适用于砂土基坑变形分析的土体本构模型应用

我国现行的基坑设计规范条文中没有明确基坑土体变形计算的方法,尝试运用有限差分数值计算分析的方法进行砂土基坑土体变形规律分析。基于常规的土工试验结果,分析了砂土的受力和变形特征,并将分析结果作为本构模型选择的依据。经对比分析,认为FLAC3D自带的Cysoil本构模型能够描述砂土常规加卸载应力路径下的力学性质;同时还研究了Cysoil本构模型参数的取值方法以及采用Cysoil本构模型进行基坑开挖支护过程的模拟。最后将Cysoil本构模型应用于孟加拉国某深基坑工程中,得到的围护结构和内支撑变形规律与理正深基坑设计计算软件相同,在此基础上,进一步分析了数值计算得到的坑周土体变形特征。由于基坑开挖过程是土体卸荷的过程,卸荷回弹是基本趋势,因此只有在围护结构和内支撑的刚度不能维持土体弹性状态的部位,坑边土体才会出现沉降变形。研究成果可为类似工程基坑的设计提供参考,以优化围护结构和内支撑刚度。     

某开挖边坡的三维强度折减和点安全度评价

FLAC3D简洁而高效的fish语言能方便地模拟施工开挖卸荷过程,其编制的强度折减程序免去了手动折减参数的烦扰,大大提高了操作效率。某边坡开挖和卸荷工况的有限元计算成果对比表明,卸荷作用下岩体质量劣化,应力状态重新调整,坡体表面位移明显增大。边坡剖面位移矢量图表明,开挖面附近边坡的位移主要向临空面发展,开挖面内侧高程为370 m处位移明显,应重点加固;将岩体假设成理想弹塑性体,采用本构模型Mohr-Cou lomb准则,经强度折减法计算,结果表明边坡开挖后整体是稳定的。     

一种基于土体率敏性的长期变形预测方法

土体长期变形的预测与控制是大量工程建设的关键性问题。常规方法是结合蠕变试验来预测土体变形,其存在耗时长、难以考虑复杂应力路径以及不便用于复杂有限元计算分析等缺点。考虑土体的率敏性特征,通过对饱和超固结土以及人工制备结构性土分别开展3种不同加载速率下的三轴剪切试验,获得了土体强度、变形以及率敏性指标,从而得到了基于上下负荷面的弹黏塑性本构模型参数,并利用该模型成功预测了土体的率敏性和蠕变变形行为。结果表明:①结合土体率敏性试验来预测土体长期变形,仅较常规土三轴试验增加了几组不同加载速率的剪切试验,而不需增加额外的试验条件,试验效率高;②由土体率敏性试验确定的本构模型参数能正确预测土体的蠕变变形,试验结果与模型预测结果吻合良好;③基于上下负荷面的弹黏塑性本构模型可用于复杂边值问题的有限元计算。结果表明提出的结合土体率敏性来预测土体长期变形的新方法将具有很好的工程应用价值。     

强度折减法改进及在边坡稳定性评价中的应用

传统有限元强度折减法在对岩土体强度参数进行折减时并未考虑其对变形参数(弹性模量和泊松比)的影响,会使得分析计算结果不准确,为此改进了传统强度折减法并将其应用于边坡稳定性分析中。基于Mohr-Coulomb强度准则和Duncan-Chang双曲线弹性本构模型,并深入分析土体应力状态、强度与变形的联系,分别建立弹性模量、泊松比与强度折减系数的关系表达式。据此在强度参数折减的同时,对弹性模量和泊松比同时进行修正。以均质土体边坡为例,应用改进的强度折减法开展稳定性评价,并与极限平衡法(Spencer法)进行对比。结果表明:4种有限元强度折减法准确性由大到小依次为:同时修正μ和E方法,只修正E方法,传统有限元强度折减法,只修正μ方法,结论验证了提出的改进方法的合理性和有效性。     

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。     

深埋隧洞开挖稳定性评价方法对比研究

引入2种等效超载法,并结合强度折减法和超变形法,对深埋隧洞初次开挖支护的稳定性进行渗流-应力耦合计算分析。结果表明,考虑增加初始孔隙水压力和应用弹塑性损伤本构模型均会增加破坏区的范围和最大值;等效超载法与强度折减法产生的破坏区范围差异性较大,且得到的安全系数要大于强度折减法;基于弹塑性损伤模型的强度折减法得到的安全系数为1.14,考虑初始孔隙水压力和弹塑性损伤模型的容重增加法得到的安全系数为2.2。等效超载法可作为评价隧洞稳定性的方法,容重增加法与应力系数法均能同时考虑初始应力场和孔隙水压力场的超载,且应力系数法适用性更好;超变形法破坏区变化有别于其他方法,局限性较大,实际工程中可基于实际地质情况有选择性地采用基于弹塑性损伤本构模型的强度折减法或等效超载法。     

土体非线性影响的深基坑支护研究综述

就土体本构模型及参数、非线性分析方法的改进和计算成果三个方面，回顾国内外近２０年来的研究进展，指出存在的问题及解决的方法，针对基坑开挖特有的应力应变关系和应变集中现象，单独建立适于基坑开挖分析的土体本构模型；加强软土基坑开挖的非线性分析研究；改进有限元分析方法（如单元剖分等）；开展三维问题研究等     

岩体开挖卸荷后边坡失稳判据研究

岩体开挖是一个不断卸荷、变形损伤、质量劣化的动态力学过程.只有考虑岩体开挖卸荷过程才能较真实地模拟实际边坡因开挖而达到的位移场和应力场状态.如何根据有限元计算结果来判别边坡稳定性,是边坡稳定分析的一个关键性问题.强度折减有限元法的失稳判据主要有3种:①以有限元解的收敛性判定失稳状态;②根据计算域内最大节点位移与折减系数之间关系曲线变化特征判定失稳状态;③通过计算域内塑性区是否贯通判定失稳状态.结合岩体开挖卸荷后力学参数变化和3种失稳判据综合判定了实际边坡的稳定性,对一般边坡工程有一定的指导作用.     

基于强度折减的岩质开挖边坡加固效果三维分析

结合盐津变电所岩质开挖边坡实例,将稳定性分析的强度折减法与边坡的开挖、加固过程模拟相结合,对三维条件下边坡开挖和加固后的稳定性进行了计算评价.计算中应用了FLAC30软件.研究表明,基于强度折减法的数值计算可以像数值模拟方法那样既考虑三维效应明显的地形地貌、地质结构和加固方式等,又考虑岩土体的本构关系和支挡结构与坡体的相互作用,还可以像极限平衡法那样计算安全系数,却不用指定滑面.同时采用强度折减法计算安全系数时,还能够考虑开挖、回填及加固等施工效应.计算结果还表明,在计算中应根据岩土体的应力应变关系、边坡的变形情况及工程的使用期限等恰当的选择岩土体抗剪强度参数,其结果将直接影响到强度折减法计算安全系数的精度.     

一种新型结构性土三维本构模型

在NAKAI等基于应力张量t_(ij)和修正剑桥模型建立的能够描述中主应力影响且适用于描述正常固结土强度和变形规律的三维本构模型的基础上,通过引入能够描述土体密实度的状态变量ρ和土体黏结效应的状态变量ω,提出了适用于描述结构性土强度和变形规律的新型结构性三维本构模型。这一模型具有以下特点:结构性土三维本构模型在正常固结土的三维本构模型的基础上仅增加一个材料参数的情况下能够较好地描述三维应力状态下试样排水与不排水剪切特性、固结特性、围压对应力路径和应力应变曲线的影响及平均应力、偏应力增大时出现的应力路径可逆性等特点。应用新型结构性土三维本构模型对粉质黏土的固结试验和三轴剪切试验进行模拟计算,验证了其在模拟结构性土特征方面的可行性。     

适用于强结构性黏土的修正邓肯-张模型研究

土体的力学特性受结构性影响十分显著,结构性越强,破坏后变形越大,对实际工程影响越显著。目前对结构性土的特殊工程性质已有广泛认识,但如何用数学方法准确描述其强度和变形间的关系仍是主要研究内容。对分布在云南昭通地区的强结构性黏土进行了试验研究,结果表明:其结构屈服应力高达800 kPa,属于典型的强结构性土。根据常规三轴试验的应力-应变关系,将强结构性黏土的剪切变形划分为结构未破坏阶段、结构逐渐破坏阶段和结构完全破坏阶段;基于破坏过程,对传统邓肯-张模型进行修正,引入损伤比参数,建立适用于强结构性黏土的修正邓肯-张本构模型。对模型中的初始剪切模量、主应力差渐进值和剪切模量参数进行推导分析,各参数值与试验的土体剪切变形规律相符合;对已有结构性土的试验数据进行拟合分析,结果表明该修正模型可以较好地描述强结构性黏土的应力-应变特性规律。     

白鹤滩水电站柱状节理玄武岩卸荷损伤数值试验研究

白鹤滩水电站坝基的柱状节理玄武岩具有明显的卸荷损伤特性。为研究这类特殊岩体的卸荷损伤规律,通过变形试验和强度试验获取卸荷过程中柱状节理刚度和强度的定量表达式,并结合离散元方法提出了一种考虑岩体卸荷损伤的数值算法。在此基础上,建立了柱状节理玄武岩的离散元数值模型,开展开挖卸荷过程中柱状节理玄武岩力学特性的损伤规律研究。数值结果表明:岩体卸荷参量从6.0 MPa卸载到1.0 MPa的过程中,柱状节理玄武岩竖直向和水平向的弹性模量分别降低64.8%和86.3%;黏聚力分别降低18.3%和46.1%;内摩擦角分别降低8.4%和64.7%;柱状节理玄武岩具有显著的卸荷损伤特性,在开挖卸荷过程中变形参数和强度参数均有较大幅度的降低,且水平方向的降低程度大于竖直方向。研究成果可为工程开挖方式和支护形式的选取提供有益参考。     

广东粉土质砂的力学特性试验研究

选取广东粉土质砂(SM)为研究对象,在一系列室内试验基础上,研究该土的渗透、变形和强度等力学特性,并探讨粉土质砂的应力应变关系和邓肯模型参数。试验成果表明:粉土质砂在压实和胶结程度高的条件下,其渗透性较低,压缩性中等,抗剪强度极高;其应力-应变关系表现有明显峰值和应变软化特征,在剪应力作用下土体开始表现为剪缩特性,当变形达到一定值后,表现出剪胀特性;此外,土体的本构关系能较好地采用邓肯模型来反映。研究结果为解决粉土质砂的工程问题提供了很好的基础和依据。     

砂卵石土强度变形特性综合试验及力学模型参数研究

砂卵石土是一种特殊性质粗粒土,其强度变形特性是工程界重点关注的问题之一。针对某工程砂卵石土地基系统开展三轴剪切试验、界面剪切试验及流变试验等综合研究其强度变形特性,选取合适的力学模型描述砂卵石土的应力-应变关系并整理相应模型参数。试验结果表明:砂卵石土非饱和样的抗剪强度指标明显大于饱和样,在低围压下砂卵石土饱和样和非饱和样分别呈现出剪缩特性和剪胀特性,而在高围压下则均表现出明显的剪缩特性;砂卵石土与混凝土面板间的接触面剪应力与剪切位移基本呈双曲线关系,抗剪强度随法向应力的增大线性增大;在双对数坐标系下砂卵石土流变变形随着时间线性增长,基于试验规律提出了砂卵石土11参数流变模型,该模型可较好地反映砂卵石土的流变特性。研究成果为砂卵石土强度变形特性研究及地基沉降分析提供理论支撑。     

循环加载条件下土的应力路径本构模型

土的应力应变关系与应力路径密切相关，充分接近的两条加载路径所产生的变形基本相同，因此可将任意应力路径转化为与其充分接近且易于计算变形的应力路径，从而获得变形。在此基础上，本文通过定义两个应力状态的参量，分别描述等应力比循环加载和等平均应力循环加载条件下土的塑性变形规律，以及两者的相互影响，并给出一个新的加卸载准则，在不增加任何土性参数的条件下，将现有的土的应力路径本构模型扩展应用于循环加载条件，建立了循环加载条件下土的应力路径本构模型。通过与试验结果的比较表明，本文提出的循环加载模型可较合理地反映土在往复荷载作用下的变形特性。模型简单易用，只含5个土性参数，并具有明确的物理意义。     

岩石卸荷力学特性及本构模型研究进展

近年来,国内外一些学者基于围压卸荷试验,对岩石的卸荷力学特性和本构模型进行了大量的研究,取得了丰硕的成果。卸荷条件下岩石的强度特征、变形规律和破坏模式与加载状态相比有着显著的区别,通过围压卸荷试验可以发现,卸荷条件下岩石张性裂缝发育,扩容显著,通常呈张剪性破坏,且卸荷速率、围压和应力路径等因素均对其变形破裂机制有着较大的影响。卸荷条件下岩石的本构模型通常分为唯象学本构模型和细观力学本构模型,唯象学模型忽视了岩石卸荷渐进破坏的演化机制,细观力学本构模型则未考虑微裂纹群及数学简化引起的误差等,这些问题使得未来的卸荷岩石力学研究工作充满了机遇与挑战。     

含砂高液限黏土统计损伤硬化模型研究

目前,将统计损伤理论应用于岩土体本构模型中尚处于起步阶段。通过对含砂高液限黏土进行常规物理试验和固结排水三轴试验,得到了不同围压下土体的轴向应力应变和体积应变轴向应变曲线,基于损伤理论并假设土体微元服从威布尔分布,建立了统计损伤硬化本构模型。通过将理论结果与试验曲线进行比较,验证了模型的合理性及对硬化型土体应力应变关系的适用性。在此基础上,对模型参数与应力应变曲线、损伤应变曲线之间的关系进行探讨,相关结论对含砂高液限黏土的研究与工程实践具有较好的参考价值。     

不同应力路径下砂岩分段变速连续卸荷变形特性研究

为研究高陡边坡岩体开挖卸荷过程中的变形问题,结合实际高陡边坡岩体开挖应力变化特征,分别开展了室内三轴加载试验及卸围压卸轴压、卸围压恒轴压、卸围压增轴压3种应力路径下的分段变速卸荷试验.结果 表明,在每种应力路径下,岩样分段变速卸荷的变形模量都随初始围压的升高而增大,变形模量随卸荷当量的增加而减小.卸荷当量为0 ～ 60...