基于修正关口-太田模型的归一化变形量开挖边坡失稳判据

由于普通土体本构模型不能反应土体初始应力状态及开挖应力路径,在进行有限元计算时得到的特征点位移也会与工程实际有偏差。选用可以对开挖前边坡土体的初始K_0应力状态以及开挖应力路径进行合理描述的修正关口太田模型,对开挖边坡进行有限元计算。根据位移突变判据,采用单因素敏感性分析,对54例简单边坡进行有限元计算,得出与边坡位移量呈正、负关联的基本参量。利用灰色关联分析方法,首次同时考虑了土坡几何参数、物理参数、本构模型等基本参数,将边坡的变形量进行归一化处理,构建以变形量为基础的归一化失稳判据F_u及警戒位移值U_1′,从而可以通过实时监控边坡位移及时给出滑坡体的安全性评价。     

土的三维弹黏塑性应力路径本构模型

基于土的等向压缩规律,将变形分解为瞬时变形和延时变形,参考UH模型中瞬时变形和延时变形的计算方法,发展一个土的一维EVP模型。在土的应力路径本构模型基础上,考虑超固结比和剪应力比对瞬时塑性变形的影响;结合过应力理论和修正剑桥模型塑性势函数将一维应力状态下的延时变形规律拓展到三维应力状态。提出三维应力状态下瞬时和延时变形的计算方法,进而建立的三维EVP应力路径本构模型。分析7个材料参数的物理意义,并给出材料参数的确定方法。通过与试验结果的比较表明,所建立的三维模型可合理地描述黏土和砂土的黏性特性,尤其是可同时描述土体开挖时应力比加载条件下土体变形的时间效应、应力路径相关性等。     

考虑土分层的搅拌桩支护结构性能研究

将水泥土搅拌桩支护结构及土体视为共同变形的整体,建立了三维有限元模型,选用Drucker-Prager本构模型及非线性增量迭代法,以泉州某基坑为工程原型,利用ANSYS工程计算软件,进行了模型验证,并详细讨论了各支护参数变化时水泥土搅拌桩的位移、应力分布。揭示了地面堆载、墙体厚度、不同土层性质及其分布对搅拌桩位移、应力的影响,墙体位移和应力的关系,分步开挖对搅拌桩位移的影响及合理布置开挖步需考虑的因素。     

基坑开挖卸荷应力路径地基土工程特性

基坑工程支挡结构分析计算是否能正确模拟地基土的工程行为,主要在于采用的应力-应变关系及计算参数的选取方法能否符合工程实际的应力路径。本次研究分析了现行基坑工程设计参数试验获取方法的不合理性,认为土体的物理力学试验应确定其初始应力和固结状态,且试验采用的应力路径应能反映基坑开挖引起土体应力状态的变化,所得参数应能将地基土的强度与变形有效地联系起来,应力-应变关系既能表达极限状态,又能描述过程状态。研究提出了一种针对基坑工程的土工试验方法,将基坑开挖应力路径简化为三种,并结合基坑足尺试验场地原状土样的土工试验结果,分析了基坑开挖卸荷路径地基土的强度、变形特征,得到了土体应力-应变关系及归一化方式。研究结果对改进基坑工程设计及计算分析方法具有重要意义。     

基于K_0固结排水卸荷应力路径试验粉土应力–变形特性研究

针对开挖土体复杂卸荷应力路径,按不同初始应力状态和卸荷应力比,对南水北调南干渠粉质黏土开展了K_0固结排水卸荷应力路径试验。试样首先在不同围压条件下K_0固结稳定,然后根据不同的轴向应力和径向应力卸荷比,进行卸荷试验,以模拟实际土体开挖过程中的应力路径。试验结果表明土体的应力应变特性与应力路径密切相关:不同卸荷应力比条件下,试样可能为压缩,先伸长再压缩或者为伸长变形;卸荷应力路径下压缩和伸长应力比临界值与初始固结状态和土性相关;相同平均应力增量条件下,卸荷应力比越小,试样体积膨胀绝对值越大;土体强度参数受加荷方式和应力路径影响不大。试验结果和常规三轴试验有显著区别,需要发展能够描述卸荷应力路径下的土体本构模型,对开挖土体开展符合工程实际的应力变形分析。     

盾构法隧道施工数值模拟

盾构法隧道施工在城市地下工程建设中有着广泛的应用前景。分别采用可以考虑土体小应变特性的本构模型与修正剑桥模型对盾构隧道施工进行了数值分析。这两种模型的计算结果的规律性是相似的;采用修正剑桥模型计算的沉降量、开挖影响范围受盾构施工质量的影响不大;采用土体小应变本构模型计算结果对盾构施工质量很敏感。盾构开挖过程中土体的有代表性的应力路径大都在修正剑桥模型屈服面之内,判断为卸载,即使有部分加载路径,根据剑桥模型计算的变形也不大,小应变本构模型合理地定义了加卸载,可以反映土体小应变时的高刚度,随应变增大土体刚度的迅速减小过程,因而较好地反映了施工质量对地表沉降的影响。分析表明小应变本构模型计算结果是合理的,也证明了考虑土体小应变特性的必要性。     

三维有限元分析隧道开挖收敛损失与纵剖面 变形曲线关系研究

采用实验室研发的三维有限元程序,运用隧道收敛-约束法的分析模式,针对岩体弹性参数、初始应力与隧道径向位移等影响因素,探讨有支撑与无支撑情况下的隧道开挖收敛损失与纵剖面变形曲线关系.采用纵剖面变形曲线的研究结果,并与三维有限元数值计算结果相比较,探讨收敛损失的影响.由隧道收敛-约束法理论分析结果与三维有限元数值计算结果可知:(1) 确立隧道开挖收敛损失与纵剖面变形曲线的关系;(2) 隧道纵剖面变形曲线的归一化处理方式,可消除岩体参数、初始应力和隧道收敛的位置等因素影响;(3) 在弹性条件下,隧道开挖面产生的前期位移量约为最终位移量的25%～36%;(4) 由二维纵剖面变形曲线的分布,可计算并获得隧道开挖收敛损失值、了解隧道开挖工作面效应的三维影响,进而能计算分析岩体结构的应力与位移等变化量.     

MC、HS、HSS本构模型在深基坑开挖模拟中的比较分析

文中运用有限元分析软件Plaxis进行建模,对上海软土地区深基坑开挖过程进行模拟。总结归纳了上海地区土体参数设置的方法,并比较了MC、HS、HSS三种土体本构模型的模拟结果。通过三种本构模型的横向比较,及与现场监测数据的对比发现,通过设置合理的土体刚度参数及OCR值,HSS本构模型能够较为精确地模拟出围护墙体水平位移变形。     

基于反分析法的基坑开挖引起的土体位移分析

目前基坑开挖引起的土体自由场位移的计算方法主要为有限单元法,而要利用有限单元法较为准确的计算土体的位移场,除了对有限单元法理论以及土体本构知识有较为充足的储备外,模型参数的选取也是重要因素。室内试验确定模型参数受到诸多因素的影响,很多时候在利用这些参数预测基坑变形时并不准确。反分析方法可以有效的解决模型参数的选取问题,因此本文将基于实测数据,采用考虑土体小应变特性的HSS模型,利用反分析方法对基坑开挖引起的土体位移进行研究。研究表明考虑土体小应变采用反分析方法可以较为准确的计算基坑开挖引起的土体位移。     

土体非共轴各向异性对城市浅埋土质隧道诱发地表沉降的影响

当前用于隧道工程数值模拟的本构模型,大多局限于土体各向同性框架下的共轴假设,难以充分反映隧道周围土体力学响应的复杂性。针对典型砂土和软黏土,建立考虑初始强度各向异性和非共轴特性的二维平面应变、理想弹塑性的土体本构模型,并编制用户材料子程序(UMAT),嵌入非线性有限元软件ABAQUS中,对城市浅埋土质隧道开挖施工进行二维数值模拟分析。结果表明:开挖面附近土体应力主轴可能发生明显旋转;同等地层损失率下,考虑土体初始强度各向异性预测的地表归一化沉降槽的形状与离心机试验结果更加吻合;同一程度荷载衰减下,考虑非共轴各向异性影响后沿中轴线的最大地表竖向位移明显偏大。因此可以认为,如忽略土体的非共轴和各向异性特性,可能会导致相关的设计方案偏于不安全。     

均匀设计原理在地下工程位移反分析中的应用

以小湾水电站为背景，在试验、监测、前期分析结果的基础上，建立地质与施工的概化模型。以围岩基本力学参数和初始应力场为基本变量，按均匀设计方法进行计算方案的组合，采用考虑开挖卸荷效应的三维弹塑性有限元方法完成了地下硐室群开挖模拟，并应用多元线性回归模型进行了围岩基本力学参数和初始应力场的反演分析。应用反演计算所得围岩基本力学参数和初始应力场计算各监测点的开挖扰动位移增量，相应的计算值与实测值较为吻合，表明反演得到的力学参数和地应力场基本合理，均匀设计原理在地下工程位移反分析中具有较高的实用价值。     

岩土边坡稳定性分析的模糊有限元方法研究

针对边坡工程稳定性评价的岩土力学参数的模糊性,研究了边坡稳定性分析的模糊有限元方法,并提出了边坡工程分析的模糊有限元快速求解方法。利用模糊有限元方法对实例边坡工程进行了模糊有限元研究,研究结果表明:岩体力学参数的模糊性会导致边坡位移和应力分析结果的模糊性,而采用模糊有限元分析方法对边坡进行分析可以增加工程技术人员对边坡位移、应力和安全度的全面认识,降低由于计算参数模糊性的影响带来边坡稳定性评价风险。     

毛竹复合土钉墙数值分析

本文采用非线性有限元法探讨软土深基坑毛竹复合土钉墙支护机理。数值模拟采用ABAQUS三维非线性有限元软件和实体单元(取代传统的结构单元)来模拟毛竹土钉与土体的相互作用,土体采用莫尔-库仑理想弹塑性模型,基坑的变形分析采用在此软件平台上二次开发能反映基坑开挖卸载的邓肯-张E-B模型,模型参数采用三轴加、卸载应力路径试验值或经验值。毛竹土钉按张拉破坏的弹性材料进行模拟,坡脚毛竹排桩等效为连续板桩来模拟。数值模拟预测结果与现场实测结果吻合较好,表明三维非线性有限元法对毛竹复合土钉墙的变形预测具有定量计算精度,可用于动态指导基坑开挖、支护设计和施工。     

饱和黏性土不排水分析中总应力强度指标的选用

针对饱和黏性土在不排水条件下的总应力分析，首先进一步深入阐释泰沙基有效应力原理，指出应注意区分静水压和超静水压，区分含有总水压的平衡总应力和仅含有超静水压的本构总应力。采用总应力法进行饱和土不排水分析时，这“总应力”只能是本构总应力。进而指出固结不排水强度指标一般不宜直接用于不排水强度计算，直接计算所带来误差的情况与实际总应力路径的斜率有关。建议此时采用饱和土原状土样在实际有效自重应力下预固结后不排水剪切试验测得的不固结不排水强度cu，并给出从固结不排水强度指标计算不固结不排水强度c_u的公式。最后就地基承载力、朗肯土压力和基坑稳定分析三类问题给出算例，分别采用不固结不排水强度和直接采用固结不排水强度指标进行计算，通过对比展示后者的误差情况并对其具体原因进行分析。     

基于强度折减法的边坡岩土体抗剪强度参数反演

鉴于传统位移优化反分析复杂的数学运算和迭代程序编制,提出了将强度折减法与位移优化反分析法相结合求解边坡岩土体抗剪强度参数。将双参数优化模型转变为单参数优化模型,通过折减系数将位移与抗剪强度参数联系起来,并结合有限元分析、数据拟合、最小二乘法优化,反演边坡岩土体折减系数。通过算例验证了所提方法的可靠性。结果表明:在合理选取初始值的条件下,通过该方法可以求得边坡岩土体抗剪强度参数;该方法不仅避免了复杂的数学计算和迭代程序的编制,还克服了双参数反演时二元线性或非线性回归引起的较大误差。     

边坡稳定性分析的物质点强度折减法

采用更新拉格朗日控制方程的物质点法模拟边坡失效过程。基于广义插值物质点法以及弹塑性土体模型,提出了物质点强度折减法,并用于边坡稳定性分析,具体步骤为:划分背景网格,确定物质点;分步加载重力以消除物质点的应力振荡,确定边坡初始应力场;折减强度参数,计算边坡塑性区分布及土体变形,确定安全系数。算例表明,物质点强度折减法与有限元强度折减法计算结果相近。同时,物质点强度折减法可采用坡顶点竖直方向的位移是否突变作为边坡失稳判据。此外,利用物质点强度折减法还发现,在某一折减系数下,即使塑性区贯通,边坡仍然具有一定的稳定性,不会立即发生位移突变,为边坡稳定性分析提供了新的思路。     

基于有限元理论的深路堑边坡稳定性分析

基于有限元理论,采用岩土工程应力应变分析软件SIGMA/W,分别对深路堑边坡开挖前后的应力应变特性进行数值模拟,结果表明:开挖前后边坡处于稳定状态。用极限平衡法所计算的稳定性安全系数进行验证,结果表现为一致性,边坡整体较稳定,开挖时坡顶可能发生浅表滑移。此结果为公路建设提供了依据。     

三峡工程船闸边坡的反馈分析

建立了岩石高边坡力学参数的联合位移反分析模型,该模型可以预测复杂区域材料的弹粘塑性力学参数,且可考虑施工爆破及卸荷的影响。依据反分析得出的力学参数,对三峡工程船闸边坡进行施工过程追踪预报分析,结果表明：边坡整体是稳定的,但存在局部失稳的可能性;边坡直立墙的最大变位可控制在50mm以内,风化层的最大变位可控制在80mm以内;开挖完成后最大为2．63mm的时效位移增长,发生于中隔墩直立墙的顶部,该变形在7－8个月内完成。     

FEM application to loess slope excavation and support: case study of Dong Loutian coal bunker,Shuozhou, China

The largest coal bunker in China will be built in the Dong Loutian loess region to store coal, and the long V-shaped loess slope of the bunker, more than 60 m in depth, will be excavated. The finite element method of numerical simulation is applied (using linear elastic and hardening soil models) to simulate stability of the excavation slope and deformation with and without reinforcement, with a view to predict the deformation trend, design the reinforcement scheme, decrease the unrealistically large heave at the base of excavation and horizontal displacement of the excavation slope, and ensure the safety of the project. The simulation results show that the stress field redistributes after excavation and reinforcement, and the horizontal displacement of the slope is inhibited effectively, while the soil at the base of the bunker should be emphatically compacted and supported by piles. The field-measured data are in better agreement with the results calculated from the hardening-soil model and the combined support mode of anchor and soil nail. Thus, the results can be used to determine the key deformation range and reinforcing areas for engineering design.