土体的受力特点和剪切破坏形式,将地震作用以应力形式引入,分析得到了该类滑坡发生时不同部位土体的剪切破坏形式及应力状态变化下剪应力的变化规律。从而基于应力分析给出了具有坡顶土体首先发生小主应力减小主导的拉张型剪切破坏,坡面土体随后发生大主应力增加主导的压剪型剪切破坏,黄土震陷降低滑面摩擦阻力加速滑体滑移特点的黄土层内滑坡地震失稳机制,进而针对此类滑坡地震失稳机制提出了相应的加固及防护措施。     

剪应力压电智能骨料标定方法研究∗

剪切破坏是混凝土结构主要的破坏形式之一,震害较为严重,且难以通过构造措施完全避免。混凝土结构缺少直接、可靠的剪应力监测方法。基于剪应力压电陶瓷的压电智能骨料标定方法尚不成熟。为此,提出了利用混凝土深梁的压电智能骨料标定剪应力场设计方法。将混凝土三点加载深梁加载点与支座连线中点处的剪应力场作为标定区域。首先,建立了二维有限元模型,分析了深梁截面高度和监测区域尺寸对剪应力场均匀性的影响,确定了深梁试件尺寸及监测区域尺寸;其次,研究了梁底配筋与开裂荷载、剪应力幅值及混凝土最大压应变之间的关系,提出了梁底不开裂条件下监测区域达到较高剪应力水平的深梁试件合理配筋方案;最后,在设计的深梁上进行了标定试验,共布置了 16 个剪应力压电智能骨料,通过应变花获取监测区域平均剪应变,确定了剪应力压电智能骨料灵敏度的概率统计参数,验证了用于标定的剪应力场设计方法的可靠性。研究表明,设计的剪应力场应力均匀、 应力水平较高、不受混凝土开裂的影响,标定试验结果可靠,灵敏度系数可直接应用。     

地震荷载作用下沉管地基砂垫层液化的可能性

以广州仑头—生物岛沉管隧道为背景,采用二维动力有限元模拟方法,分析了地震荷载作用下沉管隧道地基的动力响应,得到了地震荷载作用下地基土的动剪应力分布;通过对试验资料的分析,得到了沉管隧道地基砂垫层的抗液化剪应力,以此分析了沉管隧道地基土在地震荷载作用下的液化可能性,并提出了相应的抗液化措施,可供沉管隧道的抗震设计参考。     

k_0固结饱和黏土的动剪模量与阻尼比

通过k_0固结不排水动三轴试验,研究了初始有效平均应力、初始剪应力以及振动应力历史对k_0固结饱和黏土动剪模量和阻尼比的影响。结果表明,可以将振动累积应变作为反映振动应力历史影响的状态参数;将同一状态参数下的动剪模量表示为随动剪应变的变化关系可以反映初始剪应力对动剪模量和阻尼比的影响;依据不同状态参数对应的最大动剪模量确定规一化动剪模量随动剪应变的变化关系可以反映初始有效平均应力的影响。初始有效平均应力、初始剪应力以及振动应力历史对阻尼比随振动剪应变的变化关系影响较小,可以认为阻尼比随振动剪应变有唯一变化关系。因此,通过一个固结压力下的一组振动三轴试验,结合一个试样在不同振动累积应变与不同初始有效平均应力下的多级振动三轴试验,就可以建立反映初始有效平均应力、静偏应力与振动应力历史影响的k_0固结饱和粘土动剪模量与阻尼比变化关系。     

含贯通节理岩体锚固界面应力分布规律分析∗

在拉拔条件下,对全长注浆锚杆在含贯通节理岩体中界面应力分布规律进行分析研究。修订了无节理岩体界面剪应力分布函数,确定了一定条件下修订系数的取值,定义了应力传递参数C,采用有限差分软件Flac3d分析了其影响因子c、φ、ψ、β的影响作用。确定了主影响因子锚固角β,并且在修订公式中加入了锚固角β因子。分析了不同锚固角度下浆-岩界面剪应力的分布规律。结果表明,在带肋钢筋肋间处产生应力集中现象,注浆体起到了均化作用。在拉拔条件下含贯通节理岩体主要在锚端与节理面附近发生应力集中现象。上下部岩体浆-岩界面剪应力呈双曲线形式分布。浆-岩界面剪应力随着锚固角β减小,呈先减小后增大趋势。意味着当锚杆锚固角度在60°附近时,对岩体的锚固效果最好。     

深厚黄土覆盖层上土石坝地震响应特性分析

采用非线性有限单元法和笔者曾提出的动孔压试验曲线法,对某深厚黄土覆盖层上土石坝进行了有效应力法地震响应分析,重点分析大坝的绝对加速度、动位移和动应力等动力响应及动孔隙水压力分布情况。分析结果表明,在现有设计条件下,由于坝基软弱黄土覆盖层较厚,大坝在7度地震作用下地震响应不强烈,但坝基黄土覆盖层会出现液化情况,需采取相应的抗液化工程措施。     

粉煤灰改良膨胀土的动强度试验研究

环境污染以及矿物资源的枯竭等因素强烈地激发了粉煤灰利用的研究和开发。粉煤灰改良作为地基的一种处理方法,越来越广泛地应用于公路路基的建设中。随着车辆速度的提高、车辆荷载的增加,动载对路基的影响引起人们的关注。本文以粉煤灰改良的膨胀土为研究对象,通过压实非饱和试件的动三轴试验,考察了粉煤灰掺入量确定的条件下,循环次数、动荷大小、围压等对土体动强度的影响。由试验结果绘出振次—轴向应变、动强度破坏振次关系曲线。结果表明:粉煤灰改良的非饱和膨胀土没有显著的屈服特征,可采用常规应变标准对应的振次作为破坏振次。     

振动频率对饱和砂土液化强度的影响

采用"土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪"对饱和砂土进行了一系列动三轴实验,探讨了振动频率对液化强度数值的影响程度。在1.0、1.5固结比和0.05、0.10、1.00 Hz振动频率条件下,针对相对密实度分别为70%、28%的密砂和松砂进行了100、200、300 kPa围压和100 kPa围压条件下的液化强度实验。实验结果表明,饱和密砂和松砂在各种固结条件下,液化强度随着振动频率的增大而增大,相同破坏振次时,各种实验条件下的液化强度与振动频率的关系在双对数坐标上均符合线性关系;振动频率由0.05 Hz变化到1.00 Hz时,液化强度相差达25%以上;动强度指标φd值随振动频率的增大而增大,最大相差12.2%;随着振动频率的增大,砂土达到液化破坏所需的时间明显缩短;振动频率对松砂液化强度的影响比对密砂的影响更为显著。     

交通荷载作用下饱和软粘土孔压-应变分析模型

针对交通荷载的作用特点设计了循环三轴试验,进而对交通荷载作用下饱和软粘土的动力特件进行厂研究.结果表明:循环荷载作用下,饱和软粘土存在临界循环应力比,采用孔压曲线所得到的临界循环应力比要小于采用应变曲线所得到的临界循环应力比.当土样不存在初始剪应力时,随着循环次数的增加,土样的应力-应变关系曲线近似原点对称,但随着初始剪应力的增大,应力-应变关系曲线逐渐表现为一系列平行曲线,峰值孔压与循环孔压幅值均逐渐减少;同时,轴应变的发展加快,但循环应变幅值逐渐减小.当循环应力比小于临界循环应力比时,对于同一初始剪应力,不同循环应力比下的孔压比-动应变曲线近似集中在同一条曲线上.通过对试验数据进行回归分析,得到了交通荷载作用下饱和软粘土残余孔压-累积塑性应变关系模型.     

南京新近沉积淤泥质土震陷特性试验研究

震陷是地基基础的主要震害之一。目前已建立了若干经验公式来估算土的永久应变势,但是已有的经验公式参数较多,需要做大量的试验才能确定这些参数。本文通过英国WFI振动三轴仪对南京新近沉积淤泥质土做了一系列的震陷试验,得到了不同围压、固结比和轴向动应力下的试验结果。分析发现,对不同围压和固结比,基于最大往返剪切作用面的概念,在双对数坐标系中轴向动应力与循环振动次数的关系可通过最大往返剪切作用面上的动剪应力比实现归一化,即仅做一个围压和固结比的试验即可得到土的全部震陷参数;结合前人提出的永久应变势经验公式,推出计算南京新近沉积淤泥质土的简化经验公式,其结果能较好地模拟土的震陷特性,在永久应变达到4%时,该土的永久应变急剧增长。     

不同强度岩石中开挖圆形巷道的局部化过程模拟

利用FLAC模拟了不同粘聚力条件下圆形巷道的局部化过程。为了模拟巷道开挖,利用编写的F ISH函数删除巷道内部的单元。岩石服从莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为。文中模拟分为3步:首先,将静水压力施加在模型上,直到达到静力平衡状态;然后,利用编写的F ISH函数开挖巷道;最后,计算重新开始,直到达到静力平衡状态或者塑性流动状态。模拟结果表明,随着粘聚力的降低,巷道围岩的破坏模式首先由孔壁附近零星单元的破坏向4个对称的小V形坑式剪切破坏转变,然后由包含若干小V形坑的大V形坑式剪切破坏向巷道全断面的破坏转变。前三者破坏发生后,巷道围岩仍然能保持稳定。与最大塑性拉伸应变相比,最大剪切应变增量、最大塑性剪切应变要高得多;最大剪切应变增量、最大塑性剪切应变相差不大;随着粘聚力的增加,三者均越来越小。     

基于细观尺度的岩体开挖渐进破坏模拟研究

岩土渐进式地质灾害是当前岩土工程领域的重要研究课题。基于颗粒离散元法导出颗粒连接损伤模型,建立岩石细观离散模型,进行不同颗粒参数条件下的岩石单轴受压数值模拟。结果表明,岩石细观颗粒间相互黏结力是影响颗粒黏结破坏的主要因素;颗粒间摩擦系数是影响宏观强度的敏感参数,单轴受压试验形成接近45°剪切带,数值模拟与试验结果较好吻合,验证了该模型的合理性。建立岩体开挖细观离散模型,模拟不同地层条件下的开挖过程,对比分析了开挖未支护和支护情况下检测点的沉降差异。研究发现,未支护支撑下,深层开挖时,检测点的位移沉降较浅层开挖时明显;支护可以有效降低围岩变形,防止拉应力产生。本文从细观上揭示岩体开挖条件下渐进式破坏过程形成机制,为更深入研究岩土力学特性和滑动断裂的形成与发展等渐进破坏过程提供了理论和技术支撑。     

孔隙压力对含随机缺陷岩石破坏过程及全部变形特征的影响

对于平面应变压缩条件下含有随机缺陷的岩样,利用FLAC研究了孔隙压力对岩样破坏过程、全部变形特征及前兆的影响。以前编写的若干FISH函数,被用于生成缺陷和计算轴向、侧向、体积应变及侧向应变与轴向应变比值的负值(计算得到的泊松比)。在峰值应力之后,密实岩石单元服从线性应变软化行为及随后的理想塑性行为,而材料缺陷呈现理想塑性行为。当孔隙压力较高时,应力—侧向应变曲线具有一平台;破坏的前兆更明显;变形后岩样的体积总是大于原始体积;在初始加载阶段、均匀变形阶段及峰后变形阶段,由于明显的侧向膨胀,计算得到的泊松比远大于0.5。当孔隙压力较低时,在峰值应力之前,变形后岩样的体积小于原始体积,体积扩容出现于峰值应力之后,引起了负的体积应变。利用广义虎克定律,解释了平面应变弹性状态下数值结果的合理性。对岩样进行带状区域扫描后,确认随机缺陷的初始分布与岩样的最终破坏形态紧密相关。     

PBL剪力键破坏形态及极限承载力试验研究

根据已有试验结果,总结了有贯穿钢筋类PBL剪力键(perfobond rib shear connector)的3种破坏形态,其中充分发挥承载力的破坏形态为贯穿钢筋剪切破坏。为了研究PBL剪力键的极限承载力,对4组21个试件进行了静载破坏试验,结合文献[10]的试验结果,研究了各种因素对PBL剪力键极限承载力的影响,提出了有贯穿钢筋类PBL剪力键极限承载力计算公式。结果表明:有贯穿钢筋类PBL剪力键的极限承载力主要与贯穿钢筋面积及强度有关,与混凝土强度、混凝土榫面积无关,横向钢筋面积及强度对其的影响较以前试验所得结果小。     

双向振动条件下的饱和砂土动强度特性试验研究

利用全自动静动三轴双向耦合剪切仪,分别在均等固结和非均等固结条件下,进行了福建标准砂的动三轴不排水剪切试验,对比分析了轴向振动、径向振动、相位差分别为0°和180°的轴向-径向耦合振动等不同振动方式对饱和砂土动力特性的影响。试验结果表明,无论是均等固结还是非均等固结条件下,只要在最大剪应力面上的动剪应力水平相同,4种剪切方式对动应力-应变关系及动强度的影响都并不显著。     

筑坝反滤料动模量和阻尼比影响因素的数值模拟研究

土体动模量和阻尼比是动力学特性的重要表征参数,在工程抗震分析中起到不可或缺的作用。在对动模量和阻尼比试验成功模拟的基础上,改变数值模型中相应的试验条件,探讨了试验中土体动模量和阻尼比的影响因素固结比、围压、试样级配、试样密实度和动应力频率。结果表明:筑坝反滤料的固结比对动模量的影响比较符合Hardin推导公式的结果;最大动模量与围压呈正比;随着密实度的降低,最大动模量亦降低;动应力频率对动模量和阻尼比基本无影响。     

基于非线性屈服准则及主应力判据的圆形巷道围岩岩爆过程的数值模拟

鉴于考虑拉伸截断的线性莫尔-库仑屈服准则不能考虑岩石在高应力条件下的非线性屈服特征,根据虎克-布朗本构模型,将上述屈服准则在受压区的线性屈服函数修改为非线性形式。采用3种岩爆的主应力判据,判别圆形巷道开挖之后围岩中各种级别岩爆的分布及演变规律。计算采用"先加载,后挖洞"的方式,岩石服从弹—脆—塑性本构模型。研究发现,发生高级别岩爆的单元数少于发生低级别岩爆的单元数;轻微岩爆区的形态更接近于塑性区及剪切应变增量的高值区。根据巴顿判据,发生重岩爆的单元数较多,而且主要发生的是拉伸岩爆;根据陶振宇判据,发生轻微及中等岩爆的单元数均多于根据谷明成-陶振宇判据判别的结果。上述两种判据判别的结果均表明,在不考虑拉伸岩爆的条件下,只有位于围岩内部的单元才有可能发生高级别的岩爆,而位于巷道表面的单元一般仅发生轻微岩爆。     

土石坝管涌溃坝过程数学模型及应用

通过国内外土石坝管涌溃坝模型试验发现,管涌通道断面在溃坝过程中呈现城门洞形,并不断发展扩大直至坝顶发生坍塌。而目前常用的管涌溃坝过程数学模型大多假设管涌通道为圆形或矩形,与实际情况不符。基于土石坝管涌破坏机理,提出一个土石坝管涌溃坝过程数学模型,模型假设初始管涌通道断面为底部正方形顶部半圆形的城门洞形,采用基于水流剪应力的冲蚀公式模拟冲蚀过程管涌通道两侧边向外的发展,采用普罗托季亚科诺夫压力拱理论模拟管涌通道顶拱的发展;通过比较管涌通道上部坝体的重力与管涌通道两侧土体的抗剪强度判断管涌通道的垮塌,分别选择孔流和堰流公式模拟管涌通道坍塌前后的溃口流量;当管涌通道坍塌后,假设坍塌的土体立刻被溃坝水流带走,随后发生漫顶破坏,使用极限平衡法模拟漫顶溃坝过程中的溃口边坡稳定性。模型采用按时间步长迭代的数值计算方法模拟溃口的水土耦合过程,选择国内外25个具有实测资料的土石坝管涌溃坝案例对模型进行验证,比对峰值流量、溃口最终宽度及溃坝历时等参数发现,模型计算结果与实测值的相对误差可满足工程需求,验证了模型的合理性。