基于摩尔库仑准则的膨胀土弹塑性本构模型及其数值实现

膨胀土的应力应变关系与含水量的变化有关,通过室内试验对膨胀土的变形、强度以及膨胀参数与含水量之间的关系进行研究,以湿度应力场理论为基础,提出了一个具有工程实用价值的基于摩尔库仑准则的膨胀土弹塑性本构模型。依据FLAC3D数值模拟软件所提供的二次开发程序,给出了该膨胀土弹塑性本构模型二次开发程序过程的基本原理以及模型的程序框图。结合渗流软件计算的湿度场分布,进行膨胀土基坑边坡实例验算,验证了该本构模型的正确性。     

增湿条件下膨胀土隧道围岩的稳定性

增湿条件下,膨胀土的强度会降低并产生膨胀力,在两者的共同作用下,膨胀土隧道围岩稳定性会严重降低,有必要研究增湿条件下膨胀土隧道围岩的变形和衬砌受力.采用室内试验和数值模拟的方法对膨胀土隧道围岩稳定性进行研究,对不同含水率的重塑膨胀土进行剪切试验,得出摩擦角、黏聚力与含水率的拟合关系式,运用ABAQUS有限元软件对膨胀土...     

基于相对湿度场和变模量本构的岩土膨胀分析模型

随着含水率的增加,红层岩土材料会表现出体应变增加而变形模量降低的双重特征。为研究荷载作用下含水率变化对岩土体变形的影响,本文在湿度应力场理论的基础上,对含水率进行归一化处理,提出基于相对湿度的变模量本构,建立了岩土膨胀分析模型。以压实红黏土和红层黏土岩为研究对象,首先开展侧限膨胀试验,对稳态模型参数和不同法向应力条件下变形模量随含水率的变化规律进行了反演。试验结果表明：压实土和黏土岩都具有一定的膨胀性,膨胀力分别为225kPa和112.5kPa,无荷载侧限膨胀率分别为0.345和0.205;相对湿度相同时,粘土岩具有较大的变形模量,但随着含水率的增加,黏土岩的模量衰减速度快于压实黏土;在膨胀力实验中,压实黏土的膨胀应力能过够更快达到稳定,具有较高的相对湿度扩散率。其次,基于已标定的膨胀分析模型对侧限膨胀试验进行数值模拟,通过数值模拟和实验得到的膨胀力和膨胀率对比,一方面,验证本文方法在稳态分析时的适用性;另一方面,给出了相对湿度场平均扩散率K的标定方法。最后,以圆形洞室遇水问题为算例,进行了稳态理论分析和瞬态数值模拟,通过与湿度应力场理论解的对比,说明了本文模型在考虑遇水软化和大变形引起应力重分布时的优越性。本文膨胀分析模型参数易获得,数值模拟结果准确性高,可为红层膨胀岩和膨胀土地区工程建设提供指导。     

膨胀土一维湿化变形时效特性的半经验法研究

为探索膨胀土渗透作用下湿化变形时间效应的预测方法,设计一系列具有一定初始含水率和干密度的标准环刀试样的一维吸水膨胀试验,对试样的膨胀变形随时间变化规律进行分析.采用室内试验、数据统计分析与有限单元法相结合,理论计算出膨胀土的吸水膨胀率随时间的变化关系.室内无荷载膨胀试验获取了隆起量随时间的变化规律;将滤纸法获得的膨胀土的土-水特征曲线,应用于有限元分析软件中,获得了试样渗透吸水过程中体积含水率随时间的变化规律;最后将试验获得的膨胀率-过程含水率的理论与体积含水率随时间变化的数值模拟结果相结合,获得了土体隆起变形随时间变化的理论预测曲线.研究结果表明:半经验公式获得的隆起量-时间关系与试验数据基本一致;结合已有研究验证该半经验方法的准确度,结果得到的膨胀量随时间变化的计算结果与实测相同,说明本文提出的半经验计算方法具有良好的应用前景,可用于膨胀土的一维隆起预测.     

干湿循环下膨胀土边坡响应的模型试验

为了解干湿循环作用下膨胀土边坡的吸力、孔隙水压力、胀缩变形的变化,开展了室内膨胀土边坡模型试验,测定了干湿循环条件下膨胀土边坡表层土体的吸力、孔隙水压力、胀缩变形的变化情况,绘制了相应的时程曲线及表面轮廓线.试验结果表明:随着干湿循环次数的增加,裂缝逐渐变宽变深,吸力和孔隙水压力在降雨工况下的变化幅度增大;水平顺坡向位移在干湿循环过程中表现为递增趋势,竖向位移在干湿循环中表现出明显的胀缩性;膨胀土边坡的隆起变形在每次干湿循环后均有所增加,且坡脚和坡底处的隆起变形量较其余部位更为明显.     

缓坡率膨胀土加筋路堤局部稳定性分析

根据大气影响深度理论和调查结论,提出了加筋路堤的破坏模式,利用格栅变形和土体膨胀变形的相容关系,结合室内有荷试验结果,提出了允许变形的膨胀压力的计算方法,推导了膨胀土加筋路堤的局部稳定性计算公式并对南宁至友谊关公路的加筋路堤稳定性进行了计算。膨胀压力不同于室内试验的膨胀力,是土体允许变形以后的压力,其值小于或等于室内试验得到的膨胀力;下滑力由裂缝中土体吸水后产生的膨胀压力提供,抗滑力由滑动面上土体与筋材的摩擦力和筋材的锚固力共同提供,适当提高填筑含水量可以降低下滑力;文中提出的局部稳定性计算公式可用以验证膨胀土路堤加筋设计的合理性。     

着陆器足垫冲击模拟月壤的数值分析

针对竖向着陆冲击过程,开展大量的模拟月壤室内单元体试验,探讨模拟月壤材料参数的确定方法和取值范围.将着陆器按月地相似比尺简化为冲击筒体,建立着陆器足垫垂直冲击模拟月壤三维动力有限元模型,模拟分析在冲击荷载作用下的足垫轴力、速度和位移的实时动力响应,与室内模型试验结果进行对比,验证了该模型的合理性. 计算表明：场地塑性区域呈形状变化的椭球,影响主要分布在2.0～3.0倍最大足垫直径深度范围内,撞击变形呈盆底形,速度响应滞后于轴力,位移响应滞后于速度.     

桩承式路堤土拱效应颗粒流分析

土拱效应是桩承式路堤中荷载传递机制中的关键因素。参照前人室内模型试验,采用颗粒流软件PFC2D建立离散元（DEM ）数值模型,对桩承式路堤中的接触力分布、主应力偏转、竖向位移和侧向位移等进行深入分析。模拟中,路堤填料和桩间土采用Disk单元模拟,桩和模型箱采用Wall单元模拟,路堤DEM 模型采用分层压实法生成;路堤填料细观参数通过建立数值双轴试验进行标定,桩间土细观参数通过建立数值压缩试验进行标定。模拟结果表明：桩承式路堤中土拱由多个不同圆心的半球形拱共同组成,拱的高度约为5（ s－ a）／6;在该高度内路堤中的主应力发生明显偏转,竖向位移量和侧向位移量较大。     

重塑膨胀土膨胀力室内试验研究

为了进一步研究膨胀土膨胀力的发展规律,采用平衡加荷法研究南京膨胀土竖向膨胀力随时间、初始含水率、干密度的变化规律。试验结果表明:膨胀土试样初始含水率越小、干密度越大,膨胀速率越快;同一干密度的膨胀土试样随着含水率的增加,膨胀力不断下降,膨胀土试样的膨胀力与含水率基本呈线性关系;同一含水率的膨胀土试样的膨胀力随干密度的增大而增大,膨胀土试样的膨胀力与干密度基本呈幂指函数关系。     

冻融循环条件下膨胀土力学特性试验研究

为研究人工配制膨胀土作为深季节冻土室内模型试验材料,其力学特性随冻融循环的变化规律,将其与原位膨胀土进行对比.通过两者压缩试验结果的分析可以发现,有关抗剪强度参数,两者均表现出随冻融循环次数增加而减小的规律.与原位膨胀土相比,人工配制膨胀土因受冻融循环次数影响,内摩擦角下降速率更低,粘聚力下降的速率更高.两者在动应变相同的情况下,随冻融循环次数累积,动剪切模量均减小,阻尼比均增加,且阻尼比改变的最大值均发生在第一次冻融循环,之后冻融循环过程中人工配制膨胀土阻尼比随冻融循环次数增加的变化量大于原位膨胀土,其变化速率较稳定,与人工配制膨胀土表现出规律一致性.     

基于颗粒流的富水岩石冻融后拉伸力学行为研究

为了研究岩石冻融作用下的拉伸力学行为,提出基于孔隙水颗粒和颗粒膨胀的方法模拟岩石孔隙水低温相变膨胀过程,推导得到了孔隙水颗粒体积与温度和未冻水含量的关系方程.然后,采用提出的新方法开展了富水岩石冻融循环和冻融后巴西劈裂数值计算,通过与室内试验结果对比验证了提出的岩石冻融颗粒流方法的可行性和可靠性.计算结果表明:冻融循环...     

基坑开挖与土钉墙施工过程的数值模拟

应用有限差分法计算程序FLAC对淮安市某基坑开挖和土钉墙施工过程进行数值模拟,分析了基坑开挖和土钉支护过程中的土体位移场、应力场和土钉受力的变化规律.数值模拟的结果与现场监测数据比较吻合,说明了使用数值方法模拟基坑开挖的有效性,得到了土钉支护基坑的位移场和土钉受力规律.     

膨胀土膨胀变形时程特性研究

为研究膨胀土膨胀变形随时间的变化,进行了2组南宁膨胀土室内单向浸水膨胀试验和膨胀土桩基灌溉模拟试验,分别对有荷、无荷膨胀土的线胀率的时程特性和基桩桩周膨胀土变形的时程特性进行了较长时间的研究.研究发现,尽管土样的初始含水量及干密度不同,但土样有荷膨胀变形的时程特性具有相似的规律:有荷(大于50 kPa)情况下,土样线胀率1gδ与时间t曲线可分为3个阶段,且该曲线可以用指数关系进行精准描述;无荷膨胀土膨胀率1gδ与t的关系用对数函数拟合更为精确;对桩基模拟试验结果进行分析和数值拟合,建立了考虑时间因素的桩周土隆起量的指数函数关系式,为进一步研究桩一土共同作用奠定了试验基础.     

冻融循环作用下膨胀土边坡稳定性模型试验研究

采用重塑膨胀土进行室内边坡模型试验,研究膨胀土边坡在冻融循环作用下边坡模型的位移,土压力,含水率和孔隙压力的变化特性,反应冻融循环对膨胀土边坡稳定性影响.试验发现,冻融循环作用下膨胀土边坡表面裂隙由初始数量较少的直线型长裂隙向数量较多的网络状短裂隙发展,对沿深度方向上的裂隙发育亦存在显著影响.土压力在单次冻融中表现随温度降低土压力增大,反之亦然.边坡在冻融过程中始终表现冻缩融胀,但整体上表现出向临空面逐渐变形的趋势.且单个冻融循环周期内位移变化速率与温度绝对值呈正相关关系.含水率在单个冻融循环周期内呈现随温度降低而降低,温度升高反之,随试验进行含水率在深度方向表现出明显水分迁移现象.孔隙压力随温度降低先小幅度升高后大幅度下降,温度升高孔隙压力先升高后下降.孔隙压力受温度传导速度影响很大.首次冻融对边坡变形、含水率和孔隙压力影响很大,随着试验进行其变化都会趋于稳定.     

桩锚支护体系的受力和变形研究

在深基坑工程中,现场实测主动、被动土压力的大小和分布与经典土压力理论完全不同,分析了产生这一现象的原因,并通过室内模型试验、平面有限元法对桩锚支护体系进行了试验和数值分析,结果表明用这2种方法研究支护结构的变形和受力性状是可行的,试验与数值计算结果较为吻合.     

桩锚支护体系的受力和变形研究

在深基坑工程中,现场实测主动、被动土压力的大小和分布与经典土压力理论完全不同,分析了产生这一现象的原因,并通过室内模型试验、平面有限元法对桩锚支护体系进行了试验和数值分析,结果表明用这2种方法研究支护结构的变形和受力性状是可行的,试验与数值计算结果较为吻合.     

等幅干湿循环条件下膨胀土的低应力抗剪强度特征

为研究膨胀土的真实强度特征,采用室内常规直剪试验,对等幅度干湿循环条件下的重塑膨胀土进行低应力抗剪强度测试。研究了重塑膨胀土低应力抗剪强度参数随循环次数、循环幅度的变化关系,并建立了包含初始含水率、循环幅度、干湿循环次数为变量的粘聚力的非线性特征函数。试验结果表明：在相同循环幅度和初始控制含水率下,膨胀土的粘聚力随循环次数的增加而衰减;在相同循环次数和初始控制含水率下,膨胀土的粘聚力随循环幅度的增加而衰减;内摩擦角与循环幅度和循环次数之间的关系无法用函数来表达;本文建立的非线性粘聚力衰减函数是利用室内简单试验得到的,可用来计算等幅度干湿循环条件下膨胀土的粘聚力。     

初始含水率与膨胀土力学特性关系的分析研究

通过室内试验模拟现场施工条件,采用干法重型击实试验,制备7组不同初始含水率的土样,分析膨胀力、膨胀率、终止吸水率随着初始含水率的不同而呈现的变化趋势;利用Origin7.5数值软件,进一步对膨胀力与初始含水率、膨胀率与初始含水率、终止吸水率与初始含水率进行线性拟合和S曲线拟合。数据结果证明:随着初始含水率的增加,膨胀力、膨胀率及终止吸水率呈现降低趋势;该区域膨胀土在吸水率达到5%左右时,土体可达到胀限含水率,促使土体膨胀稳定;三者的S曲线拟合均优于线性拟合结果,在S曲线拟合中,通过对Chi^/DoF值和R2值的综合考虑,探索出三者分别与初始含水率之间的最佳拟合关系即为指数函数关系。     

考虑晶层表面电荷密度的蒙脱石膨胀力模型

蒙脱石晶层表面电荷密度是影响膨胀土膨胀力的重要因素.取膨胀力为2 MPa时5种蒙脱石的干密度,计算得到其中4种蒙脱石的干密度与Kunigel-V1蒙脱石干密度的比值,将此比值与各蒙脱石的表面电荷密度拟合得其关系式,然后基于此关系式与Kunigel-V1蒙脱石膨胀力试验结果,预测了其他4种蒙脱石的试验结果.结果表明,试验结果与预测结果相吻合,为预测膨胀土的膨胀力提供了新思路.     

桩承式路堤中土拱效应演变规律宏细观研究

基于桩承式路堤平面土拱效应研究的室内模型试验,采用PFC2D软件建立桩承式路堤颗粒流数值分析模型,通过与试验结果对比验证了该数值分析模型的正确性。首先,基于路堤自重应力荷载作用下的颗粒流数值模拟结果,验证了平面土拱效应内拱与外拱高度理论计算公式的正确性。然后从路堤中竖向应力的分布规律、应力缩减比的变化规律以及路堤中接触力的分布规律三个角度分析了路堤表面外加荷载作用下桩承式路堤中土拱效应的演变规律。研究发现：当路堤表面外加荷载由10 kPa增大至40 kPa时,桩承式路堤中的土拱效应发挥稳定;当路堤表面外加荷载由40 kPa增大至100 kPa时,桩承式路堤中的土拱结构发生了退化并有新的土拱结构形成,在宏观上表现为软土承担竖向荷载的分担比呈现增大的趋势。