侧向受荷桩周土体内部位移场的模型试验研究

针对常规室内模型试验仅限于土体表面位移量测的缺点,利用玻璃砂、正十二烷和白矿油混合液合成人工透明土,设计侧向受荷桩周土体位移测量试验系统,研究桩周土内部的体移变化规律.该系统主要包括激光器、数码相机、水平加载装置、应变采集装置和计算机等.激光穿过透明土,形成目标观测切面,数码相机捕捉激光和颗粒相互作用产生的散斑图像并存储与计算机中.在试验过程中,土体位移图片通过PIVview2C软件进行分析,可以获得土体内部的位移场.从不同深度来测量土体内部变形,可以更直观地观测到侧向受荷桩周土体的位移发展变化规律.试验结果表明,侧向受荷桩土体内部位移主要集中在桩前接近土表面的浅层土体,桩前土内部体在水平面内呈纺锤体状,土体深度从2.4 D(D为桩直径)增加为3.8 D时,桩前土体影响范围从7.5 D减小为6 D,土体最大位移减小了约25%.     

基于透明土的盾构隧道模型试验设计研究

鉴于现有盾构模型试验不便获取土体内部的变形信息等缺点,利用溴化钙水溶液和熔融石英合成透明土,在此基础上设计了盾构掘进模型试验的系统方案。模型盾构机刀盘可以旋转,也可向盾构壳内撤回,并且均由螺杆控制,可用于模拟盾构开挖和开挖面支护压力减小工况。盾构施工过程中,通过激光面切割盾构前方透明土体,形成一个明亮的土体内部颗粒切面,利用数码摄像连续获取该切面的有关图像,结合粒子图像测速技术分析土体的内部变形特征,从而实现对盾构施工引起土体变形的细观机理的真正可视化研究。     

裸置海底管道侧向往复运动土抗力试验研究

在高温高压作用下,侧向屈曲是铺设在海床上的海底管道结构失效的主要形式之一,管道在侧向屈曲过程中受到的侧向土抗力是控制管道侧向屈曲幅值的关键因素。针对管道在侧向屈曲过程中受到的侧向土抗力,实施了一系列管道在大位移往复运动过程中的管道土壤相互作用模型试验,研究了不同管道直径和不同初始沉陷深度对侧向土抗力的影响。试验结果表明,侧向土抗力与管道直径、初始沉陷深度有关;侧向土抗力随土壤隆起高度增加呈几何增长;管道在往复运动位移幅值处的侧向土抗力显著增强。     

基于DSCM的混凝土结构变形局部化试验

为了研究混凝土梁试件在四点剪切受力情况下变形局部化的位移场、应变场及其演化过程,采用了单边预制缺口混凝土梁和双边预制缺口混凝土梁两种结构模型.使用CCD摄像机采集了试件加载过程中的散斑场.使用数字散斑相关方法对采集到的散斑场进行了处理分析.结果显示出了混凝土试件在不同时刻的位移场分布和应变场分布,观察到了试件在变形局部化过程中位移场和应变场的演化过程.结果表明：数字散斑相关方法是进行混凝土损伤断裂特性研究的一种有效试验方法,为研究混凝土变形非均匀局部化演化过程及混凝土细观本构参数的取值提供了一种高效的新的试验手段.     

用于透视土体内部变形的透明材料的研究

为了便于对观察对象或试验结果进行定量的分析,必须进行土的变形测量。传统的土的变形测量方法,只局限于测量土体的宏观变形及边界区域的测量,不能透视土体内部的变形过程。采用无定型硅粉、硅胶以及卤水等透明材料来模拟自然土体,然后采用光学技术来研究透明材料以解决上述问题,并为以后研究地基承载力的破坏模式以及桩土之间相互作用等做准备。     

珊瑚礁砂参数变异性对管桩基础承载特性影响研究

为研究岩土工程随机有限元分析过程中珊瑚礁砂参数变异性对管桩基础模拟结果的影响,设计了两种不同的随机场单元分布形式,利用Plaxis3D有限元软件进行随机有限元建模,进而分析了模型模拟得到的珊瑚礁砂土体最大、最小土应力分布,土体位移云图,管桩荷载-位移曲线以及桩基础的极限承载力,并将极限承载力与室内模型箱的试验结果数据进行了对比。结果表明,在随机有限元模拟的过程中,当土体参数变异系数较小时,可以通过减少采样样本来提升模拟的效率。在受力较集中的部分,增大土体参数空间分布的变异性,可以提高模型建立的准确度。对珊瑚礁砂参数变异性不同的两种随机场模型极限承载力与试验极限承载力进行误差分析,桩-土接触区域土体参数变异性较大模型的误差值比变异性较小的减小了近12%。     

超软土真空预压透明土模型试验及土桩形成机理

吹填超软土真空预压加固地基过程中,塑料排水板周围易形成“土桩”,“土桩”的存在降低了其周围土体的固结效率,严重时甚至会导致地基处理失效；然而,对“土桩”形成机理的认识仍相对不足.为此,基于透明土材料和粒子图像测速法（PIV）,开展超软土真空预压透明土模型试验,非嵌入式地可视化测量真空预压过程中排水板周围土体位移场.结果表明:排水板周围的土体变形与排水速率存在联系,在排水高峰期和排水平稳期,排水板周围土体产生明显的水平位移,且产生水平位移的范围随抽真空时间的增长逐渐扩大.而在排水缓慢期,排水板周围的土体几乎仅有竖向位移；土颗粒在渗流力的作用下向着排水板方向移动并聚积在排水板周边,是造成“土桩”和“软弱带”现象的主要原因；浅层土体的颗粒较细、上覆土重较低,在渗流力作用下更容易发生向着排水板方向的位移,形成的“土桩”由浅至深半径逐渐减小,“土桩”的最大半径可达11 cm；“土桩”范围内的土体密度较“软弱带”土体的密度更高,在自重和“真空荷载”作用下的压缩量更小,在土体表面形成“桩头”.     

改进的电子散斑干涉法

电子散斑干涉法在处理大面内位移物体时,因变形前后散斑场失配,相关性消退,干涉条纹严重退化,导致体现变形的相位信息无法准确获得.针对该问题,将二维数字散斑相关法引入电子散斑干涉法中,由散斑相关法探测导致散斑失相关的二维面内位移场,用数字的方法将失配散斑场进行再对准,使干涉条纹恢复.用离面位移敏感电子散斑光路得到离面位移,再与散斑相关所得的面内位移场相结合,可以求得物体三维位移.最后,对周边固定、中心加载典型试件进行了测量,结果表明该方法是合理可行的.     

仿生牙根桩承载性能透明土模型试验研究

基于仿生学原理并结合哺乳动物下颌磨牙承载力高的特点,提出一种模仿哺乳动物下颌磨牙的仿生牙根桩,仿生牙根桩的承载性能和沉桩时的挤土效应不同于传统底部截面为圆形的锥形或平底桩。结合数值方法和模型试验研究其承载特性及沉桩过程中的桩—土作用,采用DEM离散元方法进行数值模拟研究,发现仿生牙根桩能大幅提高桩底承载力,但易引起土体应力集中。基于数值模拟结果进行模型试验,采用基于透明土模型试验的粒子图像测速技术（PIV）,利用沉桩加载仪和CCD高速工业相机连续拍摄沉桩加载过程中桩周土体在线性激光器下产生的散斑场,得到整个土体的位移场。结果表明：仿生牙根桩对竖向荷载的承载能力超过普通锥形桩1倍左右,引发的桩身拖曳效应与桩底部竖向土体位移更加显著,且在桩中心内凹不太大时,其引发的土体横向位移较小。     

静压桩挤土效应数值模拟及影响因素分析

针对目前数值模拟在静压沉桩挤土效应方面存在的问题，给出了符合压桩实际的有限元模型.该模型采用有限变形理论及土体的屈服准则，并通过桩土界面的接触及施加位移荷载来实现压桩过程.运用得到的有限元模型对静压桩产生的位移场进行了分析，分别给出了桩土模量比、桩土界面的摩擦特性及土的泊松比对沉桩位移场的影响规律.结果表明，沉桩的挤土效应不仅与土的工程性质有关，还与桩土相互作用面的性质密切相关.     

土与结构接触面试验仪的研制与应用

为真实地反映接触面的性状,自主研制和开发了一台可用于土与结构物接触面试验的新型接触面试验仪,该仪器可实现接触区域土体沿剪切方向的自由变形;采用数字图像位移测量技术,并开发了与之配套的细观位移测量软件,可从宏观和细观2个方面对接触区土体变形进行精确测量;实现了接触面应力与位移量测的自动化.试验结果表明,该仪器能够测定和研究接触区土体的应力变形性状及土与结构面的相互作用机理和规律;土体与结构物的接触作用不只发生在接触界面上,还存在一个接触区,应对接触区的应力变形性状进行详细研究,才能建立合理的接触面本构关系.     

改进的电子散斑干涉法

电子散斑干涉法在处理大面内位移物体时，因变形前后散斑场失配，相关性消退，干涉条纹严重退化，导致体现变形的相位信息无法准确获得，针对该问题，将二维数字散斑相关法引入电子散斑干涉法中，由散斑相关法探测导致散斑失相关的二维面内位移场，用数字的方法将失配散斑场进行再对准，使干涉条纹恢复，用离面位移敏感电子散斑光路得到离面位移，再与散斑相关所得的面内位移场相结合，可以求得物体三维位移，最后，对周边固定、中心加栽典型试件进行了测量，结果表明该方法是合理可行的。     

盾构隧道下穿管道施工引起的管道水平位移研究

采用两段法研究了盾构隧道下穿管道施工引起的管道水平变形特性,在第1阶段改进了Loganathan公式,求得盾构隧道以任意角度下穿管道施工引起的管道轴线处土体水平位移,第2阶段采用Vlasov模型模拟管土相互作用,并求得管道水平位移解析解。通过与工程监测数据及有限元计算结果的对比,验证了方法的正确性,并进一步分析了管道与隧道夹角、管道直径以及隧道埋深对管道变形的影响。结果表明：盾构隧道斜下穿管道施工时,隧道与管道相交角度的大小对管道水平位移造成的影响显著,随着夹角的减小,管道的水平位移逐渐增加;当管道与隧道相交角度较小时,盾构隧道开挖引起的管道水平位移相对管道竖向沉降不可被忽略;随着管道直径的增大、隧道埋深的增加,盾构隧道斜交下穿管道施工引起的邻近管道变形均减弱。     

非一致激励下埋地管道地震响应数值模拟及其试验验证

为了研究埋地管道在非一致激励下的地震响应，本文利用已开展的埋地管道非一致激励振动台试验，建立了能考虑埋地管道非一致地震激励和管-土非线性动力相互作用的三维有限元数值模型。该模型采用静-动力耦合分析方法，土体选用Davidenkov非线性本构模型，管-土相互作用采用摩擦接触以考虑管-土的滑移、分离现象，模型边界采用滚轴边界，模型底部地震动输入为振动台试验中主动箱底部加速度传感器测得的加速度时程。分析结果表明：数值模拟计算与振动台试验实测结果在加速度时程、加速度放大系数及沿管道轴向的应变峰值曲线等方面吻合较好，体现出了相似的规律，相互印证了数值模型和振动台试验结果的正确性。     

土工格栅与粗粒土界面特性的大型直剪试验研究

为分析粗粒土与土工格栅复杂界面作用特性,通过设计改良后的可视化大型直剪设备,采用双向土工格栅为加筋材料,对素粗粒土和加筋粗粒土直剪试验进行界面研究.分别考虑法向压力、粗粒土中的粗粒含量P5等多因素的变化对筋土界面的性质影响.利用高清数码相机对试验剪切过程进行跟踪采集,研究素粗粒土和加筋粗粒土直剪试验过程中剪切面位移场变化规律.结果表明:加筋粗粒土比素粗粒土的内聚力有所增加,内摩擦角有所降低,加筋粗粒土直剪界面区域土体颗粒位移最大值小于素粗粒土的位移最大值,但加筋土界面厚度大于素粗粒土界面厚度.土工格栅对土颗粒的嵌锁作用限制了土颗粒的剪切移动,增强了土体的稳定性,从而提高了土体的抗剪强度.     

基于Kerr地基模型单井降水邻近管线变形计算方法

为了研究单井降水对邻近管线的影响,基于Kerr地基模型结合两阶段法提出了一种单井降水引起邻近管线竖向变形的计算方法。在第一阶段采用有效应力原理与Dupuit假定计算出降水引起邻近管线受到的附加应力,第二阶段将管线视作搁置在三参数Kerr地基上Euler-Bernoulli梁,以此模拟管线与土的相互作用进而推导出管线的竖向位移。通过与原位降水试验及Winkler模型的结果进行对比,验证了所提方法的准确性,并进一步分析了土体弹性模量、渗透系数、管-井间距以及水位降深变化对管线竖向位移的影响。分析结果表明：所采用的Kerr地基模型考虑了土体变形的连续性,相比Winkler地基模型更具优越性;土体渗透系数及管-井间距对管线变形影响较小,而土体弹性模量与降水井内水位降深影响较大;土体弹性模量减小、水位降深增大均导致管线变形明显增大,且易引起管线位移超过允许值,应针对相应因素采取防控措施。     

含转折非连通断层岩石破坏过程的试验研究

以数字散斑相关方法( DSCM)为手段,对含有转折非连通断层岩石破坏过程进行了试验研究.研究了岩石破坏过程中的试件表面的变形场演化过程.通过DSCM系统观测加载过程中的散斑图像,分析得到各个时刻的位移场及应变场,试验结果反映了转折非连通断层变形破坏的整个过程.结果表明,变形最初集中在岩石的弱性结构面上,并且变形破坏过程也受弱性面控制,裂纹尖端为应力集中程度最高的区域,新裂纹从这里产生并扩展,最后导致整个结构的破坏.利用变形场统计指标Cv值分析发现,该值在岩石均匀变形阶段变化较为缓慢,在岩石破坏前迅速上升,因此,可以利用Cv值对岩石破坏进行预测.     

群桩承台下土体位移场可视化模型试验及其数值模拟

为了从细观角度分析桩土共同作用的内在机理,利用数字图像相关技术,通过室内模型试验得到了群桩基础的承载力特性、承台下土体可视化位移场,并结合有限元技术实现3维位移场分析。研究结果表明：群桩基础的荷载-沉降关系呈缓降型,常规桩基后期承载力由桩来控制;而复合桩基后期承载力由承台下土体控制,且荷载沉降特性更具天然地基承载特性。...     

装配式结构钢筋连接界面的破坏演化规律研究

为了获取装配式混凝土结构钢筋浆锚连接界面的破坏演化规律,借助数字散斑相关方法(DSCM),对装配式混凝土结构进行了纵向钢筋浆锚连接拉拔试验.通过观测钢筋浆锚连接的破坏过程,并对散斑图像进行分析,研究了装配式混凝土结构浆锚连接钢筋受力变形演化特征、锚固体系受力位移场演化特征、锚固体系受力应变场演化特征.研究结果表明:锚固...     

竖向受荷PCC桩承载机制颗粒流数值模拟

采用颗粒流数值仿真技术,从细观力学角度对砂土中竖向受荷现浇混凝土薄壁管桩(简称PCC桩)与土相互作用过程中的传力机理、桩内外侧土体位移场分布特征及细观结构参数变化规律进行研究。结果表明:PCC桩侧阻力及端阻力在加载初期同步发挥,桩外侧摩阻力始终明显高于桩内侧,桩芯土体承载力发挥不充分,PCC桩承载力主要由桩外侧摩阻力控制;桩外侧摩阻力在桩身中部及靠近端部发挥较为充分,在0.65 L入土深度处外侧摩阻力明显弱化;桩内侧土体在桩身上段范围内位移矢量较小,桩端以上3 d1范围内土颗粒由于土塞效应的存在随桩身一起发生刺入变形,桩外侧土体在桩身中部位移影响范围达到2 d,整个桩外侧位移影响区呈弧形分布;桩周土体接触力链及孔隙率变化与PCC桩宏观力学表现保持一致。研究成果对于进一步明确PCC桩与土相互作用的内在机理具有意义。