基于能量比例系数的滚石冲击力计算方法研究

滚石冲击力是滚石防护工程设计的重要依据。为此，基于能量守恒原理，引入能量比例系数，考虑滚石冲击角度，提出滚石冲击土体的最大冲击力计算方法。通过物理模型试验，研究了滚石特征参数(质量与尺寸)、动力学参数(冲击速度与角度)及土体性质参数(密度与抗压强度)对能量比例系数的影响，构建能量比例系数无量纲经验公式，建立滚石冲击力计算模型并验证了模型的可靠性。结果表明：能量比例系数与滚石质量、冲击速度、冲击角度呈负相关关系，而与滚石尺寸、土体密度以及抗压强度正相关；提出的基于能量比例系数的滚石冲击力计算模型能够有效预测滚石最大冲击力，且与已有研究中大尺度模型试验结果吻合良好。研究成果可为滚石灾害防治提供理论依据及技术支持。     

考虑温度影响的岩土材料高阶屈服函数

为了探究温度对土体剪胀特性和屈服面的影响,在临界状态土力学的框架下提出一个新的高阶剪胀方程。该高阶剪胀方程引入2个与温度相关的材料参数,对其进行积分可以得到一个新的高阶屈服函数以描述岩土材料屈服面的几何特性,而剑桥模型和修正剑桥模型的屈服函数可以视为其特例;进一步,考虑温度对土体前期固结应力的影响,可以得到一个新的考虑温度影响的屈服函数。将计算结果与试验结果进行对比分析,结果表明,升高温度会导致土体的塑性剪胀因子逐渐减小,同时土体的温度加载也会逐渐收缩。所给出的高阶剪胀方程及考虑温度影响的屈服函数对于不同温度下土体的剪胀特性和屈服面均有着良好的描述效果,为进一步探究温度对土体力学特性的影响规律和建立相应的弹塑性本构模型提供一个新的思路。     

砂土中柱孔扩张问题的扩孔压力与扩孔半径分析

 通过SMP屈服准则,对砂土中柱孔扩张问题进行理论分析。以柱孔扩张理论为基础,利用孔周土体塑性区的边界条件和土体体积变化规律,推导柱孔扩张问题中初始半径a0,扩孔半径a和对应的扩孔压力p三者之间的理论关系。利用上述理论公式,得到平面应变条件下柱孔扩张问题的扩孔压力的极限值pu和孔周土体的弹塑性区域应力场、位移场,进而求得塑性区半径rp与扩孔压力p和初始孔径a0的关系。分析表明,该应力场和位移场分布规律仅与柱孔的初始半径a0和扩孔压力p相关。此外,应用应力场公式,推导散体材料桩极限强度表达式。最后通过算例分析,对柱孔扩张中应力场和位移场分布、塑性区半径和扩孔压力的变化规律进行分析。     

结构性土体强度的统计损伤模型分析

0　引　　言 损伤的定义是指材料在达到破坏之前 ,其力学性能逐渐劣化的过程。文献 [1]的弹塑性损伤模型 ,以经典的岩土弹塑性力学原理 ,认为结构性土具有明显的初始屈服面。当土体结构处于破坏阶段 ,力学性质的劣化导致初始屈服面的改变 ,以损伤比的基本假定构筑了损伤演化方程。文献 [2 ]应用损伤比的概念 ,对软土地基变形进行了数值分析应用。文献 [3]将含有某一加载历史所导致的土体内部单元仍看作是连续、均匀的 ,基于不可逆热力学的基本原理及内变量理论建立了土体的损伤演化方程。文献 [4 ]将初始切线模量视为无损伤土体的弹性模量 ,给出了土体损伤变量的表达形式。如果将土体结构性所反映的具有较弱结     

考虑弹塑性变形的泥石流大块石冲击力计算

以Hertz接触理论为基础,考虑结构的弹塑性特性,给出泥石流大块石冲击力的计算方法。采用Thornton假设,即材料为理想弹塑性体,对Hertz接触理论进行弹塑性修正,推导考虑材料塑性的接触压力计算公式。为模拟泥石流大块石对构筑物的冲击,将构筑物假设成静止不动的平面,将大块石简化为以某速度运动的质点,建立基于修正Hertz接触理论的计算模型。计算结果表明,泥石流大块石在很小的冲击速度(小于1m/s)下就可能导致混凝土材料冲击接触面上产生塑性变形。考虑结构弹塑性特性后,冲击压力计算结果小于弹性冲击压力,更符合实际情况。     

弹塑性土体中竖向受荷单桩数值分析研究

建立了轴向受荷单桩有限元数值计算模型,利用广义Von Mises准则模拟土体的弹塑性,通过参数研究,对比了土的屈服准则的近似、剪胀性、初始自重应力及桩土界面的力学性状对单桩竖向承载力的影响。     

滚石坡面冲击回弹规律研究

 在山区滚石灾害防护工程中,滚石拦截系统恰当位置的选择及其拦截高度的确定非常关键,它直接关系到拦截系统的成败。而影响拦截系统设计的因素很多,其中滚石在坡面上的运动轨迹是关键。以弹塑性接触理论为基础,研究滚石法向回弹系数、切向回弹系数的计算方法,运用运动学的基本方程研究滚石在坡面上的运动特征,推导相关的公式。通过具体算例的分析,显示了理论的合理性。     

可溶性污染物在非饱和成层土中的迁移规律研究

建立污染物在一维三层非饱和土体中迁移的数学模型,进而研究积水入渗和降雨入渗两种边界条件下可溶性污染物在不同夹层土体工况以及不同吸附模式和不同初始孔隙压力(或不同降雨强度)情形下的迁移规律。研究表明,积水入渗条件下,污染物在粗颗粒土中的迁移速度要大于细颗粒土,而且前者的弥散度也大于后者。此外,初始压力水头对污染物迁移速度的影响不大,但随初始压力水头的减小对应的浓度峰值有增大的趋势。另一方面,降雨入渗条件下,降雨强度越大,峰值浓度越大,即表明降雨入渗促进了土体中污染物的迁移效应。当然,在相同时间内,粗颗粒土的峰值浓度略小于细颗粒土的峰值浓度。     

椭圆抛物双屈服面弹塑性模型三维各向异性修正及其试验验证

 粗粒料作为高土石坝的重要筑坝材料,其应力–应变规律受初始不等向固结和后续施工影响。考虑粗粒土各向异性特性的同时兼顾其剪胀性和初始不等向应力状态等主要性质,结合室内试验资料,运用应力变换方法和引入新的应力比参数等手段对经典双屈服面弹塑性模型的屈服轨迹和硬化轴进行修正。通过试验数据和预测结果的对比,表明修正的三维化各向异性双屈服面弹塑性模型能够较合理地反映粗粒土在初始不等向固结状态下的强度和变形特性。     

考虑部分排水和土体流变性影响的应变保持试验数值分析

旁压应变保持试验(SHT)是测定土体水平固结系数的有效原位测试方法之一。通常采用Clarke建议的步骤,由于包含了一些简化的假设而导致对固结系数的不准确地评估。以Drucker-Prager理想弹塑性模型为基础,利用有限元法模拟饱和黏土中SHT,分析了Clarke等固结时间因数曲线(根据Randolph和Wroth解)的适用条件,并考虑渗透性及应变加载率引起的部分排水的影响,对Clarke曲线进行修正,建议了误差曲线。进一步地采用Drucker-Prager理想弹塑性与土体流变的耦合模型模拟SHT,分析土体流变性对超孔隙水压力消散的影响。研究表明:土体流变对超孔隙水压力消散的影响,除了通过应力松弛改变边界应力水平而使超孔隙水压力下降,还通过改变超孔隙水压力的分布而减缓其渗透固结速度;渗透系数越小,土体流变性对超孔隙水压力的消散速度影响越明显。忽略土体流变性会高估水平固结系数,可高估几倍到数十倍。     

落石冲击旁山填方路基边坡破坏数值模拟

落石灾害造成山区中低等级公路路基滑塌灾害十分普遍,造成交通堵塞及大量的经济损失,甚至人员伤亡。以旁山沥青路面填方路基边坡为原型,采用显式动力学程序LSDYNA,研究了不同下落高度及入射角度的落石冲击作用下路基边坡的力学响应,揭示了落石冲击力和路基边坡的变形、能量转化与落石高度和入射角度的相关性。落石冲击力与入射角负相关,入射角为45°时路基变形最大。路肩位移、路基路面变形与下落高度正相关。路面结构对路基的保护作用与下落高度呈正相关。落石高度的变化主要影响路基路面变形,入射角的变化主要改变土体力学响应范围。研究成果可为路基边坡的落石灾害防护设计提供参考。     

冲击荷载下棚洞抗冲切性能研究

本文对落石冲击下棚洞钢筋混凝土顶板的破坏形式进行了研究,并按整体抗力相等的原则将板内配筋等效为薄钢板,在考虑垫层缓冲作用的基础上讨论了混凝土强度、棚洞顶板厚度以及顶板内所配钢筋的配筋间距、横纵向钢筋直径等因素对提高顶板抗冲切破坏性能的影响。结果表明:即使冲击速度不大,大质量的破坏性落石仍然会导致顶板贯穿块形成;板内配筋对贯穿块的阻力随着配筋间距的增大而减小,两者成反比例关系;横、纵向钢筋直径对配筋对贯穿块的阻力有显著影响,配筋阻力与横、纵向钢筋直径的平方之和成正比;垫层对落石冲击力的分散作用使得顶板上部的加载面积变大,这可以在一定程度上提高棚洞顶板的抗冲切承载力以及板内配筋对贯穿块的阻力;棚洞顶板的剪切破坏受多种因素控制,因此,在实际工程中应对棚洞所在区域的地质情况进行综合分析以对其进行设计。     

等应力比路径下堆石料双屈服面弹塑性模型研究

 已有研究及实测资料表明,土石坝内堆石料在填筑期应力路径接近等应力比关系,且这种关系并不因材料混杂、施工分期复杂而发生本质性改变。应力路径较大程度上影响了堆石料的受力变形特性,以往按室内常规三轴试验路径建立的本构模型及标定的参数直接推广至实际坝体路径的计算可能存在较大的误差。通过分析糯扎渡、水布垭及三板溪等堆石料等应力比三轴试验应力–应变曲线特点,认为体积应力–体积应变( )及偏应力与广义剪应变( )曲线具有幂函数规律。以常规南水双屈服面模型(沈珠江模型)为基础,将等应力比应力–应变规律引入模型中,在p-q平面内推导适合等应力比应力路径的双屈服面弹塑性模型,通过对试样在等应力比三轴试验中塑性应变增量方向的分析,探讨适合等应力比路径变形特性的 屈服面的合理形态。以糯扎渡水电站主堆料等应力比三轴试验为例确定模型参数标定方法,且对模型适应性进行初步分析。     

桩承式加筋路堤受力机理及沉降分析

作为一种经济、有效的软土地基处理方法,桩承式加筋路堤在国内外已开始使用。把单桩处理区域及上部路堤等效为圆桩体,采用弹塑性有限元法分析了瞬时加载后地基中超静孔隙水压力的分布特征及消散过程,研究了加筋格栅的受力和路堤的沉降特性等,分析了桩长、桩间距及桩托板大小对桩体荷载分担比和路堤沉降的影响。研究结果表明,打桩后桩体所受荷载向下传递,地基中的初始最大孔隙水压力出现在桩端以下土层。打穿软土层情况下,路堤的沉降量决定于浅部桩间土的压缩,而未打穿情况下,路堤的沉降量决定于桩端以下软土层的压缩。桩长是控制路堤沉降的最主要因素,其次是桩间距和桩托板尺寸。最后对一个工程实例进行了分析。     

船撞作用下斜桩基础动力响应研究

东海大桥100MW海上风电示范项目中风机采用斜桩基础,必须考虑船撞作用。本文利用有限元方法,研究了斜桩基础在船撞作用下的动力响应。模拟不同工况,研究船舶吨位、船舶速度、倾斜角、桩径、桩周土体等因素对桩基的动力响应的影响。研究表明:船舶吨位和船舶速度对斜桩的动力学响应影响最大;桩的倾斜角会影响最大桩项位移,最优倾斜角约为10°;在既定的土质条件下,桩径增大到某一值后,桩基动力响应基本不变;土体较软时,桩身的最大应力较小,但最大桩顶位移较大。因此,进行斜桩设计时,必须在理论分析的基础上,选取合适的倾斜角与桩径。本文研究结果对斜桩基础在考虑船撞作用下的设计和施工有一定参考价值。     

基于推覆分析方法的支护桩位移监控研究

在已建立基于性能的支护桩测斜监控体系的基础上,在基坑开挖监控过程中引进推覆分析方法。支护桩的性能水平划分为使用良好、明显开裂和倒塌预防3种。将水平测斜数据作为目标广义位移的参考量,用弹塑性方法得到塑性铰属性,使用归一化抽象荷载作用下的弹性地基梁作为支护桩的推覆分析模型,在各施工工况下进行逐步弹塑性推覆分析,以单向单调加载来包络主动区土压力和各种形式的超载,得到支护桩侧向荷载、监测位移、性能水平三者的关系,由当前实测位移反分析支护桩承载性状并估计其继续位移能力,用以开挖监控和加固方案的实施。该方法涉及支护桩破坏过程和位移能力等性能要素,推覆分析方法基于弹性地基杆系有限元方法,推覆荷载归一化为3种可能的模式。最后给出弹性地基梁实现推覆分析的细节和步骤以及一个位于浙江中部软土地区基坑开挖监控的详细算例。实践和算例均表明,该方法结果可靠、简单实用,利于进行基坑排桩结构按变形控制设计和基于性能的开挖监控。     

对湿陷性黄土在强夯作用下冲击应力的分析

从动力平衡方程式出发，对土体的屈服滞后现象运用碰撞理论，并考虑参振土体对夯锤速度的影响进行了研究。提出了其边界条件中的初速度应为形变过程初速度，导出了强夯冲击应力时程关系的解析式，明确了恢复系数及速度效应在强夯冲击应力中的显著作用。并与某湿陷性黄土强夯加固工程的实测冲击应力结果对比，所得结论对强夯工程设计具有重要的参考价值。     

基于热力学理论的超固结黏土边界面模型

基于热力学理论和临界状态土力学的框架,建立了耗散应力空间内的α-β屈服面。定义耗散势和背应力为应力的函数来实现在真实应力空间非相关联流动。基于边界面模型框架,准确模拟了超固结黏土在初始屈服面内的弹塑性响应。采用临界状态线与边界面交点在静水压力轴上的投影为映射中心,并定义剪胀函数,保证了"干侧"发生剪胀,而"湿侧"发生剪缩。与Boston Blue Clay,Lower Cromer Till和London Clay 3种土在不排水条件下的三轴试验数据进行对比,验证了模型的合理性和有效性。     

细粒土不均匀分布对粗粒土力学特性的影响

为了研究冻融循环条件下细粒土的不均匀分布特性对粗粒土力学特性的影响,对不同冻融循环次数、冻结温度、围压条件下的含有不同细粒土分布的粗粒土进行常规的静三轴剪切试验,研究冻融循环后具有不均匀细粒土分布的试样的最大剪胀位置、应力–应变关系曲线、起始屈服强度、起始屈服应变、静强度、破坏应变变化规律。研究结果表明,在相同的细颗粒与粗颗粒不均匀分布的条件下,试验后试样的最大剪胀位置随着试样上两层中细粒土含量的增加而沿着试样高度上升,随着冻融循环次数的增加,最大剪胀位置的上升速率是不断增加的。细颗粒与粗颗粒不均匀分布的程度越高,尤其是粗颗粒的富集程度越高,试样的脆性越高,试样的应变软化程度越明显。冻融循环次数的增加,降低了粗、细颗粒较均匀分布的3种试样的应力–应变软化程度的差异性,即冻融循环次数的增加可以使粗颗粒和细颗粒的组合结构趋于稳定。在相同的围压条件下,冻融循环次数的增加削弱了因细粒土不均匀分布而导致的起始屈服强度的差异性和静强度的差异性。试样中的粗颗粒和细颗粒分布越不均匀,试样的起始屈服强度和静强度越大。当围压为100 k Pa时,静强度与起始屈服强度的比值随冻融循环次数波动较大,当围压增加到300 k Pa时,比值随冻融循环次数的波动较为平缓。细粒土不均匀分布是起始屈服应变和破坏应变的最显著性影响因素,但是围压对破坏应变的影响程度明显大于围压对起始屈服应变的影响程度。细粒土不均匀分布对破坏应变影响的显著性明显小于它对起始屈服应变影响的显著性。     

冲击荷载作用后土压缩性状的室内试验研究

在侧限条件下,对粉砂和两种不同饱和度的粉质粘土进行冲击试验和冲击后的高压固结试验,研究冲击产生的压密、冲击后的压缩曲线和压缩指数、冲击形成的前期固结压力及其与冲击能的关系。结果表明,相近初始密实度下,低饱和粉质粘土密实效果最好;冲击后近饱和粉质粘土基本不形成超固结,低饱和粉质粘土形成明显的超固结,冲击形成的前期固结压力随着冲击能增大而增大;冲击后土的压缩指数与冲击能相关性不大。