不同应力路径下超固结黏土分叉分析

基于姚仰平等提出的伏斯列夫面超固结黏土三维弹塑性本构模型,导出了水土耦合不排水条件下饱和黏土的应变局部化的萌生条件,求出了在不同应力路径下单相介质和水土耦合不排水条件下分叉三维解析解和数值解。理论分析表明,对于单相介质,该本构模型在应力洛德角为 - 23.5 °～ 4 °之间时,有分叉现象产生,并且分叉产生于土体应力应变曲线的硬化阶段;而当应力洛德角在 - 30 °～ - 23.5 °和 4 °～ 30 °之间时无分叉现象出现。在水土耦合不排水条件下,使用该模型在应力洛德角为 - 23 °～ - 1 °之间时,有分叉现象产生,分叉产生于土体应力应变的软化阶段;而当应力洛德角在 - 30 °～ - 23 °和 - 1 °～ 30 °之间时无分叉现象出现。利用嵌入上述本构模型的有限元软件 ABAQUS ,对单相和水土耦合不排水条件下的多单元立方体应变局部化分叉现象进行了数值分析。比较表明解析解与数值模拟的结果基本一致。     

饱和粘土热–力学体积变形特征模拟研究

土木工程(如：地下管线的稳定性)、能源储存(如：天然气储存)以及高水平放射性废弃物等中的与温度有关的问题正越来越引起人们的注意。对与温度效应有关的材料的热–力学特征的正确理解是分析该类工程问题的一个关键。提出了一个适合于饱和粘土的多功能热–力学模型，对加荷行为(LY表示加荷屈服)，采用Picard(1994)提出的屈服面来描述；对于加热–冷却性状，引入一种新的屈服机理TY(热屈服)、以及与膨胀–收缩相对应的第3种屈服机理(热陷)，用以描述粘土中观测到的与温度变化有关的弹塑性特征。将TY与LY耦合，以描述实验(Towhata 等人 1993，Sultan 1997)中所发现的热硬化现象。通过验证实验——对一轻微超固结土进行加热，与对Sultan的Boom粘土试验结果(1997)进行模拟，以检验模型的正确性。     

桩-土接触面力学特性的研究现状

桩-土接触面力学特性的研究是解决桩-土相互作用问题的前提,尤其对于摩擦型桩而言,桩-土接触面问题直接影响到桩基的承载力,因此长期以来这一问题受到了众多学者的关注和重视。文中回顾了国内外桩-土接触面力学特性的试验研究现状,讨论了目前适用于接触面的多种本构模型以及接触面单元的计算方法,对今后桩-土接触面的研究提出了几点看法。     

透明黏土可视度及物理力学特性研究

透明土是用于岩土工程模型试验可视化研究的一种重要材料,明确其可视度控制因素与物理力学特性具有重要的意义。采用#15白油与正十二烷作为孔隙液体,无定形硅粉作为固相材料,通过对比不同的孔隙液体配比和掺入硅粉的质量比,发现可视度达到最佳时的配比为15号白油∶正十二烷=10∶3(体积比),孔隙液体∶无定形硅粉=1.5∶1(质量比)。针对最佳可视度的透明黏土进行了变形与强度特性试验,试验结果表明透明黏土属于高压缩性土,并且与天津滨海软黏土的压缩变形特征相近,二者压缩系数和压缩模量相差在10%以内;固结快剪试验表明当透明黏土的当应力水平较低(不大于200 kPa)时,透明黏土的抗剪强度指标可以取c≈11 kPa,φ=14°～18°,当应力水平较高(大于200 kPa)时,可以取c=20.28～22.62 kPa,φ≈17°。     

水力–力学耦合的超固结非饱和土本构模型的隐式积分算法及其应用

超固结非饱和土经常出现于工程实践中,表现出复杂的力学性质。从已有的非饱和土水力–力学耦合的本构模型出发,将超固结的影响加入到了模型中,使模型可以考虑超固结对非饱和土力学性质的影响。超固结非饱和土本构方程的求解是一个复杂的非线性问题,给出了该超固结非饱和土水力–力学耦合模型的隐式积分算法和本构模型的一致切线模量,并对该算法进行验证,证明了该算法的正确性,最后采用该算法对某非饱和土质边坡在地下水位上升的情况下进行有限元分析。     

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。     

能量桩群桩数值模拟及热-力响应分析

针对多场耦合、环境复杂条件下能量桩群桩受力机理难以探究的问题,以某工程实例为原型,基于ANSYS Workbench软件,采用有限元数值模拟方法研究2种工况下能量桩群桩的温度分布情况及热力学特性。结果表明:换热稳定之后,并联双U型管之间以及群桩各桩之间都存在热干扰现象;夏季工况下温度的影响范围较冬季工况的广。夏季工况下,桩体温度升高引起附加轴向压应力、上部桩身附加负摩阻力及桩顶隆起;冬季工况下,桩体温度降低引起附加轴向拉应力、上部桩身附加正摩阻力及桩顶下沉。     

流变性软黏土的弹黏塑性边界面本构模型

基于准前期固结压力的概念并引入边界面理论,在吸取国际上具有代表性的流变本构模型优点的基础上,建立一个新的边界面弹黏塑性本构模型.该模型以引入形状参数的修正剑桥模型为边界面,采用滞后变形的概念,将滞后变形分为体积蠕变和剪切蠕变2部分.体积蠕变采用在工程界广泛应用的Taylor公式来计算,剪切蠕变可通过合适的方法由体积蠕变反算得到.该模型不仅可以描述正常固结土的流变,还可以描述超固结土的流变,且模型参数物理意义明确,数量较少,仅比一般边界面模型多一个次固结系数.通过多组试验结果的模拟,表明所提出的本构模型具有较好的预测能力和较为广泛的适用性.     

K0固结饱和黏土中打桩对邻近桩影响分析

动力打桩过程可能会引起既有桩基产生较大位移,进而影响建筑物安全稳定。本文在K₀ 固结各向异性本构模型的基础上,推导了桩周土体破坏区和塑性区的半径计算方法,建立了打桩引起周围土体应力和超孔压的理论计算公式。在此基础上,以最小能量原理为理论依据,将超孔压视为外荷载,提出了其在向周围土层的传递方式,并在半无限空间体内推导了其对周围土体径向应力的影响,并结合天津典型软土对研究成果进行了分析。研究结果表明:建立的柱孔口扩张弹塑性理论计算结果与既有方法基本一致,超孔压在塑性区沿径向衰减速度明显较大;当桩间距较小时,打桩会使邻近已打设刚性桩产生较大水平位移。     

饱和粘土热-力学体积变形特征模拟研究

土木工程(如:地下管线的稳定性)、能源储存(如:天然气储存)以及高水平放射性废弃物等中的与温度有关的问题正越来越引起人们的注意。对与温度效应有关的材料的热–力学特征的正确理解是分析该类工程问题的一个关键。提出了一个适合于饱和粘土的多功能热–力学模型,对加荷行为(LY表示加荷屈服),采用Picard(1994)提出的屈服面来描述;对于加热–冷却性状,引入一种新的屈服机理TY(热屈服)、以及与膨胀–收缩相对应的第3种屈服机理(热陷),用以描述粘土中观测到的与温度变化有关的弹塑性特征。将TY与LY耦合,以描述实验(Towhata等人1993,Sultan 1997)中所发现的热硬化现象。通过验证实验——对一轻微超固结土进行加热,与对Sultan的Boom粘土试验结果(1997)进行模拟,以检验模型的正确性。     

能源桩温度分布的试验与数值研究

对能源桩换热过程中的温度分布的研究,是分析应力-温度耦合作用下桩身受力与变形行为的前提。首先总结了实测能源桩的温度分布规律,针对信阳螺旋埋管桩的TRT测试进行数值模拟,进出口水温、桩截面温度以及岩土温度的模拟结果均与试验数据相符,验证了模型的合理性。并对恒定加热功率工况下,岩土热导率、加热时长、埋管形式及桩径对能源桩温度分布的影响进行了模拟分析。结果表明,在70W/m的加热功率下对信阳测试桩加热7d后,周围岩土的热导率每减小0.3W/(m·K),桩身温度会整体增大约0.7℃,桩直径每增大200mm,桩身温度会整体减小约1℃; 螺旋埋管与U形埋管的桩相比,桩身平均温度较高,截面温度分布较均匀。     

平面变形超固结软黏土蠕变特征

通过对原状软土进行平面变形蠕变试验,研究超固结软土平面变形条件下的蠕变特征。研究表明,正常固结软土平面变形蠕变的体变过程,和一维变形条件下正常固结软土的次固结过程具有相同的规律,在主应力比与K₀状态相同时,相对于一维变形平面变形情况具有较小的轴向变形;平面变形条件下,采用土体受到的不同时期的体积球应力定义超固结比,能够全面地反映超固结软土的超固结特征;平面变形条件下,超固结软土蠕变的体积变形较正常固结状态明显减小,超固结比越大减小程度越明显,由超固结比确定体积蠕变系数具有合理性;平面变形在主应力比为K₀的状态下,超固结软土蠕变的轴向蠕变系数与超固结比负相关,由超固结比直接确定轴向蠕变系数是可行的;平面变形条件下土体的超固结应力历史,使超固结软土相对于正常固结状态具有较大的泊松比,在限制水平变形方向具有较大的主应力。     

黏土岩温度–渗流–应力耦合作用的长期力学特性研究若干进展

核废料地质处置库长期处于复杂的耦合环境之中,其安全、稳定、高效的建设与运营需要考虑温度场(T)、渗流场(H)、应力场(M)的长期耦合作用。围绕黏土岩多场耦合作用下的长期力学特性,首先总结了国内外在黏土岩温度–渗流–应力耦合条件下长期力学试验研究成果与不足,主要包括HM与THM耦合长期作用对黏土岩渗透特性的影响、黏土岩TM与THM耦合长期力学特性。其次从微观唯相的角度,论述了温度对黏土岩微观结构特征的影响机制。基于上述认识,提出黏土岩THM耦合蠕变力学模型及其适用性。同时,介绍了笔者团队围绕黏土岩THM耦合长期力学特性方面的相关研究成果,结果表明:BoomClay的长期力学特性与温度、孔压、应力和各向异性等因素相关。最后,提出黏土岩THM耦合研究未来应重点关注的方向。     

能源桩换热过程中结构响应原位试验研究

目前关于在桩基中埋设换热管作为地源热泵换热器（即所谓“能源桩”技术）在制冷或供暖过程中对结构和周围岩土体的影响的信息十分有限。在河南省信阳市一项地源热工程中开展了保持桩顶加载条件下施加温度荷载并进行桩身结构响应量测的试验。试验持续了4周的时间,在常规静载试验的基础上叠加了温度循环,以模拟能源桩在实际运行时的工况。沿桩身深度方向布设了振弦式应变计和其它量测仪器,获取了桩身的应变和温度曲线剖面。同时获得了桩顶加载量、桩顶位移、桩身中换热管的进出口水温以及环境温度等数据。从这些数据中又推导出桩身的附加温度荷载。在此试验的基础上,又探讨了能源桩结构响应的简化规律。对桩体进行加热或制冷后,桩体中相对于结构加载产生了附加温度荷载（拉力或压力）,且受制于桩端和桩周约束,结构荷载和温度改变引起的附加荷载的合力可能会超出桩基设计规范的限值,在能源桩设计中应给予充分的考虑。     

抗滑桩宽度与桩间距对桩间土拱效应的影响研究

抗滑桩宽度对桩间土拱效应的影响直接关系到桩截面尺寸及桩间距设计的合理性。通过离心模型试验,观察到抗滑桩宽度越大,桩间土拱稳定性越高。基于离心试验模型,采用数值模拟方法分析桩间土拱承载能力随桩宽度的变化规律。试验表明在桩间净距保持不变的情况下,桩间土拱承载能力随桩宽度增加而逐渐增大,但增长斜率逐渐变缓,说明随着桩宽度的变大,桩宽度的增加对桩间土拱承载能力的影响越来越小;而在桩间净距与桩宽度比值不变的情况下,桩间土拱承载能力随桩宽度和桩间净距的增加反而降低,且下降斜率逐渐增大,说明桩间净距对桩间土拱承载能力起着控制作用,增加桩宽度对土拱承载能力的贡献远不及增加桩间净距对土拱承载能力的削弱作用。本文研究表明,桩间土拱承载能力与桩宽度之间存在非线性的关系,在建立抗滑桩合理桩间距计算模型时应对此予以考虑。     

高速公路Y形沉管灌注桩软基处理试验研究

Y形沉管灌注桩是在传统沉管灌注桩的基础上研制出的一种新型沉管灌注桩,2003年首次在申苏浙皖高速公路工程中被应用于桥头段深厚软基的处理。本文介绍了申苏浙皖高速公路工程中Y形桩试验段的桩土应力、桩土表面沉降、分层沉降、侧向变形、孔隙水压力等项目的现场观测成果,并对路堤荷载作用下Y形沉管灌注桩加筋路堤的性状及其处理效果进行了分析。     

部分桩身在回填土中的钻孔灌注桩负摩阻力试验研究

详细介绍了用安装在灌注桩桩身的KL型钢筋计测值推求桩身平均摩阻力的方法。常规静载试验过程中发现基桩不可能产生负摩阻力。从长期观测的钢筋计测值推求桩身摩阻力成果看:在0.2～0.4的桩长范围内的上部桩身产生了一定数值的负摩阻力,它主要由桩顶周围回填土体的固结沉降引起;负摩阻力呈上部大,下部小的规律;地基土的变形未稳定前,中性点的位置也处于变化之中。     

冻土中锥型桩模型试验研究及有限元分析

通过冻土中锥型桩室内模型试验研究得出冻结土体中锥型桩承载力特征:Q-S曲线未发现“台阶”现象,也不存在陡降段,其破坏形式接近于渐进型。对现有冻土流变模型的分析,提出了用非线性牛顿体替代线性牛顿体,建立了改进的西源本构模型;并将改进的西源本构模型成功地添加到ADINA软件平台中。采用改进的西源本构模型对冻土中锥型桩室内模型试验进行了有限元数值仿真,模型试验结果和有限元计算接近,表明:采用有限元数值方法可为寒区冻土中锥型桩设计和施工提供参考。     

高速公路通道软基低强度混凝土桩处理试验研究

在国内首次采用低强度混凝土桩复合地基加固高速公路通道深厚软土地基,解决通道地基处理中的二次开挖、桥头跳车等问题。介绍了在杭宁高速公路通道地基低强度混凝土桩处理中进行的桩土应力、桩土表面沉降、分层沉降、侧向变形等项目的现场测试成果,并以此对路堤荷载作用下低强度混凝土桩复合地基的性状及其处理效果进行分析。