结构物位移对接触面土体力学特性影响的数值模拟

应用自主研发的试验仪对土与结构物相互作用进行试验,试验时使竖向应力和围压达到要求应力值,研究结构物以恒定速率运动时结构物位移对接触面力学特性的影响,进而利用PFC2D对土与结构物在不同位移下相互作用的试验进行数值模拟,分析了土与结构物相互作用时的剪应力变化和土体变形情况。结果表明,接触面剪应力随结构物位移的增加先快速增加,再逐渐趋缓,最后趋于稳定;结构物的剪切作用对接触面土体的影响尤为明显,对远离接触面的土体影响较小,使接触面处土体颗粒从右侧向左侧运动,导致量测圈1内土体堆积发生剪胀,剪应力值增大至140 kPa,量测圈3内土体疏松发生剪缩,剪应力值减小至35 kPa。     

土与混凝土结构接触面力学特性试验研究

使用新研制的土与结构接触面试验仪,较为系统地研究了土与混凝土板接触面的力学特性,分别从宏观和细观两方面量测和分析了接触区土体的应力变形性状及土与结构接触面的相互作用机理和规律。试验结果表明,接触面厚度约为7~8倍的平均粒径,达剪应力峰值后剪切位移主要发生于土与结构物接触表面,剪应力峰值、剪切位移和初始剪切劲度随法向应力的增大而增大,按混合法缩制的试料可降低试验缩尺效应影响,土颗粒级配、几何外形、物理力学特性和结构物表面几何外形和表面粗糙度均对接触面力学特性有较大影响。     

土工格栅加筋土石坝的试验和数值模拟研究

为进一步了解土工格栅加筋土石坝的变化特性,对土工格栅和堆石料接触面特性进行了拉拔试验,发现接触面上的剪应力较大,且随上覆压力的增加而增加;试验拉拔位移主要为土工格栅的伸长量,接触面上的相对位移较小,因此加筋土石坝数值模拟应设置土工格栅和堆石料接触面变形协调,并将试验结果应用于加筋土石坝的数值模拟中,分析了土石坝加筋前后应力变形特性和动力响应的变化规律。结果表明,加筋对土石坝变形的抑制效果主要体现在地震工况下;加筋后坝体的地震永久变形有所减小,加筋对顺河向的地震永久变形抑制效果大于震陷;加筋后顺河向永久变形指向下游,最大震陷位于坝顶。     

压实昔格达土料及其与既有填土界面剪切特性研究

鉴于新增压实昔格达填土及其与既有填土界面抗剪强度直接影响高填方区域稳定性,通过改进直剪试验制样方式,设定2类因素4种应力水平共32组试样,并采用固结快剪探究压实昔格达土料与既有填土界面剪切特性。结果表明,在不同法向应力下含界面试样剪应力-位移变化曲线呈剪切硬化状态,干密度对其应力-位移曲线的影响分为应变软化与应变硬化两个阶段;与新增压实昔格达土体抗剪强度相比,相同干密度下含界面试样的粘聚力大幅降低,最大降幅为32.50%,内摩擦角微弱增大,最大增幅为7.78%;消弱昔格达填土界面效应的适宜干密度为1.285g/cm3,即为界面填土填筑干密度建议值。     

掺砂粒径分布对泥质粉砂岩填料抗剪特性的影响

掺入不同粒径硬岩颗粒是软岩地层填方区改良软岩填料抗剪特性的重要方法。设定同粒径级配与单一粒径2类改良方式共32组试验,对比改良前后土料剪应力-剪切位移曲线,得到土料峰值剪切强度、破坏强度、粘聚力及内摩擦角等抗剪参数变化规律。试验结果表明,低应力条件下泥质粉砂岩土料受剪切作用而存在应变软化现象;掺入同级配砂粒后泥质粉砂岩土料内摩擦角随掺砂比例增加呈逐渐增大趋势,粘聚力先减小后缓慢增大;法向应力200、300kPa时,单一粒径替换后土料峰值剪切应力随掺砂中值粒径增加而缓慢增大并趋于稳定,内摩擦角随中值粒径值增大呈急剧上升后缓慢降低,在0.75 mm处取得极值;粘聚力呈先减小后逐渐增大趋势。可见采用粘聚力及内摩擦角等参数评估掺砂改良泥质粉砂岩土料抗剪特性时需注意粒径分布所引起的强度参数变化。     

考虑饱和度影响的红壤土抗剪强度模型及应用

鉴于降雨入渗过程中土体饱和度变化对库区边坡稳定性的影响,基于Bishop非饱和土抗剪强度理论和van Genuchten土水特征曲线模型,建立了直接考虑饱和度影响的多参数土体抗剪强度理论模型,并采用三峡库区红壤土设计了土水特征曲线试验和三轴剪切试验,获得了基质吸力和抗剪强度随饱和度变化的试验结果,进而验证了模型的合理性。结果表明,模型预测值与试验实测值的吻合度较好,建立的模型能较好地预测三峡库区红壤土的抗剪强度。进一步分析可知,红壤土抗剪强度指标——粘聚力和内摩擦角均随饱和度的增加呈非线性递减;在净总应力一定的情况下,红壤土抗剪强度随饱和度的增加呈对数关系递减。     

考虑支护结构位移影响的非极限土压力计算模型及应用

针对经典朗肯与库伦土压力理论不能计算有位移影响的土压力问题,通过分析土压力与位移的非线性关系,在支护结构发生任意位移的状态下,建立了土体松弛应力和挤压应力的似双曲正切函数模型,推导出考虑位移影响下的非极限土压力计算公式,并对模型的合理性进行了验证。实例应用结果表明,计算值与实测值吻合较好,模型合理、有效。     

土体与玻璃间摩擦机理试验研究

引用非饱和土抗剪强度理论研究了土体与玻璃间摩擦机理,为解决滑坡模型试验中模型槽侧壁玻璃与土体间摩擦边过大问题提供了试验依据,设计改造了室内土体直接剪切试验,证明了土体与模型槽侧壁玻璃接触面间存在吸力,且随土体含水量而变化,先增后减.     

不同改良方法对膨胀土力学性质影响及物理机制对比分析

为解决北疆供水工程由于膨胀土湿胀干缩引起的滑动破坏问题,采用石灰、水泥和砂石料作为主要的固化材料,通过无侧限抗压强度试验、直剪试验、压缩试验和SEM试验,宏微观相结合探究不同改良方法下试验掺量对改良膨胀土力学特性的影响和微观结构强度形成机理。结果表明,随石灰、砂石料掺量的不断增加,土体强度稳步提升,而水泥改良土在掺量为7%左右时出现峰值,石灰、砂石料在掺量分别约为6%、30%时,改良土整体结构可压缩性较低,粘聚力较大,抗剪抗压强度较高,可满足工程应用要求;对最佳配合比的石灰与水泥固化土进行SEM分析发现,均有大量卷曲薄片状水化凝胶物质生成,相比原膨胀土孔隙减少明显,团粒胶结紧密,从宏观力学性能上表现为固化土体力学性能和稳定性能得到大幅提高。     

大型叠环式接触面单剪试验及数值模拟

针对实际工程中的砂砾石料与结构物所形成的接触面研制的大型叠环单剪仪相关试验,利用大型通用有限元计算软件ABAQUS对其进行了数值模拟.结果表明,数值模拟显示出各接触体内部应力的变化过程及形成接触面的变化特征,利用大型通用有限元计算软件ABAQUS模拟大型叠环剪切试验是可行的,先行数值模拟为相应试验方案设计提供了参考.     

混凝土防渗墙应力参数敏感性分析

针对目前有限元计算所得的混凝土防渗墙应力常与工程实测结果出入较大问题,以狮子坪水电站土石坝为例,利用平面有限元法分析应力变形,采用敏感性分析方法研究了土体邓肯-张E-ν模型参数对防渗墙应力影响的敏感性,并分析了覆盖层、高塑性土、残渣单元及接触面Goodman单元四种材料16个参数对防渗墙应力的影响。结果表明,覆盖层地基的参数对防渗墙的应力影响较大,接触面参数的影响不容忽视,其他因素均对防渗墙应力整体影响较小。     

静三轴试验中固化疏浚泥的力学特性研究

为正确理解固化疏浚泥的力学性质,通过对固化疏浚泥进行固结不排水静三轴压缩试验,研究了围压和固化剂掺量对固化疏浚泥的破坏形式、应力—应变关系及抗剪强度参数的影响。试验结果表明,随着固化剂掺量的增加,固化疏浚泥的应力—应变关系由应变硬化型变为应变软化型;破坏形式由塑性破坏向脆性破坏过渡,而围压对其破坏形式无影响;固化疏浚泥的强度和抗变形能力均随着围压和掺量的增加而增大,但当围压小于土体内结构体的屈服强度时,围压对抗变形能力的影响可忽略;粘聚力和内摩擦角随固化剂掺量分别呈对数型和线性规律增长。     

基于PFC~(2D)软件的柿树沟泥石流运动过程数值模拟

为了解泥石流的启动及运动过程,以栾川县柿树沟泥石流堆积体为例,基于堆积体室内大型直剪试验指标,利用PFC2D模拟软件对其启动及运动过程进行仿真数值模拟,分析了不同工况下堆积体的运动速度场、应力场及位移场,研究了崩滑松散碎屑堆积物质启动、形成泥石流的过程和机制。结果表明,强降雨是柿树沟沟内松散堆积体启动形成泥石流的触发因素;中雨工况下,地表径流的冲刷力仅对堆积体表层有影响,但堆积体整体形态基本无变化;暴雨工况下,泥石流沟上游的洪水迫使土石颗粒脱离堆积体表面,后缘表层土体首先开始运动,产生的推挤力不断推动前方堆积土体向前运动,坡面形态发生显著变化;暴雨时间越长,堆积土体的运动速度和位移也越大,最终导致堆积体发生连锁式破坏,形成泥石流。     

密实度对桩端承载力影响的离散元分析

为探究土体密实度对桩基的滑动面和破坏机理产生的影响,采用PFC3D软件模拟浅埋条件下的单桩在密实和松散砂土中的载荷试验,从微观角度揭示密实和松散两种状态对桩端承载机理的影响。结果表明,在桩端承载力与沉降位移的关系曲线中,密实地基的桩端阻力存在明显的峰值并出现沉降软化,松散地基的桩端阻力不断增大;通过颗粒速度场随桩体位移的变化,密实地基的破坏面与MEYERHOF G G提出的破坏面类似,松散地基的破坏面与VESIC A S提出的冲剪破坏面和局部剪切破坏面类似;通过颗粒位移场随桩体位移的变化,密实地基桩端附近土体发生侧向挤压和隆起而松散地基桩端土体仅发生严重的侧向挤压;通过分析地基破坏后的颗粒接触力,密实地基的力链有沿桩端向桩端以上的地基边界和桩身发展的趋势,松散地基的力链集中在桩底以下并向下传递;通过孔隙比和应力状态随加载过程的变化可知,密实地基发生土体剪胀,松散地基发生土体剪缩。     

降雨入渗对浅埋偏压隧道洞口边坡稳定性的影响

以四川绵阳九岭岗隧道为背景,基于非饱和土流固耦合理论,采用MIDAS GTS NX有限元软件研究了降雨入渗对隧道边坡塑性区、整体位移及安全系数的影响,并根据数值分析结果探讨了不同支护措施的加固效果。结果表明,在降雨入渗条件下,左线隧道边坡及右线洞口浅层土体极易发生塑性破坏;随着降雨时长增加,边坡土体抗剪强度降低,整体位移明显增大,安全系数不断减小;对比分析锚索与抗滑桩对边坡位移的控制效果,最终选用锚索加固隧道边坡。     

不同植物根系对岸坡土体抗剪强度的影响

干旱地区植被根系在增强土体抗剪强度方面具有显著作用。为探究塔里木河下游植物根系对岸坡土体抗剪强度的影响,明确植被对岸坡防护的作用机理,以红柳、芦苇、骆驼刺、梭梭4种典型荒漠植被为例,开展室内根系拉伸试验和直接剪切试验,对比分析了4种植物根系对土体抗剪强度的影响规律。结果表明,4种根系的直径与抗拉力和抗拉强度均呈幂函数关系,其中与抗拉力呈正相关,与抗拉强度呈负相关,当根系直径>1.5 mm后抗拉力差异性显著提高;根系体积密度(R_RVD)对根—复合体的抗剪强度影响呈非线性。4种根—土复合体增加相同R_RVD时,对抗剪强度的提高程度依次为红柳>芦苇>骆驼刺>梭梭,表明红柳和芦苇在提高抗拉力和土体粘聚力方面具有显著优势,可作为沿岸固土防蚀植被推广种植。     

膨胀土干湿循环作用下的动力特性试验研究

为研究干湿循环作用下膨胀土的动力特性,对干湿循环条件下膨胀土进行动三轴试验,研究了围压、干湿循环次数、振动次数对于膨胀土动弹模量、阻尼比的影响规律。试验结果表明,土体在动荷载作用下的变形分为稳定型和破坏型,稳定型土体的动弹模量随振动次数增加而略有增加,阻尼比则有减小趋势,破坏型土体在较少的振动次数下很快达到破坏应变。建立了膨胀土的累积变形预测模型,可用于分析土体的累积变形随振动次数的变化规律。不同动应力条件下,土体的滞回圈形态从稀疏到密集,面积逐渐减小,较大应力作用下滞回圈的高度随振动次数的增加逐渐降低。首次干湿循环后对土体的影响最为显著,随后影响趋势逐渐减弱,随着干湿次数的增加,相同应力条件下土体需更多的振动次数才能保持稳定。     

平移模式下刚性挡土墙三维被动土压力分布研究

针对实际工程中挡土结构物长高比较小时,挡土墙被动土压力分布具有明显的三维空间效应,采用二维被动土压力的计算方法研究挡土墙上被动土压力的分布不合理,研究了平移模式下刚性挡土墙上三维被动土压力分布情况。首先建立无粘性土体中有限宽深比刚性挡土墙有限单元分析模型,在平移模式下,当墙后土体到达极限状态时,研究挡土墙水平被动土压力的分布规律。结果表明,挡土墙水平被动土压力沿挡土墙宽度方向和深度方向均为非线性分布;挡土墙宽深比不会对三维被动土压力的分布方式、分布值大小及分布值的增长趋势产生影响;内摩擦角和墙土接触面摩擦角比值会对三维被动土压力的分布方式、分布值大小及分布值的增长趋势产生影响。研究成果可为工程设计和三维被动土压力理论计算提供数值依据。     

江苏省河道生态护坡技术固土作用及效果研究

为探索河道不同生态护坡的固土作用及效果,以江苏省河道生态护坡调查为背景,选取草皮生态护坡、石笼生态护坡和生态袋护坡,采用室内试验研究草皮生态护坡的抗剪强度。结果表明,草皮根系明显提高了土体的抗剪强度,且土体抗剪强度随含水率的增加而减少;复合根系的固土效果比垂直、水平根系好。采用ABAQUS建立三维有限元模型,从位移等值线和边坡安全稳定系数方面对比三种生态护坡的固土作用和稳定性,与无草边坡相比,草皮生态护坡、石笼生态护坡、生态袋护坡均能不同程度地减小土体的滑动区域范围,提升整体边坡的稳定性。研究成果可为工程实践提供指导。     

考虑齿圈柔性的风电行星轮系动态啮合特性研究

针对集中参数法难以考虑齿圈柔性而有限元法计算量大的问题,以风电行星轮系为研究对象在集中参数/有限元混合法基础上提出一种揭示内啮合齿轮副延长啮合现象的分析方法。首先采用集中参数法建立风电行星轮系的动力学模型,并求解获得动态啮合力;随后,运用有限元法建立行星轮系内啮合齿轮副的有限元模型,并开展静态接触分析从而获得内啮合齿轮副各啮合位置发生多齿啮合时的变形阈值;最后,将集中参数模型获得的动态啮合力施加在内齿圈有限元模型上计算出内齿圈的动态响应,并结合发生多齿啮合时的变形阈值,从而揭示在不同负载和支撑数量下内齿圈上多齿啮合的分布区域,获得接触应力和齿根应力,分析啮合齿对数量改变前后对应力的影响。结果表明：考虑齿轮柔性后,内啮合齿轮副会出现除理论啮合齿对外其他齿对相接触的现象;随着负载扭矩的增大,内齿圈上三齿啮合首先发生在支撑两侧,随后三齿啮合发生区域不断增加;当行星轮与内齿圈间的啮合由理论两齿啮合变为三齿啮合时,其齿面接触应力和齿根应力小于其在相同时刻只计入两齿啮合时的应力值。