各向异性砂土的应变局部化分析

针对许多各向异性砂土强度和应变局部化特性,采用各向异性模型进行砂土的应变局部化分析。模型基于材料状态相关临界状态理论,采用宏细观结合的方法,将一个新的各向异性状态变量引入本构模型来描述砂土的各向异性,考虑细观组构张量和应力张量的几何关系模型即可以描述不同沉积角度三轴条件下砂土的力学特性。模型结合分叉理论可以自然解释各向异性和应变局部化对平面应变强度的影响,采用用一组模型参数可以很好模拟不同围压,不同沉积角度平面应变条件下Toyoura砂的强度特性和剪切带角度。     

层状各向异性无黏性土三维强度准则

忽略黏性项,采用椭圆型角隅函数对Mohr-Coulomb准则进行三维化,建立了适合于无黏性土的三维强度准则,该准则能合理反映峰值内摩擦角随中主应力比的变化特性。以垂直与平行于土体沉积面方向的强度之比引入层状各向异性系数,并根据主应力轴与土体沉积面方向关系修正角隅函数,提出了一个适用于层状各向异性无黏性土的三维强度准则。通过研究其偏平面形状及峰值内摩擦角与中主应力比关系随层状各向异性系数的变化特性,表明该准则描述层状各向异性无黏性土强度的适用性。通过预测两组砂土真三轴试验结果,进一步地证实所提出强度准则的合理性。     

考虑应变速率的强度分析

结构物在正常工作情况下,一般是以静荷载作为设计依据的。但在工程实际上,它们还经常承受动荷载的作用,其中有些动荷载如地震荷载、脉动风压等等可用动力系数乘以静荷载,应用静荷载的许用应力[σ]进行强度计算;但是,另一些动荷载如工业厂房基础受锻锤的冲击力,吊车梁受起动式刹车的冲击力等等对构件的加载速度超过了某一限度,使材料的机械性质发生显著的变化,其许用应力值也必定随之发生明显的改变。因此,构件受冲击荷载或高速加载的强度条件就不该建立在静荷载的许用应力[σ]值的基础上。为了考察结构物承受冲击荷载及高速动荷载的能力,在没有解决其许用应力值时往往根据实物的破坏试验资料进行分析,这就化费了大量的人力、财力。为此,本文对材料在冲击荷载的强度分析作一些探讨。     

岩土结构中应变局部化有限元方法研究

介绍了岩土结构中常用的研究结构及其破坏机理的方法,通过对应变局部化的理论和数值模型的研究,初步探讨了改进控制方程、自适应技术和非连续形函数三种解决岩土应变局部化问题的方法,对研究结构破坏机理及解决实际工程问题都具有重要意义。     

土坝动力应变局部化与渐进破坏的自适应有限元分析

为合理描述土坝由于地震荷载引起的应变局部化与渐进破坏现象 ,本文采用了一种基于类似位移梯度的误差指示的自适应网格有限元技术 ,同时还将快速的、无条件稳定的分步时域解法与自适应技术结合起来。文中对美国著名的LowerSanFernando土坝的分析 ,显示了本文提出的有限元新技术的有效性     

考虑深部岩体各向异性强度的井壁稳定分析

目前在工程设计中,仍粗略地将节理岩体近似为各向同性体,在考虑节理对岩体强度的弱化作用时,均根据节理连通率对完整岩石的抗剪强度参数进行折减,因而未能反映岩体的各向异性特性。这对于浅部岩体工程来讲,也许是可以接受的,但随着建井深度的增加,进入深部状态的岩体表现出更强的各向异性特征,岩体的各向异性将不能忽略。将节理各向异性几何分布特征对岩体力学性能的影响通过微面的节理连通率来反映,从莫尔–库仑抗剪条件出发,采用方向分布函数分析方法,曾提出了一个基于二阶连通率组构张量的节理岩体各向异性强度准则。简要论述该各向异性强度准则,根据该准则研究了井筒的弹性稳定问题。研究表明:考虑岩体的各向异性强度对井筒进行钻井灌浆分析时,在给定的泥浆压力下,沿最大地应力方向钻井的安全系数并不一定比沿其他方向钻井的安全系数高。     

基坑设计考虑粘性土变形局部化的探讨

根据上海软土在固结不排水平面应变压缩试验条件下应变局部化和剪切带形成的实测研究结果,发现粘性土剪切带开始形成的偏应力为其屈服点。过此点后粘性土局部化变形加剧。这将有助于土体在强度理论、变形和稳定分析等方面的深入研究。为此,在深入研究变形局部化的同时,着重研究考虑粘性土变形局部化的深基坑计算参数问题。     

上海粘性土局部化变形的平面应变试验研究

采用可量测局部变形的平面应变仪 ,对上海粘性土原状土样进行固结不排水平面应变压缩条件下局部化变形的试验研究 ,试验表明 :上海原状粘性土在固结不排水平面应变压缩试验过程中 ,确实存在局部化变形 ,土样经历了变形分叉、偏应力峰值、剪切带破坏到残余偏应力等阶段的渐进性破坏过程 ,定性提出上海原状粘性土局部化变形的一些规律     

上海粘性土局部化变形的平面应变试验研究

采用可量测局部变形的平面变应仪，对上海粘性土原状土样进行固结不排水平面应变压缩条件下局部化变形的试验研究，试验表明：上海原状粘性土在固结不排水平面应变压缩试验过程中，确实存在局部化变形，土样经历了变形分叉，偏应力峰值，剪切带破坏到残余偏应力等阶段的渐进性破坏过程，定性提出上海原状粘性土局部化变形的一些规律。     

考虑应变软化的道路变形性状有限元分析

通过室内动三轴试验，分析了路基填土及作为基底的复合地基在循环荷载作用下的应变软化性质，并以此为基础，采用动态弹塑性有限元分析了道路的变形性状。加固区置换率的变化会对路面变形产生影响，产生的影响主要通过其模量表现出来，但影响程度较小，所以，在满足稳定性要求以及下卧层顶面应力要求的情况下，不主张通过增大置换率来减小路面变形。对路面变形影响最大的是下卧层土体的性质，因此，软土层不是很厚时，最好加固整个土层，但软土层很厚时，加固效果比较差。加固区深度与宽度的变化会极大地影响路面变形，所以，软土层很厚时，可增大加固区深度与宽度以减小路面变形。     

考虑土体强度各向异性基坑抗隆起上限分析

软粘土中深基坑开挖支护系统设计一般由不排水稳定控制.考虑基坑开挖引起土体应力主轴旋转和土体不排水抗剪强度的各向异性,采用Casagrande&Carillo推荐的土体不排水各向异性强度公式,假定Terzaghi和Prandtl土体滑移破坏形式,运用塑性极限分析上限定理推导两个基坑开挖的抗隆起稳定公式.研究了基坑开挖土体强度各向异性比、平面几何尺寸、坑底硬土层对抗隆起安全系数的影响及其相互影响,并与Terzaghi方法和Bjerrum&Eide方法进行了比较,最后用文献中的工程实例进行了验证.     

三维化方法对土的平面应变强度和变形的影响分析

临界状态本构模型需要通过三维化来反映材料在三维应力状态下的力学特性。采用不同三维化方法在描述应力罗德角和偏应力对应力应变的影响程度上具有差异性,在平面应变条件下,这种差异性对土的应力应变计算结果影响往往非常显著。以K₀固结土的统一硬化(UH)本构模型和空间滑动面(SMP)强度准则为例,分别采用变换应力(TS)方法和g(θ)方法这两种常用方法对模型三维化,推导了相应的三维弹塑性刚度矩阵[D_ep],阐述了不同方法在三维应力应变计算过程上的本质区别。相比g(θ)方法,TS方法可以合理描述不同K₀状态下土的应力水平对偏平面上屈服曲线形状的影响规律,即由低应力比下的近圆形转变为剪切破坏时的SMP破坏准则形状,实现了土体从剪切屈服到剪切破坏的一致性。通过对一系列平面应变单元试验和边值问题的分析计算结果表明,采用TS方法三维化的UH模型预测结果与已有试验规律更为吻合。在不同K₀固结条件下,由于计算得到的破坏面呈现不规则形状,采用g(θ)方法往往过高或过低地估计平面应变条件下土体的应力水平。     

考虑原生各向异性土的统一硬化模型

通过将一种各向异性参数α引用到统一硬化模型中,建立能够考虑土的原生各向异性的统一硬化模型。该模型采用将各向异性土体的应力变换为等效各向同性土体的应力方法,来实现各向异性的同性化,以考虑土的原生各向异性特性。各向异性参数可以由具有原生各向异性土的三轴试验获得。通过对日本丰浦砂试验数据的预测,表明了砂土原生各向异性统一硬化模型可以合理地描述具有原生各向异性砂土的变形特性、强度特性及其剪胀性。     

纤维加筋非饱和黏性土的剪切强度特性

纤维加筋是近些年发展起来的一种土质改良技术,系统掌握纤维加筋土的力学性质对评价纤维加筋土工程的稳定性和进一步推广该技术在工程中的应用具有重要意义。为了了解纤维加筋的剪切强度特性,以非饱和黏性土为研究对象,以聚丙烯纤维为加筋材料,在控制含水率和干密度条件下开展了一系列直剪试验。借助扫描电镜,从微观的角度探讨了纤维的增强机理,并对相关宏观力学性质进行了分析。结果表明：纤维加筋能有效提高土体的抗剪强度,且抗剪强度随纤维掺量的增加而增加;相对于内摩擦角,纤维对黏聚力的增强效果要明显得多;纤维加筋土的抗剪强度随含水率的增加而减小,随干密度的增加而增加;总体上,低含水率和高密实度条件有利于发挥纤维的拉筋效果,提高纤维对强度的贡献。此外,纤维加筋在提高土体峰值剪切强度的同时,还能增加土体破坏时对应的应变及破坏后的残余强度,改善土体的破坏韧性。由扫描电镜分析可知,单根纤维一维拉筋作用和纤维网三维拉筋作用是纤维加筋土的主要增强机理,增强效果则取决于纤维-土界面力大小;剪切面上的纤维在剪切过程中呈现拔出和拉断两种失效模式。     

平面应变条件下砂土局部化剪切带的有限元模拟

 根据饱和砂土的排水平面应变压缩试验的应变场,分析研究砂土的应变局部化现象以及剪切带的形成。在平面应变压缩条件下,砂土在峰值应力状态附近出现应变局部化现象,在残余状态最终形成一条V型剪切带。剪切带的形成是一个渐进过程,砂土呈现出渐进性破坏特性。这种由软化特性引起的应变局部化剪切带是砂土材料非常重要的变形和强度特性之一。基于砂土的三要素弹黏塑性本构模型和动态松弛有限元求解技术,对砂土的应变局部化现象和剪切带的形成进行有限元模拟。其中,砂土本构模型中引入应变局部化参数S来表示砂土峰值以后的软化和剪切带效果,剪切带在单元内未考虑其方向性,而是假设剪切带方向与最大剪切应变的方向一致。分析结果表明,动态松弛有限元法及砂土三要素模型能合理地模拟砂土的应变局部化现象,剪切带附近的最大剪应变值也非常接近,从而实现对砂土材料从硬化→峰值→软化→残余的全过程模拟以及对砂土应变局部化剪切带的定量化分析。     

用有限变形理论研究黏性土试样中变形的局部化问题

基于有限变形理论和中井的下负荷面本构关系模型,研究了平面应变试验中黏土试样变形的局部化问题。推导了适用于中井本构关系模型的稳定、快速收敛的欧拉向后应力积分算法。在局部误差和整体误差都得到精确控制的情况下,用数值方法得到了土体内部明显可见的X型剪切带。在剪切带的形成过程中,剪切带内及其附近单元存在两次塑性不稳定现象,其中第一次在这些单元进入极限状态之前,第二次在极限状态附近。在这两次塑性不稳定现象之后,变形的局部化过程明显加快,剪切带从中间向外沿四个方向迅速传播。同时,指出了这种塑性不稳定现象和单元分叉之间的内在关系。     

饱和黏性土抗剪强度的试验方法

饱和黏性土的工程特性,与其应力状态密切相关。自然状态的地基土固结应力状态以及工程设计工况的应力状态,是确定地基土抗剪强度试验方法必须考虑的问题。通过原状土的土工试验,分析研究饱和黏性土抗剪强度试验方法及对其抗剪强度指标的影响,提出现场取得的不扰动土样,在试验室进行抗剪强度试验,必须进行恢复土样初始应力状态的预处理;应针对实际工程问题需要,确定固结压力及排水条件进行土样的剪切试验;资料整理时应区分工程应用的应力条件,小于前期固结压力的压力段和大于前期固结压力的压力段分别进行统计分析,确定抗剪强度指标。     

考虑低速非Darcy渗流的饱和黏性土一维固结分析

介绍并分析了非Darcy渗流模型,修正了Terzaghi一维固结模型并进行了数值计算,分析了固结过程以及超静孔压消散的规律,认为超静孔压的缓慢消散是导致次固结现象的原因之一。讨论了起始水力梯度、临界水力梯度、瞬时荷载以及土层厚度对固结过程的影响,提出了确定非Darcy渗流适用范围的公式。     

轴对称条件下水平-竖向加筋黏性土的强度分析

水平-竖向(H-V)加筋是在传统水平加筋基础上布置不同形状的竖筋所形成的空间加筋体系之一。针对包含(非满布)环状竖筋的典型H-V加筋方式,结合已进行的H-V加筋黏性土三轴试验,分析H-V加筋黏性土的工作机理,即H-V加筋的作用不仅体现在水平加筋的摩擦效应,而且还表现在竖向加筋的侧向约束作用,在H-V加筋中被竖筋包围的土体会形成挤密区,当荷载达到极限值时,竖筋将发生倾覆。分析中将竖筋的侧阻作用简化为侧向土压力,按极限平衡状态计算竖筋两侧的主动土压力与被动土压力,并将其转换为筋条上的水平径向拉力。在水平加筋强度理论基础上,推导H-V加筋黏性土摩擦型破坏条件下的强度公式,并与试验值进行对比验证,结果表明二者较为接近。     

岩石应变局部化的二维应变梯度塑性解析分析

通过在屈服函数中引入材料的内部长度，建立了小应变弹性变形下的塑性增量本构关系，给出了岩石材料在单轴压缩条件及二维平面应力条件下等效应变的解析表达式。导出了在Mises屈服准则下平面应力情况的岩石村料应变局部化带的带宽与其倾角的关系式，讨论了应变局部化带宽度的分布范围，并给出带宽最大值和最小值形成的条件。讨论了岩石材料破坏Ⅰ，Ⅱ类变形的条件，并推出了破坏的临界角度，对岩石材料Ⅰ类变形进行了详细分析；讨论了在不同泊松比、不同的E/λ条件下材料应变局部化带的倾角的变化范围。最后，利用梯度塑性理论得到的结论同材料破坏的库仑准则进行了对比研究，对内摩擦系数给予了合理的解释。