小应变下土体刚度非线性分析的试验研究

精确的试验测试显示,土体在小应变下呈非线性作用,用常规的室内试验和传统的线弹性分析方法不能真实描述土的刚度变化,只能采用原位试验和非线性分析方法来确定。基于Bolton等人提出的平面应变下不排水膨胀试验的非线性分析理论,研究了剑桥自钻式旁压试验过程中土体刚度随应变的变化规律,并与线性分析结果进行了对比。试验和分析结果表明:小应变下土体刚度具有高度的非线性,随应变的增加发生衰减,但在不同应变区间衰减程度不同;土体割线模量值大于切线模量值,其差值随应变的增加逐渐减小;传统的线性分析低估了土体弹性作用范围和强度,而采用非线性分析能确定不同应变下土的刚度参数,真实反映土的非线性作用特点。     

膨胀土原位剪切模量–剪应变衰减曲线与特征分析

为了评价原位应力状态膨胀土在小应变作用下的刚度衰减特性,综合原位地震扁铲侧胀和室内共振柱试验,分析应力历史、应力状态和试样扰动对膨胀土剪切模量衰减规律的影响。结果表明,应力状态和应力历史对膨胀土剪切模量影响较大,相同应力历史下,剪切模量随围压增加而增大,随着应变的发展,衰减较快;相同应力状态下,经历加载–卸载过程的剪切模量–剪应变(G-γ)衰减曲线位于仅经历加载过程的曲线上方,但经历加载–卸载和加载–卸载–再加载过程后土的G-γ衰减曲线基本重合;另外,相同应力历史条件下,土的原位剪切模量较室内共振柱试验所得剪切模量值大,且衰减更快,说明取样卸荷、运输及制样等扰动因素对土体结构造成了不可逆的损伤,通过室内加卸载过程无法还原其原位力学性状;参考剪应变不同时,推求得到的原位G-γ衰减曲线的中间部分差异较大,参考剪应变越小,剪切模量衰减越快,说明合理选取参考曲线和小应变剪切模量是推求原位G-γ衰减曲线的关键。该研究可为类似场地地震分析和沉降分析提供理论基础和技术支持。     

湿干冻融耦合循环作用下膨胀土力学特性及损伤演化规律研究

针对北疆高寒区膨胀土输水渠道破坏异常严重的问题,开展单向湿干及湿干冻融耦合作用下渠基膨胀土的三轴试验,探讨冻融过程对膨胀土力学特性及损伤演化规律的影响,获得不同循环次数下膨胀土的应力–应变关系、弹性模量、有效抗剪强度指标及其影响因素。结合损伤力学基础理论,引入可评价湿干与冻融过程耦合作用的损伤变量,探讨膨胀土强度和模量的损伤过程。试验结果表明:湿干及湿干冻融耦合循环作用对低围压(σ3=100kPa)试样的应力–应变曲线形态产生影响,应力–应变曲线形态差异性随围压的增加逐渐降低;对比不同试验条件下试样的弹性模量和有效抗剪强度指标可知,湿干冻融耦合循环中的冻融过程显著加剧了土体弹性模量和有效黏聚力的衰减,但对有效内摩擦角的影响有限;围压较高状态下试样的损伤以湿干过程作用为主,冻融过程对低围压试验下的损伤效果较明显。     

旁压试验V0问题讨论

Tevanes方法确定的似弹性变形起始点不在旁压曲线似直线段或其延长线上,不符合弹性理论基本假设,其确定的V0值偏小。结合目前确定旁压试验似弹性变形起始点方法,对Tevanes方法提出了改进建议。     

大理岩卸荷条件下弹黏塑性本构关系研究

 利用TLW–2000型岩石三轴蠕变试验机对锦屏大理岩进行恒轴压分级卸围压应力路径下的三轴流变试验,得到轴压恒定、不同围压下的应力–应变–时间曲线。根据卸荷应力路径下锦屏大理岩的流变变形特点,以Cristescu本构模型为基础,通过试验结果确定模型参数,并在模型参数的确定过程中考虑卸荷应力路径的影响。所建模型克服了三维元件组合模型不能考虑应力路径影响以及不能很好反映侧向流变变形规律的缺点。最后,用该模型对流变试验数据进行拟合,结果表明：该模型可以很好地描述卸荷应力路径下大理岩的整体变形随时间的变化规律。     

基于分数阶微积分理论的软土应力–应变关系

 利用分数阶微积分理论提出等应变率加载情况下的软土应力–应变关系。关系式显示应力–应变之间呈乘幂函数关系。通过大量的常规(等应变率加载情况下)三轴试验验证基于分数阶微积分理论的软土应力–应变关系,同一种土的分数阶阶数 不随围压变化并能够反映土的“软硬”程度。试验发现,初始弹模与围压呈较好的线性关系。与邓肯–张模型相比,应力–应变的乘幂关系具有明确的理论基础,这一点与邓肯–张模型纯粹基于曲线形状相似的应力–应变双曲线假设形成鲜明的区别。创新点在于将软土看作介于理想固体和理想流体之间的物质进行研究,并用分数阶微积分理论给出应力–应变关系,这在以往的研究中都没有先例。     

基于三轴试验和联合强度理论预测盾构施工引起的地表变形

现有盾构施工引起地表变形研究中,将土体视为线弹性材料而采用弹性模型来预测地表沉降,具有很大的近似性。引入联合强度理论,分析盾构掘进中、离开后上部土体加荷–卸荷应力状态下的稳定性;通过模拟盾构掘进中、离开后土体的应力路径,开展三轴固结不排水试验,依据试验结果的应力–应变双曲线形态,推导出盾构上部土体竖向加、卸荷条件下的非线性切线弹性模量公式,并确定各参数值。研究结果表明:相同围压或相同固结应力比时,加荷路径土体强度大于卸荷路径土体强度;同一围压下,轴向加荷、卸荷土体破坏时主应力强度值均会随固结应力比增加而增加。预测地表变形时,应力路径法运用了三轴试验成果中轴向应变数据,弹性理论法运用了加、卸荷非线性切线模量及试验参数。以武汉过江隧道江南盾构段为例,应力路径和弹性理论法隆起和沉降量预测值分别相差4.2%和13.0%;两者隆起量预测值与实测值分别相差7.5%和10.7%,沉降量预测值与总沉降实测值趋势一致。     

花岗岩残积土原位力学特性的钻探扰动与卸荷滞时效应

花岗岩残积土作为一类同时具有黏性土、粗粒土组构特征与工程特性的特殊土,力学性能普遍易受施工扰动和开挖卸荷影响而诱发灾害。从钻探扰动和成孔后应力释放对土体力学性质的影响出发,通过对试验场地内花岗岩残积土开展自钻式旁压试验(SBPT)和预钻式旁压试验(PMT)在不同成孔时间后的对比分析,研究了土体原位强度指标、承载力特征值和刚度衰减性状的响应特征。结果表明:钻探扰动对花岗岩残积土的强度、承载力和刚度特征的弱化影响十分明显,且弱化程度随卸荷过程中应力释放时间的增长不断加深;提出扰动系数R(u)对不同试验条件下土体性质的扰动程度进行评价,发现刚度参数G_f受钻探扰动和卸荷滞时效应的影响最大,不排水剪切强度强度c_u次之,承载力特征值f_(ak)受影响最小;采用土体刚度非线性分析法获取了基于SBPT与PMT试验的原位剪切模量-剪应变衰减曲线(G–γ曲线),用Stokeo方程描述G–γ曲线的形态特征有较好的拟合效果。研究结果可为花岗岩残积土分布地区的工程设计与施工提供参考。     

考虑净正应力影响的膨胀土土–水特征曲线试验研究

工程建设中,具有胀缩性、裂隙性和超固结性等特殊性质的膨胀土多处于非饱和状态和复杂变化的外加应力环境下,对膨胀土进行考虑应力状态的土–水特征曲线(soil-water characteristic curve,SWCC)试验研究,定性描述和定量表征膨胀土在一定应力状态下的土水特征,具有工程实践意义。采用GEO-Experts高级型应力相关土–水特征曲线压力板仪(SDSWCC-H)测定了河南南阳膨胀土在4个不同净正应力下(0,40,99,199 kPa)的土–水特征曲线,并利用试验数据对提出的能明确考虑净正应力影响的膨胀土SWCC表征方程进行验证。结果表明:(1)由于土体的间断级配,南阳膨胀土呈现出双峰土–水特征曲线(bimodal soil-water characteristic curve);(2)净正应力会对膨胀土的持水能力与进气值产生影响,具体表现为在10~100 kPa基质吸力范围内,净正应力会显著影响膨胀土在脱湿过程中水分排出的速度;净正应力也改变了双峰SWCC第二个波峰的进气值;(3)已提出的SWCC模型曲线拟合精度较高,拟合结果良好,模型可以很好地表征南阳膨胀土在恒定净正应力下基质吸力与持水量的关系。     

非饱和重塑黏土干湿循环特性试验研究

针对非饱和重塑黏土,结合收缩曲线和土水特征曲线探讨试样在干燥收缩过程中基质吸力与孔隙比之间的关系,研究结果表明,当基质吸力增大到某一特定吸力时,基质吸力的增大对试样收缩变形并无显著影响,称此基质吸力为缩限吸力ss。屈服吸力s0和缩限吸力ss将试样收缩过程分为3个阶段:弹性阶段、弹塑性阶段和缩限阶段;为探讨试样的土水特征曲线和收缩系数对净平均应力的相关性,采用GDS非饱和土三轴仪在控制试样净平均应力条件下进行干湿循环试验。试验结果表明,试样收缩系数和土水特征曲线密切地依赖于净平均应力;试样在吸湿过程中,在低净平均应力下试样发生膨胀,而在较高净平均应力下试样在膨胀后发生坍塌。     

饱和土体圆孔扩张的弹塑性解析解

将土体在圆孔扩张过程中的应力分布分为三个区域,基于修正剑桥模型推导了圆孔扩张过程中土体在三个区域的超孔隙水压力的解析表达式。通过对比,分析了固结比对土体中应力分布的影响。本文的分析推导可为沉桩、旁压试验、静力触探等岩土工程问题提供理论依据。     

超固结粘土的变形特性

本文介绍了用人工制备的超固结粘土试样进行的试验研究成果。试验证明:在临界状态“湿”边范围内,塑性应变增量的矢量与试样的初始状态无关。以等塑性体应变为硬化参数的屈服条件具有唯一性,塑性势函数等于屈服函数,流动法则为相适应的。在临界状态“干”边范围内,采用等塑性剪应变为硬化参数的屈服条件代替了一般以破坏条件为屈服条件的假定,从而能够反映超固结粘土的应变硬化一软化特性。最后得出了统一的屈服条件。     

考虑变位影响的刚性挡墙非极限土压力研究

 经典土压力理论仅能计算平移模式挡墙的极限状态土压力。采用以主应力差表示的应力圆,根据应力路径三轴试验中得到的径向应力–应变关系,建立非极限状态下受位移影响的土体内摩擦角、墙土间摩擦角发挥值随位移的变化关系,并提出有效位移面积比方法将该关系量化至转动变位模式挡墙。在此基础上,应用水平层分析法和改进的库仑公式,推导出考虑挡墙变位影响的非极限土压力合力及其作用点位置、土压力分布计算式。研究表明：按有效位移面积比方法进行量化后,理论计算值与实测值相对误差较小;所提出的公式较好地反映了土压力随位移的变化规律,能够分析不同变位模式下的非极限土压力,可作为库仑理论公式的有效推广。     

基于耦合应力建立土本构模型的方法

土的平均应力与广义剪应力在引起塑性应变时会相互交叉影响,为此从反映该交叉影响的剪胀试验规律出发,构造了一个能综合考虑平均应力与广义剪应力交叉作用的耦合应力。在对已有的黏土应力应变试验规律分析的基础上,引用微积分学中曲线积分路径无关的充分必要条件,推导确立了黏土塑性体积应变与耦合应力的一维化本构关系。将该推导方法应用于砂土,又建立了砂土的类似一维化弹塑性本构关系。通过耦合应力的建立以及耦合应力与塑性体积应变一维化本构关系的推导,从全新的视角介绍了一种理解和建立土本构模型的方法。     

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。     

软土中静压桩贯入引起的超静孔压力理论分析

根据静压桩在软粘土中贯入的特点,用柱孔扩张理论模拟其贯入过程,引入软化系数和对数应变描述沉桩过程中桩周土体塑性区的大变形和应变软化等特征,推导出柱孔扩张时弹性区和塑性区产生的超静孔隙水压力解析式,与Vesic解进行了比较表明,本文推导的理论解适用范围更广。基于该理论解,结合昆山市某场地地质资料,分析讨论了软化系数、孔径大小和剪切应力对超静孔隙水压力大小和分布范围的影响,同时与现场监测数据对比分析,理论计算和实测结果吻合较好,表明该解析解对预测软土中由静压桩的贯入引起的超静孔隙水压力的大小和分布具有一定实用价值。     

Ko固结饱和土沉桩引起的超静孔隙水压力

根据饱和粘土中沉桩特点,用柱孔扩张理论模拟其贯入过程,将扩张后周围土体分为塑性区和弹性区,由柱孔扩张基本平衡方程和边界条件,采用能够考虑天然状态土体实际固结性状的K_o固结土体本构模型的屈服面方程为屈服准则,以对数应变考虑桩周土体发生的大变形,结合Henkel孔压公式,推导出沉桩后桩周超静孔隙水压力的理论表达式。通过算例分析了土体剪切模量、临界状态应力比、超固结比和静止侧压力系数对超静孔隙水压力的影响。同时,与基于修正剑桥模型解答和工程实例进行对比分析,理论计算值和现场实测值吻合较好,表明理论结果的合理性与实用性。     

循环偏应力和循环围压耦合效应对饱和软黏土变形特性的影响

利用GDS变围压动三轴系统对温州地区典型饱和软黏土进行了一系列循环偏应力和循环围压耦合应力路径下的部分排水循环加载试验,重点分析了部分排水条件下循环偏应力和循环围压耦合效应对正常固结饱和软黏土变形特性的影响。试验结果表明:部分排水条件下,与围压保持恒定,偏应力单独循环剪切相比,循环偏应力和循环围压耦合剪切作用有效地促进了饱和软黏土的累积塑性应变的发展,循环围压和循环偏应力的比值每增加2/3,相应的永久轴向应变就增加32%。进一步根据部分排水条件下饱和软黏土永久轴向应变发展曲线特点,建立了考虑循环偏应力和循环围压耦合效应的正常固结饱和软黏土的永久轴向应变经验公式。     

考虑软黏土结构性损伤的圆柱孔扩张弹塑性分析

针对天然沉积软黏土中施工扰动导致原位土结构性损伤和强度降低的特征,根据圆孔扩张过程中产生的塑性剪切应变以及实测的渗透系数与不排水强度随径向距离的变化规律,提出对数式的原位扰动度函数以描述塑性损伤区的屈服强度变化;基于结构性剑桥模型屈服准则,采用屈服应力比和灵敏度分别表征初始结构稳定性和结构强度可变性大小,并与扰动函数相结合,推导了考虑土结构性损伤的软黏土柱孔扩张弹塑性解,表达式中灵敏度值为1时退化为不考虑结构损伤的传统解。进而通过竖井和沉桩施工引起的超静孔隙水实测结果与理论计算值的对比,验证了本文理论解的有效性;并分析了土结构及其损伤对柱孔扩张效应的影响,结果表明：屈服应力比越大,塑性区半径越小,径向应力越大,超静孔压随径向距离先增大后减小;灵敏度越大,径向应力越小,超静孔压越大。分析推导结果对准确预测挤土效应与合理揭示孔压静力触探等原位试验测试机理具有实用价值。     

岩石三维弹塑性损伤本构模型研究

基于应变等效假设和真实应力概念的弹塑性损伤理论,在真实应力空间内,结合非线性统一强度模型,以广义塑性剪应变为硬化参数,并同时考虑应力水平对硬化速率的影响,建立了无损状态下岩石材料的弹塑性表达式;在名义应力空间内建立考虑围压对损伤速率影响的损伤演化方程,从而建立了岩石材料的三维弹塑性损伤本构模型。本构模型中各物理参数意义明确,与材料试验结果的对比表明,所建立的三维弹塑性损伤本构模型可较好地描述岩石材料在多轴受力情况下的变形与强度特性,为岩体工程的复杂非线性受力分析提供理论依据。