加筋砂土挡墙筋材层数影响的有限元分析

利用非线性弹塑性有限元对具有不同筋材层数砂土挡墙的模型试验结果进行了系列性的模拟与分析。有限元解析采用了基于修正塑性功砂土的硬软化弹塑性本构模型,它可以同时考虑砂土强度的各向异性、应力水平相关性、剪切应变局部化特性以及应力路径效应等。研究结果表明,利用这种较高精度的有限元解析方法对加筋砂土挡墙的变形破坏进行分析,不仅能较好地模拟加筋砂土挡墙基础底面的平均压力与沉降之间的关系,同时也能较好地再现筋材层数变化对加筋砂土挡墙承载力与变形的加筋加固影响。虽然本文所分析的各种工况中加筋材的抗拉总刚度 ( 或总重量 ) 不变,但随着所划分筋材层数的增多,加筋砂土挡墙的承载力明显增大。另外,利用以上建议的有限元方法也能合理地模拟不同层数加筋砂土挡墙的剪切带发生发展状况、加筋材的拉力、面板的水平土压力分布、以及加筋砂土挡墙的渐进性变形破坏特性,从而为定量化地把握和理解加筋砂土挡墙中筋材层数的变化影响和加固效果提供了一个有效的途径。     

加筋砂土边坡渐进性变形破坏的数值分析

利用非线性弹塑性有限元方法对加筋砂土边坡的模型试验从加载开始到破坏的全过程进行数值分析,并与无加筋砂土边坡的状况进行比较.为研究边坡的面板效应,对带面板的加筋砂土边坡的变形破坏进行弹塑性有限元分析.在有限元分析中,砂土的本构关系选用应变硬化软化弹塑性模型,该模型可以考虑砂土的应变局部化、强度的各向异性以及应力水平相关等特性.结果表明,建议的非线性弹塑性有限元分析可以较好地模拟加筋砂土边坡的局部应力-应变分布以及剪切带发生、发展状况,有助于定量化地把握加筋砂土边坡的渐进性变形破坏特点以及加筋条带的加固机制和边坡的面板效应.     

加筋砂土地基中加筋宽板效果的数值解析研究

加筋砂土地基中加筋宽度(也即加筋材长度)的变化会对基础的承载力和地基的变形破坏带来很大的影响。为了对这种宽板效果及其加筋机理有一个合理的认识与理解,提出了一种非线性硬软化弹塑性有限元解析方法,并利用此方法对相关的室内模型试验结果进行了较为全面的数值解析。有限元解析中所采用的砂土本构模型以修正的塑性应变能量为硬软化基本参量,可以较为精确地模拟砂土的应力路径效果。结果表明,利用这种较高精度的有限元解析方法对加筋砂土地基的承载力及其变形破坏进行解析,不仅可以较好地再现加筋砂土地基的荷重与沉降关系的试验结果,同时也能合理地模拟模型实验中所观察到的渐进性剪切破坏模式。     

基于Goodman界面单元的加筋砂土变形破坏有限元数值分析

利用非线性弹塑性有限元,对无加筋砂土和采用光滑铜板的加筋砂土平面应变压缩试验结果进行从小变形到破坏的全过程数值解析.考虑到光滑铜板与砂土之间存在滑移,在有限元分析中采用Goodman连接单元作为界面单元.在有限元分析中还需考虑影响砂土变形强度的诸多特性,包括:(1) 围压大小的相关性;(2) 强度的各向异性;(3) 峰值前应变硬化及峰值后应变软化的非线性特性;(4) 剪胀性;(5) 应变局部化及剪切带形成特性等.结果表明,利用建议的有限元方法得到的加筋砂土平面应变压缩的应变-应力关系与室内试验结果吻合较好,最大应力比和峰值前刚度非常接近试验结果;提出的有限元分析方法可以较准确地捕捉到砂土的剪切带发生、发展状况,合理地模拟加筋砂土的渐进性破坏特性以及加筋材和砂土之间的相互作用机制.     

砂土地基中加筋深度效果研究

利用非线性弹塑性有限元对具有不同加筋层数砂土地基的一系列模型试验结果进行了较为全面的计算与分析。有限元解析中所采用的砂土本构模型以修正塑性应变能量为硬软化基本参量,它可以较为精确地模拟砂土的应力路径效果。作为解析对象的模型地基由干燥的日本丰浦砂组成,不同层数的加筋材平铺在条形基础下方。结果表明,利用这种精度较高的有限元解析方法对加筋砂土地基进行解析,可以较好地再现由于加筋层数(加筋深度)变化而带来的对承载力与变形的影响。尽管加筋宽度与基础宽度相同,但是随着加筋层数的增多,加筋砂土地基的承载力明显增大,加筋深度效果明显优于加筋宽板效果。另外,利用以上的有限元分析,也能合理地模拟砂土地基渐进性剪切破坏的现象以及加筋材的诱发引张内力,可以更加合理地认识和理解砂土地基中加筋深度补强机理。     

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。     

剪胀K-G模型及其有限元数值分析

建议了一个非线性弹性剪胀K -G模型 ,即通过变换应力法将SMP破坏准则简单地引入切线剪切模量Gt中 ,使其能反映中主应力σ2 对土体变形强度的影响 ,并通过在切线体积模量Kt中耦合一个反映剪切过程的系数的方法来考虑土的剪胀性。用该模型较好地预测了粘土、砂土的三轴压缩、三轴伸长与平面应变试验结果 ,并用其进行了挡墙土压力的有限元分析计算 ,计算结果与模型试验结果基本吻合。     

探讨土工格栅加筋砂土加固机理

以路基浅层处理为研究对象,通过室内模型试验对土工格栅加筋体的局部应力—应变分布以及剪切破坏状况进行了研究,并得出科学结论,从而对加筋砂土的变形破坏以及补强材料的加固机理有了更加全面深入的认识。     

边坡稳定的大变形有限元可靠度分析

在用有限元法对边坡稳定的可靠度进行分析时，通常只考虑土体的弹塑性变形（即材料非线性问题）。而对于土坡而言，其滑动面附近土体会产生应变局部化，研究结果表明：当平均应变为10％时，剪切带内的应变高达40％。因此，为了真实模拟边坡的破坏情况及过程，应进行边坡的大变形有限元可靠度分析（即几何非线性问题）。基于非线性连续介质力学的基本原理，采用以物质坐标为变量的更新的拉格朗日法（uL法）建立了弹塑性大变形有限元分析模型，同时考虑了边坡工程中的材料非线性及几何非线性问题。在此基础上，采用有限元强度折减法计算边坡的安全系数，建立了边坡破坏的极限状态方程，进行了边坡的有限元可靠度分析。计算比较了弹塑性小变形及弹塑性大变形时均质土坡的安全系数及可靠指标，进行了参数的敏感性分析。得出了当考虑边坡的大变形时，安全系数有所增加而可靠指标有所减小的结论，指出只进行小变形有限元可靠度分析偏于危险。     

砂土的双硬化特性与弹塑性本构模型

 基于高精度的丰浦砂三轴等向加卸载试验与多应力路径平面应变压缩试验结果,提出平面应变条件下的修正塑性功体积硬化函数,得到双硬化框架下的修正塑性功剪切硬化函数,建立应力路径不相关的丰浦砂修正塑性功剪切–体积双硬化函数。在该双硬化函数基础上,推导基于修正塑性功的增量型剪切–体积双硬化弹塑性刚度矩阵,构建可以考虑多种变形强度影响因素的丰浦砂本构模型。数值计算与室内试验结果的比较表明,该砂土双硬化弹塑性本构模型可以合理地模拟砂土材料的变形强度特性。     

土体稳定与承载特性的分析方法

结合研究团队多年的研究积累,分别从砂土与饱和软黏土两个方面阐述了在土体失稳与承载特性分析方法方面的理论研究成果。排水条件下密砂在到达峰值强度前可能会出现应变局部化失稳,而饱和松砂则可能出现分散性失稳;建立了基于三维非共轴塑性理论的变形分叉分析方法,分析了砂土平面应变试验和真三轴试验的应变局部化现象,进一步分析了各向异性砂土的强度特性和应变局部化现象,以及砂土的状态相关特性对应变局部化的影响;建立了基于状态相关本构模型的砂土应变局部化失稳弹塑性有限元分析方法,探讨了复合体理论和非局部塑性理论在消除有限元网格依赖性问题方面的可行性;建立了基于二阶功准则和状态相关本构模型的饱和砂土分散性失稳数值分析方法。提出了基于临界状态理论的饱和软黏土各向异性不排水强度理论公式,以及基于循环累积塑性应变的强度弱化公式,形成了适合低渗透性饱和软黏土的弹塑性静动力有限元分析方法;建立了非均质与各向异性软黏土地基稳定性问题的极限分析上限方法,进一步提出了不排水地基承载特性的虚拟加载上限分析方法,形成了分析地基承载特性循环弱化的弹塑性有限元法和虚拟加载上限法。所建立的分析方法将为砂土与饱和软黏土地基稳定性和承载特性的理论预测提供重要的技术手段。     

基于黏聚区域模型的边坡渐进破坏过程强化有限元分析

剪切带非连续变形描述及剪切带扩展过程模拟是边坡渐进破坏过程分析的关键,基于黏聚区域模型及强化有限单元法提出一种剪切带渐进扩展过程模拟的有限元分析方法。首先,将剪切带两侧相对变形分解成分别由常规应变和附加应变确定的相对位移,提出具有弱非连续变形特征的剪切带变形等效强非连续变形描述方法,并采用黏聚区域模型表征剪切带应力和附加相对位移间的软化本构关系。其次,基于强化有限单元法描述强非连续变形,并构造相应的无厚度剪切带单元。在此基础上,提出剪切带渐进扩展模拟的有限元算法。算例表明,此方法不仅能够很好地模拟剪切带的应变软化特性,而且有效地克服了常规剪切带模拟具有的网格敏感性问题。     

Progressive failure mechanism of a large bedding slope with a strain-softening interface

The present work is primarily concerned with the progressive failure mechanism of a large bedding slope with a strain-softening interface. Both the laboratory tests and finite difference method (FLAC software) are employed to fulfill our purpose. Firstly, the shear properties of the interface (the mudded weak interlayer) are investigated through groups of repeated shear tests. According to the test results, all kinds of the interfaces share the characteristics of strain softening. To simulate the shear behavior of the interface in FLAC, a contact constitutive model with strain softening is built and verified against experimental results. The modified constitutive model of the interface is later applied to the numerical simulation of the bedding slope. Through investigating the response of the strain-softening contact elements to the stress characteristics among the rock layers, the chain action law of the bedding slope stability can be obtained. Finally, the progressive failure mechanism of the bedding slope is determined based on the chain action law. A typical case is investigated to validate the feasibility of the strain-softening contact element and the progressive failure mechanism of bedding slopes.     

考虑应力路径和加载速率效应砂土的弹黏塑性本构模型

 利用室内多应力路径平面应变压缩试验结果,分析和研究密实砂土变形和强度特征的应力路径和加载速率效应。试验结果表明：一方面,不可恢复体积应变和剪切应变都具有明显的应力路径相关性,因而在传统塑性理论中将其作为硬化参量存在不合理性;另一方面,砂土的应力–应变特性与加载速率的变化存在着显著的关系。加载速率效应与蠕变和应力松弛一样均是砂土黏性的外在反映,其最重要的特征之一是加载速率发生突变时,应力也发生相应的突变,并呈现出刚性很大、近似弹性的特性。对试验结果的进一步分析发现,一种修正的不可恢复应变能W ir*及相关的函数与应力路径不相关。将W ir*作为硬化参量,并在非线性三要素模型的理论框架下,提出一种基于能量的砂土弹黏塑性本构模型。该模型可以考虑应力路径、压力水平、固有各向异性、孔隙比等因素对砂土变形和强度特征的影响,以及应变局部化和加载速率变化所产生的黏性特性。将上述模型嵌入到有限元程序中,并对平面应变压缩试验进行模拟计算,验证模型的精确性。研究结果表明,与现有的砂土本构模型相比,所提出的模型能更好地模拟应力路径及加载速率变化对砂土变形和强度特征的影响。     

一种纤维加筋土的两相本构模型

纤维加筋土具有较好的应用前景,其应力应变本构关系是工程分析与设计的基础。将纤维加筋土考虑为基本相和纤维相的组合体,分别采用修正剑桥模型和线弹性模型,考虑了大应变时纤维加筋土的屈服,引入了加筋土的合理强度模型作为破坏准则,从而建立了纤维加筋土的一种两相本构模型。同时,开展了纤维体积含量为1%的加筋砂的三轴固结排水剪切试验,对该两相本构模型进行了验证。     

超高三级加筋土挡墙的有限元分析

采用有限元方法,对超高三级加筋土挡墙的最大主应力、最小主应力、剪应力等应力和塑性破坏区及其变形进行了分析计算,得出了有关的结论,并与其离心模型试验和现场调研进行了对比。