土体结构性数值模拟及应用研究

随着现代地基原位取土技术的发展以及对土体微观结构认识的提高,越来越多的研究认识到未扰动状态下的自然原状土与重塑土相比其力学特性存在显著差异。为研究土体结构性的影响,在剑桥模型基础上考虑超固结与结构性状态变量因素的影响,在上下负荷面剑桥模型理论框架下,通过三轴压缩试验对结构性土的受力响应特性进行了模拟试验研究,对受结构性因素影响下土体的屈服过程、可压缩性、在循环加载作用下超孔隙水压的发展以及相应状态变量演化规律进行了详细对比分析。试验研究结果表明:与重塑土相比,结构性土的加载响应存在明显的屈服软化过程,加载过程中伴随着结构性的破坏表现出更高的可压缩性且更容易导致动力液化的发生。在对土体结构性详细研究的基础上,通过数值模拟桩柱结构在自然地基环境下的地震响应,对结构性因素对结构动力响应的影响进行了研究分析。研究结果表明:由于更高的非线性以及可压缩性特征,自然原状土地基在地震作用下能够引起更高的超孔隙水压,加速土体力学强度的衰减进程,进而表现出更大位移响应以及震后塑性位移,直接影响结构的稳定与安全。研究结论加深了对自然土体结构性的认识,可为高结构性自然原状土地基条件下的结构受力分析与设计提供参考。     

碎石桩排水能力和井阻效应对复合地基孔压计算的影响

国内外许多学者基于假定桩体材料排水能力为无限大基础上,研究了碎石桩复合地基排水减压作用在饱和粉土地基抗震液化方面的特性。在实际工程中,碎石桩的排水能力与地基土体相比是在一个可比的数量级上,并不是无限大的。利用巴隆固结理论,优化相应的边界条件和初始条件,综合考虑在地震作用时间极短的状况下,引起的超孔压消散速度是有限的,以及散体材料本身会对进入桩体中的水的垂直渗流有一定的阻力作用等条件下,研究了碎石桩在地震作用期间的排水减压作用,并提出了由地震引起的碎石桩复合地基中超孔压发展规律的拟合公式。经过工程实例的对比分析,对碎石桩排水减压作用在抗震液化能力提高方面进行评价,为饱和粉土地基抗震液化设计提供一定的参考。更多还原     

地基液化离心机试验的数值分析及验证

地震液化数值分析方法的可靠性验证研究是开展实际工程液化安全评价的前提条件。采用基于u-p形式的Biot动力固结方程的非线性有限元程序GEODYNA,对液化试验和分析项目(LEAP)中的饱和斜坡地基离心机模型试验进行了动力弹塑性有效应力数值分析,其中土体采用改进的广义塑性模型。结果表明:数值模拟的加速度反应谱和加速度时程与试验数据基本吻合;数值模拟再现了试验中孔隙水压力的累积、发展和消散规律,并再现了循环剪切作用下土体应力路径的发展规律和土体的剪胀现象;数值模拟合理地反映了残余变形的累积发展过程,并且数值模拟得到的地基变形分布规律与试验规律相符,变形量值也基本在试验的包线内。研究成果验证了该地震液化分析方法的可靠性,可以为工程液化安全评价提供有效的数值分析方法。     

线性加载条件下不排水桩复合地基径竖向固结解析解

现有不排水桩复合地基固结微分方程由Carrilo定理组合得到,即地基径向和竖向固结是组合固结。为此,基于现有砂井轴对称固结模型,根据等竖向应变假设,采用分离变量法和Fourier正弦级数方法,推导了线性加载条件下不排水桩复合地基径竖向同时固结完整解,克服了传统不排水复合地基固结微分方程通过Carrilo定理组合不适用线性加载这一缺点。分析了线性加载工况下桩土压缩模量比,加载历时和竖向固结系数对固结的影响,并对比了不排水桩复合地基与天然地基固结速率。计算结果表明,桩土压缩模量比越大固结速率越快;线性加载速率越慢固结越慢,瞬时加载固结速率最快;未扰动土体竖向渗透系数对地基固结速率影响显著,不排水桩复合地基固结速率远快于天然地基。     

武汉天然老黏性土的压缩和剪切特性试验研究与数值模拟

武汉天然老黏性土是一种超固结硬黏土 ,在开挖卸载条件下容易产生应变软化 ,经常给深基坑、边坡工程带来不利影响.目前对其超固结性、结构性以及剪切特性等还缺少深入认识.利用高压固结仪和三轴剪切仪对其饱和原状样和饱和重塑样分别进行了压缩试验和三轴不排水剪切试验 ,并且应用上下负荷面剑桥模型对原状样的三轴不排水剪切试验进行了模拟.研究结果表明 :天然老黏性土为一种强超固结的结构性土 ,采用两种方法得到的原状土前期固结压力和结构强度基本一致 ;在低围压下 ,原状样明显表现出应变软化和剪胀性 ,其破裂面易受微裂纹影响;与文献中的天然软土不同 ,天然老黏性土在结构破坏后剪缩并不明显 ;原状样的黏聚力明显高于重塑样 ,两者内摩擦角非常接近 ;采用上下负荷面剑桥模型模拟的原状样应力-应变曲线和孔压曲线与室内试验结果基本一致.     

混凝土芯砂石桩复合地基固结计算

混凝土芯砂石桩复合地基具备了刚性桩复合地基承载力高及砂井地基排水固结快这两方面优点。复合地基固结计算中需要考虑其独特的刚性桩-砂桩-土荷载传递及环形排水边界。采用桩土荷载分担考虑芯桩的应力集中,建立能考虑混凝土芯砂石桩复合地基环形排水通道的加固区固结计算模型,并采用改进谢康和法计算下卧层的固结。基于现场实测的桩土荷载,借助本文方法计算分析了试验段工程的超静孔压消散规律、固结度增长规律以及沉降发展规律,计算结果与现场实测结果较为吻合,验证了该方法的合理性。     

地震作用下饱和土地基的弹塑性 动力固结有限元分析

饱和土地基地震响应分析是岩土工程问题研究的热点,其中土体动力本构模型和动力固结是 研究该问题的关键。采用基于广义塑性理论的ＰＺＣ弹塑性本构模型和动力固结理论对饱和地基地震响 应进行分析。利用编制的土体三轴试验模拟程序对典型近海岸填筑陆域中的土层静动力参数进行标 定,之后结合国际上著名动力固结有限元三维程序ＤＹＮＥ3ＷＡＣ对其进行地震响应研究。结果表明, ＤＹＮＥ3ＷＡＣ三维弹塑性动力固结程序能合理分析饱和地基的地震响应,并对地基中典型土质点的超静 孔压、加速度和沉降的发展规律进行分析,说明采用弹塑性动力固结分析方法的合理性。     

深厚覆盖层上水电站厂房地震动位移计算和控制

针对修建在深覆盖层软土地基上水电站厂房的地震响应问题,采用有限元法对西藏某水电站厂房进行模拟和计算。采用阵型反应谱分析法对厂房进行抗震分析,用面-面接触单位模拟桩与土体的摩擦接触问题,地基的变形模量采用卸载再加载模量。对不同地基处理措施下计算结果的对比分析表明,在整个厂房底部设置摩擦桩并进行较大范围的固结灌浆,可以控制一部分的厂房地震动位移。     

钱塘江防洪堤地震液化及稳定分析

本文针对钱塘江防洪堤堤身和地基均为松散的粉砂土在地震作用下易液化的特点，通过动三轴试验和共振柱试验研究了粉砂土的液化特性，并以Biot动力固结方程为基础、同时考虑土体非线性性质和土体阻尼效应，分析研制了堤坝动力响应及稳定的二维平面应变排水有效应力动力分析程序，采用国内两种典型的Ⅶ度地震曲线，对钱塘江防洪堤工程的三种典型工况进行了液化稳定计算，综合分析研究了钱塘江防洪堤工程的抗震性能。     

碎石桩红黏土复合地基承载力与变形特性分析

在天然红黏土地基上进行高填方机场建设,其沉降与稳定性难以满足机场控制标准。碎石桩复合地基具有加速地基固结沉降和提高地基承载力的作用,可较好应用在红黏土地基处理中,但其作用机理不明确。基于西南某高填方机场的红黏土地基,通过室内试验和原位测试,研究碎石桩处理前后红黏土的物理力学特性,得出置换率为 7．0％时,碎石桩复合地基以排水固结为主要加固机理,处理 28ｄ未加载条件下地基承载力提高了 23．7％;利用 ＡＢＡＱＵＳ有限元软件对红黏土未处理地基和碎石桩复合地基在填筑荷载下的变形特性和孔隙水压力消散情况进行数值模拟,得出天然红黏土地基固结速率非常缓慢,工后沉降不能满足运行期道面运行要求,采用碎石桩处理后,红黏土软弱地基的排水固结速率得到大大提高,施工期固结度可完成 96．0％。研究结果得到了现场监测资料的验证,可为类似工程提供参考。     

超固结非饱和土的弹塑性双面模型

为了研究超固结非饱和土具有的应变软化和剪胀等复杂的力学特性,在弹塑性理论框架内,将巴塞罗那基本模型（BBM）与一种可描述材料循环塑性的硬化法则相结合,建立一个在静态及循环荷载作用下超固结非饱和土的弹塑性双面模型。该模型含有一个边界面和一个加载面,二者在应力空间中随着加卸载进行演化。采用径向映射法则和移动的记忆中心原理来反映超固结非饱和土的循环塑性特征。模型考虑了吸力和超固结的影响,在吸力等于零的时候退化为饱和黏性土的弹塑性双面模型;在无超固结且吸力不等于零的情况下退化为BBM模型。通过与相关静态试验数据的比较,所建模型可以较好地反映静态加载下超固结非饱和土的力学特征;此外,还利用模型对超固结非饱和土的动态力学特性进行了预测。     

超固结土塑性次加载面模型的数值实施及应用

为了研究软土固结等复杂的非线性本构关系,考虑超固结参数、潜在强度、硬化参数之间的相互影响,将基于Hvorslev面的超固结土的本构模型和大型非线性有限元计算软件ABAQUS结合起来,编写了相应的有限元本构模型子程序。通过用户子程序UMAT接口实现了该模型在软土结构分析中的应用,为正确评估和预测土体本构关系提供了一种简便有效的方法。以深隧洞的开挖为例,用此方法实现了土体结构的本构关系模型,使得计算结果更加接近实际情况,能够比较合理的模拟实际工程。     

土体循环塑性模型研究进展

简要归纳了循环荷载作用下土体本构特性和循环塑性模型需满足的力学条件．综合评述了多面、无限多面、两面、单面、边界面、多机构和次加载面模型等常见的土体循环塑性模型及它们预测土的循环加载特性的能力．提出了土体循环塑性模型有待进一步研究的若干问题．     

饱和砂土液化后强度与变形特性的试验研究

利用双向振动三轴试验装置,进行了饱和砂土液化后静力再加载试验。从砂土受振动荷载结束后所处的拉伸、压缩两种状态出发,对饱和砂土液化后的强度变形特性进行分析,研究了液化程度和围压对饱和砂土液化后不排水变形特性的影响。试验结果表明：振后处于拉伸状态的试样,液化后的变形由低强度段、超线性强度恢复段和次线性强度恢复段三段组成;振后处于压缩状态的试样,液化后的变形则只有次线性强度恢复段。提出了统一描述两种状态下砂土液化后应力应变关系的三阶段模型,并给出了模型参数的推导过程。与试验结果对比显示,该模型的预测值与试验值吻合较好,该模型有较好的适用性。     

循环加荷条件下饱和砂土液化细观数值模拟

利用离散单元法中的二维颗粒流方法(particle flow code in 2-dimension,PFC2D),通过对双轴数值试样施加循环等幅应变且控制加荷过程中试样体积(面积)不变的方法,模拟了循环加荷条件下饱和砂土的液化特性。在得到试样液化宏观力学响应的同时,分析了液化过程中内部平均接触数的变化规律。进一步研究了应变幅值、围压对数值试样液化特性的影响,并与室内试验规律进行了对比。结果表明,数值模拟能够定性地反映饱和砂土振动液化的一般规律,数值模拟得到的应变幅值、围压对试样抗液化强度的影响规律符合实际砂土室内试验规律。     

砂土堤基的动力反应计算与模型试验

基于动力弹塑性模型的有效应力数值方法和模型试验，在幅值为0.1g和0.2g正弦波动荷载下，利用足立—岗循环弹塑性模型，进行了饱和砂土堤坝的固液两相介质耦合的动力反应数值计算。计算结果与振动模型试验进行了比较，表明该动力反应的数值分析方法能够合理求得土体中孔隙水压力、有效应力、加速度变化过程以及堤坝的沉降变形。     

沉管隧道振动台模型地震反应试验研究

为研究沉管隧道在饱和砂土场地中的地震反应规律,以某超长沉管隧道为研究对象,设计了装配式柔性橡胶接头,开展了饱和砂土中的多段式沉管隧道振动台模型试验。沉管隧道模型由3节微粒混凝土管段和两节装配式柔性橡胶接头构成。试验通过孔隙水压力计、加速度计和应变片监测了地基的孔压、结构及其周围土层加速度和结构应变。试验结果表明:中小震时地基土并未液化,大震时模型表层地基土发生液化。地基土液化后,低频地震波对结构影响更大。结构与周围土体的加速度及其傅里叶谱形状吻合较好,结构加速度小于土体加速度,沉管隧道结构的地震反应受地基土的影响较大。靠近接头监测点的加速度反应更大,管段之间出现相对运动,接头是沉管隧道抗震设计的关键部位,模型结构的中墙、侧墙与结构顶板节点为此类型隧道的不利位置。试验研究成果为隧道抗震研究提供参考。     

饱和砂土液化后强度与变形特性的试验研究

利用GDS 10Hz/20kN双向振动三轴系统，进行了饱和砂土液化后静力再加载试验。从砂土受振动荷载结束后所处的拉伸、压缩两种状态出发，对饱和砂土液化后的强度变形特性进行分析，研究了液化程度和围压对饱和砂土液化后不排水变形特性的影响。试验结果表明，振后处于拉伸状态的试样，液化后的变形由低强度段、超线性强度恢复段和次线性强度恢复段三段组成。振后处于压缩状态的试样，液化后的变形则只有次线性强度恢复段。提出了统一描述两种状态下砂土液化后应力应变关系的三阶段模型，并给出了模型参数的推导过程。与试验结果对比显示，该模型的预测值与试验值吻合较好，说明该模型有较好的适用性。     

波浪引起海床土体液化的概率研究

首先根据波浪荷载在海床内产生的循环应力比和海床土体的循环阻抗比,采用可靠性分析法,建立土体抗液化安全余量的表达式。根据一次二阶矩法,考虑波浪和土体参数的变异性,计算了黄河口水下三角洲埕岛海域某石油平台附近场地在6、8和10级风浪下的液化概率。风浪等级越大,抗液化安全系数越小,液化概率越大。如果该场地要求液化概率控制在5％以内,安全系数需大于1.8,可靠指标需大于1.6。然后分析了参数变异性对可靠指标的影响,得出波高比波长和土体标贯击数比黏粒含量对液化可靠指标的影响大的结论。最后研究了参数之间的互相关性对液化可靠指标的影响,对可靠指标大于零的情况,忽略参数之间的互相关性会得到偏大的可靠指标,高估海床土体的抗液化性能。