粗粒土应力诱发各向异性真三轴试验颗粒流模拟研究

基于颗粒流基本理论和物理试验结果,通过改进PFC3D程序中的内置代码,生成包含clump颗粒的混合试样以克服纯球体颗粒模拟粗粒土抗剪强度不足的缺陷,模拟粗粒土在真三轴状态下各主应力方向上的单向加荷试验,并从宏观和细观角度分析了复杂应力状态下粗粒土的应力诱发各向异性特征。试验结果显示:复杂应力状态对各向异性的诱发作用显著,各向宏、细观参数及应力–应变曲线显示出了显著的各向异性;单向加荷试验中加荷向始终为压缩变形,侧向变形复杂,且受初始中主应力系数B影响显著,且B值对非加载向泊松比的各向异性及加载向应力–应变曲线的影响亦较明显;模拟试验中配位数、孔隙率等细观参数的变化趋势能够反映试样体积变形的类型,两个细观参数的取值大小影响抗剪强度的强弱,并且各主应力方向单向加荷时,对应相同的应力增量配位数、孔隙率等细观参数表现出显著的各向异性;从细观角度看,应力诱发各向异性产生的原因归结于侧向围压差异所引起的细观结构变化。     

粉土的破坏方式浅探

保持小主应力和中主应力相等,在大主应力方向加荷是地基工作的普遍应力路径.该路径下分别对粉土实施几组静载荷试验和观察数十根静压桩工程中粉土的侧向变形现象.针对资料和结果,对其应力应变关系及反映侧向变形变化规律进行特定条件的研究.研究表明,粉土在特定的应力路径下排水剪切,大主应力方向首先压缩,中小主应力方向膨胀,之后大主应力方向塑性流动,是土力学中未曾研究的现象和结果.     

土的σ(1/2)~3空间滑动面强度准则及其与传统准则的比较研究

土的抗剪强度与其剪切破坏面上的正应力一般呈线性关系,反映了土的剪切强度本质特性。常用的强度准则有Mohr–Coulomb准则、Drucker–Prager屈服准则、Matsuoka–Nakai准则,分别对应于与大主应力呈45°+ω/2的剪切破坏面、八面体面和空间滑动面(SMP)上的剪应力比为常数的关系。本文提出了一种由σ1k(1/2)~3,σ2k(1/2)~3,σ3k(1/2)~3确定土单元大、中、小主应力轴交点的空间滑动面,称为σ(1/2)~3空间滑动面;建立了σ(1/2)~3空间滑动面剪应力比为常数的准则,称为σ(1/2)~3空间滑动面强度准则,该准则在应力空间描述的强度破坏面为π平面上呈曲边三角形形态的光滑锥面。进行了Mohr–Coulomb强度准则、Drucker–Prager强度准则、Matsuoka–Nakai强度准则与Lade–Duncan强度准则、σ(1/2)~3空间滑动面强度准则在应力空间描述强度破坏面的比较分析,以及不同π平面上Lade–Duncan准则和σ(1/2)~3空间滑动面强度准则随b值的变化规律。结果表明Lade–Duncan强度准则与σ(1/2)~3空间滑动面强度准则近似一致,从而揭示了Lade–Duncan强度准则的物理本质基础:Lade–Duncan强度准则实质上近似服从土破坏时σ(1/2)~3空间滑动面上剪应力与正应力呈线性变化的规律。即Lade–Duncan强度准则描述土单元剪切破坏时的空间滑动面近似为σ(1/2)~3空间滑动面。根据4种原状黄土固结排水条件下的真三轴压缩试验结果,验证了σ(1/2)~3空间滑动面强度准则的合理性与可靠性。     

三轴应力状态下膨胀土增湿变形特性

 在经过改造的三轴仪上对安康击实膨胀土进行增湿变形特性试验研究。试验研究结果表明,在相同应力比的三轴应力状态下,膨胀土浸水过程中的变形为膨胀变形,变形在试样各个方向上都会产生,应力较小时,轴向和径向变形都表现为膨胀变形;应力较大时,轴向变形表现为压缩变形,而径向变形则表现为膨胀变形,但变形量都很小;土样在增湿剪切过程中以体积膨胀为主,体积变化以侧向变形为主,轴向变形较小;同时,对试验资料进行数学拟合,并对拟合公式进行验证。结果表明,试验值与计算值吻合较好。     

球应力和偏应力对粗粒土变形影响的真三轴试验研究

为了研究p,q,θσ单独变化对粗粒土变形的影响,使用河海大学TSW-40型真三轴仪,对粗粒土进行了等q等b(b=(σ2-σ3)/(σ1-σ3))试验,等p等b试验和等p等q试验,试验结果表明:q,b保持不变,p单独减小时,初期几乎不产生偏应变,但会产生膨胀的体积应变,随着p的减小,体积膨胀增大,偏应变也逐渐增大,但偏应变数值上比体积应变小,到后期体积应变和偏应变都加速发展,直至破坏;p的减小直接引起体积膨胀,体积膨胀后颗粒结构松动,进而导致偏应变的产生;p,b保持不变,q单独增大时,初期几乎不产生体积膨胀,但会产生偏应变,随着q的增大,偏应变增大,体积膨胀也逐渐增大,但体积应变数值上比偏应变小,到后期体积应变和偏应变都加速发展,直至破坏;q的增大直接产生偏应变,偏应变使得颗粒之间产生错动,进而导致体积膨胀的产生;p,q保持不变,应力罗德角θσ单独变化会产生不可恢复的体积应变和偏应变,但数值上很小。引入参数sp(sp=(p/q-p0/q0)/(1/Mf-p0/q0))和sq(sp=(q/p-q0/p0)/(Mf-q0/p0)),p0,q0分别为初始球应力和偏应力,Mf为破坏应力比,发现q,b保持不变,p单独减小时,dεv/dp与1/(1-sp)1/2-1成正比例关系,dεs/dp与-sp[1/(1-sp)1/2-1]成正比例关系,应力–剪胀方程为dεv/dεs=-1/sp;p,b保持不变,q单独增大时,dεs/dq与1/(1-sq)1/2-1成正比例关系,dεv/dq与-sq[1/(1-sq)1/2-1]成正比例关系,应力–剪胀方程为dεv/dεs=-sq。最后根据本文试验结果对粗粒土柔度矩阵元素的特性进行了分析。     

粉砂侧向变形特性的真三轴试验研究

 保持小主应力、中主应力不变, 在大主应力方向加荷是实际工程中可能存在的一种应力路径。就该应力路径分别对粉砂、细砂和中砂进行了几组真三轴试验。针对粉砂的真三轴试验结果, 对其应力2应变关系及反映侧向变形变化规律的泊松比进行了特定条件下的研究。结果表明, 在特定的应力路径下排水剪切, 小主应力方向膨胀, 泊松比可以大于0. 5 甚至大于1, 中主应力方向首先压缩, 之后膨胀, 泊松比可以小于0, 这是现代土力学和有限元分析中不曾考虑的现象和结果。     

压实膨胀土吸湿体变特征的试验研究

使用不同初始状态的压实膨胀土,笔者在单轴固结仪上开展了不同加载路径下的吸湿变形试验。初始状态由含水率和孔隙比控制;加载路径分为两种:1无荷状态下浸水吸湿→加载压缩→卸载回弹;2加载压缩→浸水吸湿→卸载回弹。结合膨胀土双孔隙结构模型分析,得到以下结论:(1)压实膨胀土的自由膨胀变形会明显地随着初始含水率、孔隙比的降低而增大;(2)应力状态对压实膨胀土浸水吸湿变形特征有很大影响:无荷状态下浸水吸湿表现出明显的膨胀,而当上覆荷载较大时(本文为200 k Pa),则表现出明显的湿陷(压缩)变形;(3)两种加载路径下,初始含水率对膨胀土的吸湿变形都有显著的影响,初始含水率越小,浸水后变形(膨胀或压缩)量都越大;初始孔隙比对无荷状态下吸湿后膨胀土的压缩指数和回弹指数影响很小;(4)膨胀土双孔结构中,"团粒结构"的吸力(含水率)状态会对"宏观孔隙"的变形产生较大影响,吸湿过程中吸力增量越大,宏观孔隙的变形越大。     

平面应变加、卸荷条件下考虑初始应力的原状黄土#br# 强度与变形特性试验研究

针对黄土工程中的众多平面应变加、卸载问题,利用平面应变改造后的西安理工大学真三轴仪,模拟黄土原位沉积方向及不同初始应力状态,在不同围压下对不同初始应力状态原状黄土进行竖向加载和侧向卸载平面应变试验,揭示不同初始应力状态原状黄土在加、卸载不同应力路径条件下的强度和变形特性。研究结果表明：两种应力路径条件下的应力应变曲线均呈硬化型,加载曲线均高于卸载,加载强度大于卸载强度,但卸载时,土的强度发挥较快。剪切过程中,黄土的侧向变形与竖向变形均呈非线性关系。竖向加载时,土的初始应力状态k值对土强度和变形的影响与固结围压的大小关系紧密;侧向卸载时,k值的增大可以限制侧向变形的发展。竖向加载条件下的体积应变均为剪缩,侧向卸载时均为剪胀。加、卸载条件下p-q平面内的破坏强度线基本一致,近似呈线性关系。侧向卸载条件下土体破坏时的应变远小于竖向加载和常规三轴试验。随着k值的增大,加、卸载应力路径时,黏聚力均线性减小,内摩擦角均线性增大。     

加、卸荷应力路径对粉土应力-应变关系影响的试验研究——基于平面应变条件

采用新型平面应变仪进行竖向加荷试验与侧向卸荷试验,探究加、卸荷路径对粉土应力-应变关系的影响,结果表明:加、卸荷路径下,粉土的应力-应变曲线明显不同;卸荷路径下,试样发生破坏时的偏应力和应变明显小于加荷路径;侧向卸荷路径下,试样的极限竖向应变随着初始固结应力的增大而增大。     

粗粒土动残余变形特性的试验研究

采用静动耦合试验方法,得到了粗粒土在排水条件下从初始等应力状态到临近剪切破坏状态的残余变形全过程。在大量试验数据分析的基础上,探讨了主应力比Kc在残余变形产生及发展过程中的作用;改进了谷口荣一模型,使粗粒土在排水条件下以及不同主应力比Kc时的残余变形得到较好的归一特性。     

刚性桩复合地基水平受力性能有限元分析

应用静力弹塑性有限元方法分析了群桩刚性桩复合地基在水平荷载作用下的反应规律 ,考察了不同设计参数对复合地基水平受力性能的影响 ,得到了水平荷载作用下桩身内力的分布规律。计算结果表明 :竖向荷载的大小对复合地基的水平承载力以及在水平荷载作用下的破坏模式有所影响 ;适当厚度的垫层可减小桩所分担的水平荷载 ,有利于桩身的安全。     

水平及扭转荷载作用下群桩基础受力分析方法

江河与海上的大型结构在船舶撞击、风浪等作用下,其桩基础往往会受到水平及扭转荷载共同作用,极易造成基础倾斜倒塌。针对水平和扭转共同受荷下群桩基础,建立了由刚性承台-弹性梁-土非线性弹簧组成的群桩计算模型。通过水平p-y曲线法、竖向荷载传递法、扭转τ-θ曲线法,计算单桩非线性刚度;群桩各基桩间相互作用和基桩各自由度耦合,通过考虑p乘子和运用考虑推力弯矩影响的基桩受扭计算模型体现。结合牛顿迭代法,对计算模型进行求解,并与大尺寸物理模型试验结果进行了对比。通过参数分析表明在水平和扭转荷载共同作用下,群桩中各基桩桩头剪力分配不均性十分显著;并获得不同承台高度时群桩中基桩轴力变化规律,为复杂荷载下群桩设计提供依据。     

锤击荷载作用下大直径钢管群桩的动力特性分析

上海某机械厂有一大直径钢管桩,用于所生产柴油打桩锤出厂前的试用。目前试桩已不满足新生产大吨位柴油打桩锤的试打要求,因此拟增加8根短桩与试桩组成群桩。由于锤击荷载作用下长短组合群桩中荷载的分配及沉降的研究较少,为得到合理的群桩加固型式,采用有限元方法研究锤击荷载作用下群桩的动力承载特性。首先建立单桩有限元模型,分析竖向静荷载作用下钢管桩的沉降,并将模拟结果与现场静荷载试验结果进行对比,验证有限元模型的准确性,再分析锤击荷载作用下单桩的动力响应;其次建立锤击荷载作用下的长短组合群桩有限元模型,分析承台质量、承台埋深、辅桩桩长对群桩桩顶荷载分布及沉降的影响。结果表明锤击荷载作用过程中,角桩、边桩桩顶最大压应力较大,主桩桩顶最大压应力较小;承台埋深越浅,群桩桩顶应力越大,沉降反而越小;承台质量、辅桩桩长对群桩动力特性影响不大。     

盾构开挖下邻近既有桩基的竖向响应分析

当桩顶作用有不可忽略的上覆外荷载时,通过桩身向周围土体传递的荷载必然会较大地改变桩周土体的应力状态,因此邻近隧道开挖引起的地层位移将会与自由场差别明显,为探究既有桩基在邻近盾构隧道开挖及桩基上覆荷载同时作用下的响应规律,结合两阶段法,通过引入Boxlucas1指数函数模型来描述桩土间的非线性作用,进而提出了在盾构开挖影响下,一种计算邻近既有桩基竖向响应的简化分析法,分析中考虑了当前研究中大都忽略的上覆外荷载作用,并分析了不同外荷载作用下的桩基响应规律。研究表明:当桩顶无荷载作用时,桩身轴力先增大后减小,最大轴力出现在隧道中心深度附近;当逐渐增加桩顶外荷载时,桩基下部的摩阻力先于上部到达极限,桩基轴力呈现出"先缓慢减小、再急剧减小、最后再缓慢减小"的"三段式"递减规律。     

水平荷载下群桩前后土抗力分布的数值分析

群桩基础是土木工程中主要的基础形式之一。利用由竖直桩组成的群桩基础来承受水平荷载已经十分广泛 ,桩前桩后土抗力分布特性是水平荷载下群桩受力变形特性的一个重要组成部分 ,过去的研究主要是通过实验方法和理论分析来进行的。本文用空间 2 0节点有限元进行近域土和桩的分析 ,对远域土采用空间 1 2节点无限单元 ,在桩土接融面引入空间1 6节点接触面单元 ,从而用有限元 -接触面单元 -无限元的耦和方法将群桩和土体作为一个整体进行弹塑性分析。分析中用修正剑桥模型进行近域土体的模拟 ,对桩土接触面及远域土体进行非线性分析。分析结果表明 ,本文的分析能较好的揭示水平荷载下群桩桩前、桩后土抗力的分布特性     

水平偏心荷载下斜桩群桩受力性状的离心机模型试验

为研究斜桩群桩在水平偏心荷载下的受力性状,在砂土中开展了一系列离心机模型试验,着重对比了直桩群桩和斜桩群桩抵抗水平及偏心荷载的不同特性。详细介绍了模型试验的装置、方法以及内容。试验结果表明：水平荷载偏心距大小对群桩水平承载力有一定的影响,但是对群桩扭转承载力的影响较小。对于直桩群桩,在试验范围内小偏心距（4.3倍桩径）加载对应的水平承载力大于零偏心距（即纯水平加载）及大偏心距（7.1倍桩径）加载的水平承载力。相同条件下,斜桩群桩抵抗水平、偏心及扭转荷载的能力显著强于直桩群桩。水平偏心荷载下,斜桩群桩中各基桩的桩顶水平位移相互差异较直桩群桩更大,且该差异随偏心距的增加而增大;在多向荷载的共同作用下,基桩桩顶剪力与桩顶位移方向有所不同。水平荷载下斜桩群桩中的基桩轴力显著大于直桩群桩。斜桩群桩较好地发挥了基桩的轴向承载能力,从而能够更有效地抵抗水平荷载。     

竖向荷载下变刚度群桩变形性状研究

在试验室进行了一系列变刚度群桩和均布群桩基础的静载荷物理模型试验,并对试验结果进行了分析对比。结果表明,变刚度群桩的位移分布方式是边桩大于中心桩,正好和一般均匀布桩的沉降分布形式相反。其总沉降略有增加,但差异沉降显著减少。变桩长与均布群桩相比,增加中心桩桩长,还能提高桩基的极限承载力和承台下地基土的承载能力,说明均布群桩中边桩的承载能力还有富余。群桩中基桩的侧摩阻力表现与单桩不同,侧摩阻力的发挥是自桩身下部某点向上逐步发挥。桩距越小,这种趋向越明显。     

Fictitious pile method for fixed-head pile groups with dissimilar piles subjected to horizontal loading

Pile groups are traditionally designed with similar piles in length, diameter, and property. However dissimilar piles may occur in the cases of foundation reuse and economical building design. This paper develops a fictitious pile method for the interaction factors between two dissimilar piles in a pile group that have different dimensions and properties. The effects of different pile lengths/properties on the horizontal load distribution, group efficiency factor and group reduction factor are studied here by using the fictitious pile method. Based on the principle of superposition and the concept of interaction factor, the proposed approach avoids the full analysis on pile groups and thus significantly improves the calculation efficiency. The horizontal load distributions for the fixed-head pile group with dissimilar piles by the proposed method match well with the results by the finite element method. The parametric study shows that, for stiffer pile group, the corner pile length is an important parameter affecting the fixed-head pile group behavior under horizontal loading.     

基于减小筏板差异沉降的刚性桩复合地基试验研究

针对高层建筑筏板荷载分布特点,采用内密外疏布桩和仅在筏板中心布桩方式,通过现场缩尺(1:10)模型试验,完成了带上部结构无桩筏板和刚性桩复合地基筏板静载荷试验。分析了筏板沉降、桩端平面以下地基沉降和筏板外侧地面沉降、筏板下桩土反力分布、桩土荷载传递及桩土荷载分担比。研究了工作荷载下不同布桩方式降低筏板差异沉降的效果。     

Pile under torque in nonlinear soils and soil-pile interfaces

This paper presents a new method for analyzing the nonlinear response of a single, vertical pile with the circular cross-section under torque in layered soils. The nonlinear stress-strain relationships of both soil-pile interface and soil are approximated by the hyperbolic model, whereas the pile material is elastic. The torsional spring stiffness of the soil-pile interface and the soil are determined by traditionally available methods. A four-node finite element model for the soil-pile interface is proposed to represent nonlinear behaviors of the soil-pile interface and the soil, separately. A new iterative scheme for nonlinear analysis of a single pile under torque is also developed that avoids having to solve a large number of simultaneous equations found in traditional solution schemes. The new solution method is based on the tangential stiffness of the soil-pile interface and soil springs, which are determined at each load step. From this solution scheme, an equivalent stiffness of the soil-pile-interface system of each pile element is calculated from the bottom element to the top element while torque and angle of twist are calculated from the top to the bottom elements. The solution gives the distribution of the angle of twist and torque along the pile, and the equivalent stiffness of the soil-pile system and torque-angle of twist curves at any depth. The solution method can be easily applied to the practice field in nonlinear analysis and in designing a single pile under torque in layered soils. The analysis results using the new solution scheme compared well with the results from other analytical methods studied by previous researchers. The proposed method is also used to predict the behavior of two full-scale piles under torques. The predictions are in good to excellent agreement with measurements.