“虚实结合”在土力学教学中的探索与实践

土力学是一门实践性学科。传统课堂理论教学存在知识点繁多、内容体系复杂、与实际脱节等问题,而实验教学也有课时、场地、设备等时间、空间和资源等方面的限制和约束,导致整体教学效果欠佳。中山大学土力学教学团队秉持“虚实结合”的教学理念和方法,开展土力学教学改革探索。一方面,在课堂理论教学中引入实体教学模型,强化学生对理论模型、抽象概念以及工程实际的理解和认识;另一方面,通过虚拟现实技术建设仿真实验平台,克服传统实验教学的时空局限性和资源约束。基于“虚实结合”的教学手段,可激发学生学习的主动性和积极性,培养学生的创新思维,提升土力学课程的教学质量和效果。     

散粒土自然堆积的宏细观特征与形成机制

利用离散元数值方法模拟由不同形状颗粒形成散粒堆积体的过程,并通过分析堆积体的宏细观力学特征来揭示其形成机制。研究发现,颗粒形状愈规则,自然休止角愈小。细观上,颗粒接触法向量、法向接触力和切向接触力的各向异性分布强度都随颗粒形状变得规则而降低;接触法向量各向异性主方向与竖直方向的角度差■同自然休止角a之和近乎为一个常数,法向接触力和切向接触力的各向异性主方向与竖直方向的角度差■和■可近似表达为与自然休止角?正相关的线性函数。最后,建立了堆积体内部拱效应的优势发挥方位同颗粒接触法向量、法向接触力和切向接触力各向异性主方向的关系。     

南海岛礁珊瑚砂砾混合料动力特性试验研究

在南海岛礁实际建造工程中,上部吹填地基材料以大小砂砾共存、混杂无序的状态分布。地层中砂砾混合分布状态使地基在地震等动荷载下呈现出复杂的力学响应。通过开展一系列不同含砾量、密实度、围压和初始剪应力条件下的不排水循环三轴剪切试验,研究珊瑚砂砾混合料在不同工况下的动力特性。试验结果表明,无论是在松散还是密实状态,含有珊瑚砾的混合料试样在循环荷载下表现出更缓的轴向应变增长和孔隙水压上升的变化趋势。与单一珊瑚砂所构成的试样相比,珊瑚砂砾料试样具有更高的抗液化能力。珊瑚砂砾混合料抗液化强度随着含砾量、密实度和初始剪应力的增大而显著提高。密实珊瑚砂砾料的抗液化强度随围压的增大而减小,而针对松散试样没有发现明显规律,这可能是围压和密实度耦合影响引起的。试验结果表明含砾量对试样抗液化强度的影响主要受混合料骨架结构所控制,混合料骨架大致可分为粗颗粒（珊瑚砾）和细颗粒（珊瑚砂）结构主导两种状态。二元介质属性是开展砂砾混合料力学特性研究所必须考虑的影响因素。     

双排桩开挖过程的改进有限元分析方法

在现有的双排桩计算模型上,提出了改进有限元计算方法。在该法中,将被动区的土压力视为弹簧反力,考虑地基反力系数的变化,并将弹簧反力转化成等效结点力且表示成单元结点位移的函数,由此得到弹性地基梁单元矩阵,最后建立平衡方程求解内力和位移;按改进方法,分步开挖考虑了开挖过程中桩体内力和位移的连续性,采用增量法来计算开挖过程的荷载增量。     

考虑地下水位的库仑主动土压力计算方法探讨

由库仑理论中的楔体极限平衡条件出发，考虑了地下水位的影响，推导出不同主动土压力计算公式，并通过算例分析了挡土墙存在地下水位时的库仑主动土压力，为存在地下水位影响的库仑主动土压力的计算提供了依据。     

松砂不稳定行为的数值模拟研究

针对松散砂土的不稳定行为和静态液化现象，开展了一系列的双轴剪切试验离散元数值模拟，从宏细观的角度研究了松砂不稳定行为的各种影响因素及其发生机理。通过数值模拟发现，砂土的不稳定行为不仅与初始孔隙比有关，而且与土体结构的各向异性和围压有关。当加载方向与由颗粒接触法向所表征的结构各向异性主方向不共轴时，不稳定行为的发生会同时伴随着各向异性主方向的旋转。两个方向的角度差愈大，不稳定行为愈容易发生，颗粒的细观运动和细观结构重组现象也愈剧烈。不稳定状态点处的剪切荷载主要由颗粒间法向接触力承担，切向接触力仅起次要作用。     

压力隧洞钢筋混凝土衬砌开裂数值模拟研究

立足于直接求解压力隧洞设计所关注的衬砌裂缝条数和裂缝宽度,同时考虑混凝土衬砌的开裂、钢筋的作用、钢筋与混凝土间的粘结滑移以及围岩的作用,建立了压力隧洞钢筋混凝土衬砌开裂的数值模型,并编制了相应的计算程序。采用该计算程序对压力隧洞钢筋混凝土衬砌开裂问题进行数值模拟研究,分析了钢筋量、围岩条件对裂缝条数和裂缝宽度的影响,并着重与现行规范进行对比分析。结果表明,所建模型能反映压力隧洞钢筋混凝土衬砌作为地下结构的受力特性;围岩条件对裂缝条数和宽度均有明显影响;压力隧洞钢筋混凝土衬砌限裂的关键在于改善围岩条件,不宜盲目加大钢筋量。该研究结果对压力隧洞工程实践具有一定的指导价值。     

水泥搅拌桩挡墙抗倾覆稳定验算

讨论了目前水泥搅拌桩中抗倾覆稳定验算不合理的地方,并且通过分析水泥搅拌桩的失稳机理,揭示出了其失稳形态的多样性。提出了一种采用有限元法计算的水泥搅拌桩的稳定验算方法,并通过实例进行了验证。     

基于两级光滑边域混合单元的弹塑性二阶锥规划方法

弹塑性增量分析的数学规划方法是分析岩土工程变形和强度问题的有效途径之一，在处理非光滑屈服面、接触和多屈服面等复杂问题时具有独特的优势。为进一步简化计算和克服体积锁定问题，在广义Hellinger-Reissner(GHR)变分原理的基础上，提出一种新型混合常应力-两级光滑边域的三节点三角形单元，在关联流动法则和Mohr-Coulomb屈服准则条件下，将弹塑性增量问题转化为标准的二阶锥规划问题，并将黏-摩擦接触条件转化为锥约束条件引入到弹塑性增量分析的二阶锥规划问题中，随后采用高效的原对偶内点算法对其进行求解。最后将新方法用于岩土工程中两类经典问题的弹塑性数值分析。结果表明：新方法在计算效率、收敛性和精度方面均优于传统六节点三角形混合单元。