浅表层软黏土不排水强度的原位测试方法

提出了一种新的条形探头,该探头不仅具有全流动探头的优点,并缩小了已有的全流动探头的端部效应,可较好地测定浅表层软黏土的不排水强度。开展了条形探头浅层贯入室内模型试验,分析了探头贯入过程中土体的运动规律。应用数值方法进一步研究了探头贯入过程中的土体破坏模式,建立了深、浅破坏模式转换深度的下限解。依据试验结果和土体破坏形态,提出了条形探头在浅层软土中贯入时的虚拟应力场和机动场,基于极限分析理论求解了土体贯入阻力与土体强度关系的上下限解。根据试验得到的贯入阻力计算出土体强度的上下限值,十字板强度均位于极限分析上下限解之间,证明了条形探头探测浅表层软土强度的适用性。     

基于CPTU贯入深度超前滞后效应的数值模拟研究

孔压静力触探技术(CPTU)是目前应用最广泛的原位测试技术之一。在岩土工程设计中,准确识别土层边界对确定地基土的工程性质指标如桩的持力层、地基承载力等具有重大意义。目前,岩土勘察中的土层分界是通过现场取样进行室内试验为主,静力触探等原位测试方法为辅。一些研究显示,CPTU测试数据的连续性使土层边界的确定更加精确。然而超前滞后深度的存在使基于CPTU土层分层的方法精度降低,影响了国内CPTU在这一方面的发展。采用ABAQUS软件通过给上下土层的弹性模量赋予不同的数值建立探头在层状土中的贯入模型,并且对探头贯入过程进行数值模拟。基于大量的现场试验数据提出在上软下硬和上硬下软地层条件下超前滞后深度的计算公式,为CPTU识别土层边界提供了有效的依据。     

砂土中静压桩沉桩过程试验研究与颗粒流模拟

采用室内模型试验及颗粒流数值模拟研究了密实砂中静压桩沉桩过程,对桩周土体宏细观力学响应进行了分析研究。通过模型试验对浅层土体、桩身周围、桩端处土体的不同位移模式进行了比较分析,揭示了桩周不同位置土体的变位规律,并将孔隙变化场与宏观位移场进行相互印证,发现桩端土体位移模式与压密区基本呈圆孔扩张。对桩体贯入过程中的动端阻力、动侧摩阻力的发展规律以及临界深度等问题作了揭示。以室内模型试验为基础,建立了静压桩沉桩颗粒流模型,将数值结果与试验结果对比分析,通过分析土体细观变化模式揭示沉桩过程中宏观响应的内在机理。研究成果对于进一步明确沉桩挤土效应内在机理和沉桩阻力的发展规律都具有意义。     

取土器贯入扰动变形规律透明土试验研究

在岩土工程取样过程中,取土器贯入会引起土样扰动变形,造成土样物理力学性质的改变。为了研究取土器贯入过程中土体扰动变形特性及其影响因素,基于透明土及PIV技术,进行了不同尺寸、不同贯入速率的取土器贯入试验,得到了取土器贯入过程中土体扰动变形场的分布特性及规律。模型试验结果表明:土体扰动变形随着贯入深度增大而增大,管内土体表现为向上的隆起变形,在深度方向最大变形基本位于深度20 mm处;增大取土器内径能有效减小轴线处土体扰动变形,但减小幅度随着内径的增大而减小;增大取土器贯入速率不能有效地减小结构性较弱的砂性土样的扰动变形。     

扁铲探头贯入砂土的扰动效应试验研究

扁铲侧胀试验(DMT)是一种国内外岩土工程勘察中常用的原位测试技术,试验中探头的贯入过程可能对周围土体造成扰动,但目前关于这种扰动效应的研究尚不多。本文基于一系列探头预埋式和探头贯入式的DMT模型试验,对扁铲探头贯入砂土过程引起的土体扰动及其影响范围进行了探讨。结果表明:DMT探头的贯入过程导致测试结果中p_1值增长20%左右,且探头贯入过程造成的土体扰动效应受土体应力历史的影响较小;DMT探头贯入过程对砂土的扰动以探头水平向挤压周围土体为主,扰动影响范围距探头膜片可达150~170mm;扁平状的DMT探头与CPT锥形探头不同,贯入过程中探头楔形部对土体的竖向挤压作用不明显,但探头与土体的接触面同样存在剪切作用,影响范围距离探头膜片30mm左右。     

基于透明土的取土管贯入扰动变形试验研究

在岩土工程勘察取样过程中,取土管的贯入会引起土体的扰动变形,影响到对土体物理力学性质的准确评价。为了研究取土管贯入过程中土体扰动变形特性,基于透明土及PIV技术,开发了相应的取土管贯入模型试验系统,进行了取土管的贯入试验,得到了在取土管贯入过程中土体扰动变形场的分布特性。试验结果表明:土体扰动变形随着取土管贯入深度增大而增大,管外土体主要表现为斜向上的隆起变形;管内土体主要为向上的隆起变形,在深度方向最大变形位于取土管中间部位;不同截面处土体其变形规律基本一致,截面间土体剪切变形较小。     

采用环向周期边界的静力触探三维离散元模拟

为探寻静力触探的细观机制,采用自主开发的环向周期边界,将轴对称问题转换为1/4模型,对静力触探进行了三维离散元模拟。基于排水三轴试验模拟,通过与全模型模拟结果的对比,验证模型边界的有效性。进一步将环向周期边界用于砂土中的静力触探贯入模拟,在宏观上,深入分析探头贯入过程中土体位移场、应力场、孔隙率分布等特征,数值模拟得到的探头径向应力和端阻应力变化规律与实际Fontainebleau砂模型试验结果较为一致;在细观上,着重探讨了探头端部及杆侧土体的组构各向异性演化规律,并应用组构张量对组构与应力关系进行定量分析,从细观层面揭示了探头承载方式的影响机制。研究结果对提高三维离散元模拟效率和揭示静力触探细观机制具有重要意义。     

不同贯入倾角下TJ-1模拟月壤静力触探模型箱试验研究

为了研究月壤的工程力学特性，采用静力触探模型箱进行了0°，15°和30°三种不同贯入倾角下的TJ-1模拟月壤静力触探试验。试验结果表明：静力触探试验终止探头退出土体后，地表产生不同的变形模式，贯入倾角愈大地表变形范围愈大，垂直贯入表层模拟月壤形成以贯入点为对称中心的圆柱形孔洞，倾斜贯入情况下表层模拟月壤形成一个椭圆形的陷落坑；不同贯入倾角下贯入阻力都随贯入深度的增加而增大，同一垂直贯入深度处贯入阻力随贯入倾角的增大而线性增加，可用公式表示；垂直静力触探试验贯入阻力随深度的变化趋势可以采用公式估算；不同贯入倾角下探头周围的水平土压力均随贯入深度的增加先增大再减小，同一深度处贯入方向前侧土体水平土压力峰值随贯入倾角的增大而线性增加，后侧土体水平土压力随贯入倾角增大而线性减小，二者的变化规律均可用公式表示；600 mm深度处的垂直土压力终值随贯入倾角的增大而线性减小，可用公式表示。     

基于CFD-DEM流固耦合方法的吸力锚基础负压沉贯数值模拟

吸力锚基础作为一种新型高效的海洋结构物基础形式在海洋工程中得到了广泛应用。对于砂土中的吸力锚沉贯研究，传统试验或有限元数值模拟存在一定局限性。采用基于离散单元法与计算流体动力学理论（CFD-DEM）流固耦合方法对吸力锚在砂土中的吸力贯入过程进行数值模拟分析；通过与室内物理模型试验、沉贯阻力理论解析计算结果进行对比分析，验证CFD-DEM流固耦合方法的有效性和准确性。进一步地，从土颗粒细观尺度上深入分析吸力锚在砂土中沉贯特性。数值模拟捕捉到贯入过程中锚内土塞和砂层变化现象，发现砂层呈现出中间向上凸起的弧状分布，说明贯入产生挤土效应，其造成的土体位移和膨胀也是土塞产生的原因。同时模拟得到贯入过程中的超孔隙水压力等势线分布变化情况和锚内砂层水力梯度的变化情况，证实了砂土中吸力贯入的“安全机制”。最后将数值所得的锚外负压比变化与Houlsby和Byrne理论模型计算结果进行对比，得到锚内土体渗透系数随沉贯的变化规律。通过本研究验证，采用离散元法结合计算流体动力学理论有效地模拟和捕捉吸力锚沉贯过程中的细观土水相互作用、宏观土体变形及渗流场分布等现象，该方法可作为吸力锚沉贯特性研究的一种有效手段。     

吸力贯入式平板锚旋转特性的离散元数值模拟

采用离散元方法对吸力贯入式平板锚的旋转过程进行了数值模拟。通过对比离心机的试验结果,验证了颗粒离散元模拟的有效性,阐明了锚体旋转特性,分析了锚体旋转过程中锚与土相互作用机理及土体应力场分布情况。研究结果表明:离散元数值模拟结果较大变形有限元更接近于离心机试验结果;吸力贯入式平板锚在旋转过程中的埋深丢失与偏心比e/B的值密切相关,当e/B=1时,旋转过程埋深丢失可以忽略,当e/B较小时,埋深丢失较大;旋转过程中锚的水平位移远小于其竖向位移;锚体在旋转过程中可能与其下方土体发生分离。     

低重力环境下静力触探贯入机理离散元分析

采用离散元法对月面及地面跨度范围内重力场环境（1/6g,1/2,1g）下静力触探机理进行了分析,以弄清地面试验与月面试验的区别。模拟结果表明：①同一相对贯入深度处,重力加速度越小,贯入阻力越小,归一化贯入阻力越大;②土体变形形式由隆起变形向竖向压缩变形的转化深度随重力加速度的增加而减小;③同一相对贯入深度处,随重力加速度的增加,特征点的竖向隆起位移减小,竖向压缩位移增大,对应土体颗粒的侧向位移也越大;④重力加速度越小,相同相对位置处土体的加卸载现象越明显;⑤重力加速度越大对应相同相对贯入深度处的土体破坏范围愈大。     

基于大变形有限元的CPTU尺寸效应与贯入速率研究

孔压静力触探(CPTU)技术是目前运用最为广泛的原位测试方法之一,但其贯入机理的研究尚未成熟,实测结果分析往往通过经验公式进行推算,准确性不够。通过ABAQUS数值模拟软件对探头在黏土中的贯入进行有限元模拟,分别取半径为0.9,1.8,3.6,4.8 cm的探头对尺寸效应展开研究,同时分别以0.1,1,2,3,4 cm/s的贯入速率进行贯入,进而就贯入速率对贯入阻力的影响进行探讨。研究表明:随着探头尺寸的增加,锥尖与探杆区域附近的塑性区面积都增加,锥尖阻力会发生一定程度的降低,贯入应力影响的最大归一化水平距离也相应减小。不考虑超孔压影响的情况下,随着贯入速率的增加,稳定状态下的锥尖阻力基本不变,但贯入越容易达到稳定状态。     

静力触探测试技术在海洋工程中的应用

随着海洋开发向深海发展,静力触探技术(CPT)在国内外海洋工程领域的使用越来越普遍,在海洋工程地质调查中起到越来越重要的作用。总结了静力触探技术的发展历程,详细介绍了其在海洋工程中的应用和发展,特别是介绍了一种适用于深海土体的全流动触探贯入仪。与传统的强度测试方法相比,全流动贯入仪在测试软土的不排水抗剪强度时可忽略覆土压力及孔隙压力的影响;探头的投影面积较大,可以得到更为精确的不排水抗剪强度值;贯入阻力与软土强度之间的关系具有比较严格的理论解;循环贯入试验可评价重塑土的特性及相关指标等等。笔者也应用CEL法开展了全流动贯入仪的数值模拟研究,发现T-bar贯入过程中土体的破坏模式与理论假设有较大差异,Ball则与理论假设差异较小;数值模拟得出的T-bar与Ball的承载力系数较Randolph的建议值偏小。     

充气锚杆力学性能的非线性有限元分析

采用非线性有限元分析方法,对充气锚杆的室内模型试验进行数值分析。探讨在特定充气压力(100 kPa)、埋设深度(20 cm)、土体密度(1 500 kg/m3)、橡胶膜长度(20 cm)、厚度(2 mm)等条件下充气锚杆的力学性能。在数值模型中对充气锚杆施加不同等级的拉力,并记录不同拉力时锚杆顶端的位移,绘制荷载–位移曲线,并得出不同拉力下的位移、应变云图。这些图形直接清晰地显示出拉力增加过程中,充气锚杆及砂土土体内的位移及应力变化,得到充气锚杆失效的临界状态。确定在3种不同状态时,土体的应力形式及应力分布;并给出锚杆失效时土体的破坏模式。将数值模拟所得到的荷载–位移曲线与室内模型试验所得到的荷载–位移曲线进行对比,得出两者的结果基本一致,说明模拟结果真实可靠。     

静压桩连续贯入机理的数值仿真

结合有限元软件ABAQUS在处理大变形、接触非线性上的独特优势,采用位移贯入法和Mohr-Coulomb屈服准则,考虑了土体的弹塑性本构关系、接触面类型、土体初始应力场的影响等,建立静压桩连续贯入土体的有限元模型,探讨了沉桩过程中的桩周土体的应力与变形的分布特征,实现了静压桩的连续贯入过程,明确了沉桩过程中的挤土效应,得到了贯入过程中侧摩阻力及贯入阻力随深度变化规律,并将实测值与模拟值对比分析,结果相吻合。研究成果可为工程实践提供借鉴与参考。     

层状地基静压开口管桩的挤土效应研究

采用室内模型试验及PFC 2D离散元软件模拟了静压开口管桩沉桩过程,对桩周土体的挤土效应进行宏观、细观分析.通过模型试验,对在均质硬层和上硬下软两种地基中静压开口管桩过程中产生的位移场进行对比分析,获得了桩周不同位置土体的三种位移变化区域,分别为以斜向上位移为主的浅表层区域,以径向位移为主的桩侧区域和以斜向下位移为主的桩端侧向土体区域,揭示了桩周不同位置处土体位移在水平和深度方向的变化规律,特别是在软硬土层分界面处,土体在水平方向位移值达到最大,且沿深度方向的运动趋势更加明显.以模型试验为基础,建立了静压开口管桩沉桩颗粒流模型,进行数值模拟,并将数值模拟结果与试验结果进行对比分析,分析表明两者较为吻合.通过特征点位移路径分析了土体细观变化模式:均质硬层土颗粒运动轨迹呈现出"J"状,上硬下软双层地基土颗粒运动轨迹近似为"><"形.     

地下连续吊脚墙变形规律数值分析

为研究施工过程中地下连续吊脚墙变形规律及其影响因素,文中采用有限差分方法模拟地下连续吊脚墙在开挖过程中的变形,与理论及实际测量值进行对比,验证文中数值模拟的可行性,研究了开挖过程中地下连续墙的变形规律。结果表明,土体的水平变形量随着距离增大而减小。由于该基坑长宽比较小,坑角对墙体水平变形的影响较明显。在该基坑开挖过程中,最大变形量与开挖深度比值在0.25%～1%h,文中给出了最大变形量与开挖深度之间的关系式及其参数。在因数分析中发现,肩宽和墙角嵌入深度与变形量成反比。     

主动侧向受荷桩模型试验与颗粒流数值模拟研究

分别采用室内模型试验与颗粒流数值模拟的方法,对砂土中受水平荷载的桩顶自由短桩桩周土体在加载过程中的应力和位移的发展变化规律以及桩土相互作用性状进行了较系统和深入的研究。在室内模型试验中,研究了短桩在松砂、中密砂、密砂中的位移荷载规律,桩前、桩后土压力的分布和发展规律;并重点通过数字图像无标点量测技术密切关注桩周土体的位移产生和发展变化过程。通过开发颗粒流程序模拟室内模型试验在加载过程中的桩土相互作用过程中应力和位移的发展变化规律,与模型试验的结果进行了对比。给出了砂土中受水平荷载的桩顶自由短桩较完整的变形和破坏模式及极限土压力分布形式。     

贯入双层土中的混凝土管桩桩模与土体作用研究

采用ABAQUS有限元法模拟了混凝土管桩桩模贯入试验过程中贯入阻力的变化规律和桩周土体的水平位移,通过试验数据与计算结果的对比,验证了采用有限元法模拟桩模贯入过程的适用性。在此基础上,探讨了桩模贯入深度、上层土体厚度、桩径、土体强度和桩土摩擦系数在桩模贯入过程中,对桩周土体水平位移和桩模贯入阻力的影响。结果表明：桩周土体水平位移与土体径向位置、桩径关系紧密,并得到了桩周土体水平位移与土体径向位置、桩径之间的关系式;上层土体厚度、桩径和桩土摩擦系数对桩模贯入阻力影响较大,总结了桩模贯入阻力与上层土体厚度、桩径和桩土摩擦系数之间的关系式。最后采用土体附加水平应力云图解释了贯入深度对桩周土体水平位移的影响;桩模贯入上软下硬土层时,桩周土体最大水平位移出现在上层软土中,计算结果可为现浇混凝土管桩在施工设计和桩土相互作用分析提供参考依据。     

砂土中桩端阻力深度影响机理分析

在人工均匀填筑的平潭标准砂中,对数种不同入土深度的模型桩,贯入不同填筑密度的砂中,利用读数显微镜详细地对数百个观测点进行桩周土体变形场的观测,利用土压传感器观测桩端周围的附加应力场。通过试验,观察到桩模在各种不同入土深度和不同填筑密度的砂中,端阻力在临界深度以下均出现似稳值的现象。随着似稳值现象的出现,上体变形场及变形增量场的变形特征均近于稳定。 本文还分析了桩贯入土体某一深度和再贯入一定深度后土的剪切机理和压缩机理的具体特征及两种机理的区别和过渡。从而进一步解释了端阻力的深度效应,为建立合理反映深度影响的端阻力计算方法提供了依据。