加筋砂土挡墙承载力及渐进性变形破坏的有限元分析方法

 为开发一种可以合理模拟加筋砂土挡墙承载力及渐进性变性破坏特征的数值分析方法,利用可考虑应变局部化的非线性弹塑性有限元法对一系列的加筋砂土挡墙模型试验结果进行从小变形到破坏的全过程数值分析。有限元分析中,砂土的本构关系采用基于修正塑性功的硬化–软化弹塑性模型,该模型引入应变局部化参数S用以描述砂土单元峰值以后的局部剪切破坏效果。模型试验结果与有限元计算结果比较表明：建议的非线性弹塑性有限元分析不仅可以较好地模拟分析加筋砂土挡墙基础底面的平均压力与沉降之间的关系,而且也能合理地模拟加筋砂土挡墙基础的剪切破坏的发生与发展状况、筋材的拉力以及挡墙面板的水平土压力分布等,它可以定量化地分析加筋砂土挡墙的渐进性变形破坏特征以及条带加筋材料的加固机制。     

砂土地基中加筋深度效果研究

利用非线性弹塑性有限元对具有不同加筋层数砂土地基的一系列模型试验结果进行了较为全面的计算与分析。有限元解析中所采用的砂土本构模型以修正塑性应变能量为硬软化基本参量,它可以较为精确地模拟砂土的应力路径效果。作为解析对象的模型地基由干燥的日本丰浦砂组成,不同层数的加筋材平铺在条形基础下方。结果表明,利用这种精度较高的有限元解析方法对加筋砂土地基进行解析,可以较好地再现由于加筋层数(加筋深度)变化而带来的对承载力与变形的影响。尽管加筋宽度与基础宽度相同,但是随着加筋层数的增多,加筋砂土地基的承载力明显增大,加筋深度效果明显优于加筋宽板效果。另外,利用以上的有限元分析,也能合理地模拟砂土地基渐进性剪切破坏的现象以及加筋材的诱发引张内力,可以更加合理地认识和理解砂土地基中加筋深度补强机理。     

加筋砂土地基中加筋宽板效果的数值解析研究

加筋砂土地基中加筋宽度(也即加筋材长度)的变化会对基础的承载力和地基的变形破坏带来很大的影响。为了对这种宽板效果及其加筋机理有一个合理的认识与理解,提出了一种非线性硬软化弹塑性有限元解析方法,并利用此方法对相关的室内模型试验结果进行了较为全面的数值解析。有限元解析中所采用的砂土本构模型以修正的塑性应变能量为硬软化基本参量,可以较为精确地模拟砂土的应力路径效果。结果表明,利用这种较高精度的有限元解析方法对加筋砂土地基的承载力及其变形破坏进行解析,不仅可以较好地再现加筋砂土地基的荷重与沉降关系的试验结果,同时也能合理地模拟模型实验中所观察到的渐进性剪切破坏模式。     

加筋砂土边坡渐进性变形破坏的数值分析

利用非线性弹塑性有限元方法对加筋砂土边坡的模型试验从加载开始到破坏的全过程进行数值分析,并与无加筋砂土边坡的状况进行比较.为研究边坡的面板效应,对带面板的加筋砂土边坡的变形破坏进行弹塑性有限元分析.在有限元分析中,砂土的本构关系选用应变硬化软化弹塑性模型,该模型可以考虑砂土的应变局部化、强度的各向异性以及应力水平相关等特性.结果表明,建议的非线性弹塑性有限元分析可以较好地模拟加筋砂土边坡的局部应力-应变分布以及剪切带发生、发展状况,有助于定量化地把握加筋砂土边坡的渐进性变形破坏特点以及加筋条带的加固机制和边坡的面板效应.     

基于Goodman界面单元的加筋砂土变形破坏有限元数值分析

利用非线性弹塑性有限元,对无加筋砂土和采用光滑铜板的加筋砂土平面应变压缩试验结果进行从小变形到破坏的全过程数值解析.考虑到光滑铜板与砂土之间存在滑移,在有限元分析中采用Goodman连接单元作为界面单元.在有限元分析中还需考虑影响砂土变形强度的诸多特性,包括:(1) 围压大小的相关性;(2) 强度的各向异性;(3) 峰值前应变硬化及峰值后应变软化的非线性特性;(4) 剪胀性;(5) 应变局部化及剪切带形成特性等.结果表明,利用建议的有限元方法得到的加筋砂土平面应变压缩的应变-应力关系与室内试验结果吻合较好,最大应力比和峰值前刚度非常接近试验结果;提出的有限元分析方法可以较准确地捕捉到砂土的剪切带发生、发展状况,合理地模拟加筋砂土的渐进性破坏特性以及加筋材和砂土之间的相互作用机制.     

软土地基加筋土挡墙数值模拟及稳定性探讨

 对一软土地基加筋土挡墙建立二维数值模型,模拟其在分级堆载情况下挡墙和地基内的沉降、水平位移、土压力,以及土工格栅轴向应变的变化规律,模拟结果与现场实测结果基本吻合。采用有限元强度折减法计算的挡墙稳定性和滑裂面位置与实测情况一致,表现为深层滑动失稳。模拟和实测的各层筋材最大应变出现在距墙面4～6 m的位置,与目前土工合成材料加筋挡墙设计理论的朗肯破坏面位置不同,其原因是目前的挡墙设计理论基于刚性地基假定,未考虑地基变形对筋材应变分布及稳定性的影响。采用该数值模型探讨加长挡墙底部筋材对其稳定性的影响,得出挡墙稳定性与底部筋材加长长度和层数关系密切。得到的挡墙稳定性与筋材加长长度和层数的关系曲线,对于软土地基加筋土挡墙设计有指导意义。     

加筋无黏性土斜坡地基承载力模型试验研究

 采用缩尺模型试验研究加筋斜坡地基坡高范围内,不同加筋层数、不同筋带埋深对其极限承载力及破坏形态的影响。通过对比分析试验成果可获得不同加筋层数下最优筋带埋深组合及各试验地基的变形破坏资料。研究表明,在最优筋带埋深组合下,加筋斜坡地基的首层加筋间距随加筋层数的增加有减小趋势,而极限承载力随加筋层数的增加有增加趋势。根据各试验地基的p-s曲线、筋材破坏情况及变形破坏特征,可将不同加筋条件下斜坡地基的破坏形态分为加筋带之上土体破坏、加筋带层间土体破坏、加筋带之下土体破坏3类,并由此获得对应破坏类型的破坏形态图。研究成果对加筋斜坡地基极限承载力变化特性、变形特征及破坏形态的探究具有一定理论参考价值。     

基于FLAC~(3D)的加筋土挡墙施工过程仿真分析

利用FLAC3D对一座组合式加筋格宾路堤挡墙进行了施工过程仿真,研究了施工过程中加筋土挡墙的侧向变形、筋带拉应力和挡墙稳定性的变化。结果表明,施工过程仿真分析可以再现施工过程中挡墙内部的应力应变发展过程;随着挡墙施工的进行,挡墙的变形逐渐增大,最大变形的发生位置由地基土体逐渐向挡墙面墙转移;筋材的拉应力逐渐增大,但不同部位筋材的拉应力分布规律不同;随着挡墙高度增加,挡墙的稳定性减小。     

暴雨条件下自嵌式加筋挡土墙稳定性数值模拟分析

结合具体工程,对暴雨条件下自嵌式加筋挡土墙存在的变形、受力特征和稳定性进行了有限元数值模拟,并与一般气候条件下进行对比。结果表明:在暴雨条件下,墙体将产生较大的侧向变形;墙背土压力在加筋处明显增大;挡土墙内部筋材之间局部出现拉应力区,筋材断裂后拉应力区明显扩大,存在墙面倾覆的趋势。该结论在对特大暴雨后加筋挡土墙局部破坏事故的现场调查后得到了验证。     

半挖半填工况加筋土挡墙失稳机制试验研究与上限法分析

 设计并制作半挖半填工况的绿色加筋格宾模型挡墙,通过在挡墙顶部施加分级均布荷载,测试挡墙在各级荷载作用下的变形、土压力和筋材拉应变,并进行数值模拟,探讨挡墙承载力的发展规律和失稳模式;基于塑性极限分析的上限法,建立半挖半填工况加筋土挡墙的极限承载力,安全系数和极限高度的计算方法。研究表明：在墙顶分级均布荷载作用下,半挖半填工况加筋土挡墙承载力的发展过程可分为初始压密、正常发展、屈服和破坏失稳4个阶段;挡墙墙顶竖向沉降呈三角形分布,挡墙沿填挖交界面发生滑移失稳;挡墙面墙变形、土压力和筋材拉应变分布规律受挡墙的失稳模式影响;所推导的半挖半填工况加筋土挡墙稳定性分析方法考虑台阶面筋材的作用,具有较高的精度。     

考虑钢筋与混凝土相对滑移的修正钢筋本构模型

为了研究钢筋滑移对钢筋混凝土柱抗震性能的影响,在材料层次上建立了考虑钢筋与混凝土相对滑移的修正钢筋本构模型。采用等效三段阶梯函数描述黏结应力沿黏结长度的非线性分布规律,结合钢筋双线性应力-应变关系,推导了锚固钢筋滑移和平均滑移应变的理论计算式。锚固钢筋的总应变定义为理想黏结的钢筋应变与平均滑移应变之和。分别通过屈服和极限应力对应的钢筋总应变修正弹性模量和硬化模量,进而得到间接考虑钢筋滑移的简化分段线性应力-应变关系。非锚固钢筋的滑移采用降低屈服应力和屈服应变的方法加以考虑。对于钢筋的滞回规则,采用Sakayi等修正的Menegotto-Pinto模型。将本构模型通过子程序嵌入ABAQUS软件中,基于纤维梁单元,对往复荷载作用下钢筋混凝土柱的非线性响应进行了数值模拟,并与试验结果对比,验证了该模型的有效性。结果表明,所建议的钢筋本构模型,数学表达形式简单且计算效率高,能够模拟地震作用下钢筋混凝土柱的承载力和变形特性,达到满足工程需要的精度。     

一种纤维加筋土的两相本构模型

纤维加筋土具有较好的应用前景,其应力应变本构关系是工程分析与设计的基础。将纤维加筋土考虑为基本相和纤维相的组合体,分别采用修正剑桥模型和线弹性模型,考虑了大应变时纤维加筋土的屈服,引入了加筋土的合理强度模型作为破坏准则,从而建立了纤维加筋土的一种两相本构模型。同时,开展了纤维体积含量为1%的加筋砂的三轴固结排水剪切试验,对该两相本构模型进行了验证。     

基于Timoshenko与高阶剪切变形梁理论的RC梁极限承载力分析

分别应用Timoshenko和高阶剪切变形梁理论,推导出能够考虑剪切变形的钢筋混凝土梁柱截面非线性分析模型,并提出应用横向正应变和剪应变的关系系数来计算混凝土开裂后的截面高度变形,采用基于修正斜压场理论的Stevens等的本构模型以避免混凝土的裂缝验算;数值模拟了正截面破坏以及集中荷载作用下有腹筋和无腹筋RC梁的极限承载力。结果表明:按2种理论计算的结果与试验数据吻合良好;基于Timoshenko梁理论的分析模型的结果更接近试验数据,收敛性也更好。     

Modelling the Undrained Response of Fibre Reinforced Sands

Mixing a loose clean sand with random discrete flexible fibres has been found beneficial in decreasing the susceptibility to the phenomenon of liquefaction under monotonic loading. The addition of fibres can convert the strain softening response, typical of a loose unreinforced sand, into a strain hardening response by affecting the pore pressure generation and the effective stress path response. A new constitutive model based on the rule of mixtures has been used to simulate the undrained response of fibre reinforced sands. The model superimposes the individual contributions of the sand and the fibres according to their volumetric fraction. An apparent densification of the sand matrix induced by the presence of the fibres is accounted for in the model by assigning some of the void space to the fibres. This apparent densification is considered responsible for the observed strain hardening behaviour of reinforced sands. The proposed model is able to accommodate any distribution of fibre orientation: the orientation of fibres plays a key role in explaining the experimentally observed effective stress paths.     

粘弹塑性土工格栅加筋尾矿流变模型研究

分析土工格栅工程力学特性对加筋尾矿结构变形和长期稳定的影响，基于四参数粘弹塑性模型表征土工格栅长期低应力作用下的力学特性，提出了土工格栅加筋尾矿的流变模型，把加筋复合体受力分析分为两个阶段，分别对应尾矿处于弹性状态和塑性状态，将尾矿产生塑性变形的时间（塑性到达时间）作为两个阶段分界点，并给出了两个阶段的加筋复合体本构关系表达式。研究表明：四参数粘弹塑性模型能够准确反映土工格栅的衰减型蠕变和应力松弛特征；第1阶段，筋材中的应力随时间减小，导致尾矿中的微观应力重新分布，直到尾矿达到屈服条件进入第2阶段，筋材的应力开始保持不变，加筋复合体整体应变由于筋材的蠕变而增加；加筋复合体受力快速由第1阶段过渡到第2阶段，第1阶段变形很小，复合体整体应变主要由第2阶段导致；塑性到达时间受到土工格栅模型参数中Kelvin系数和尾矿强度参数内摩擦角的影响显著。     

钢纤维混凝土力学特性与本构模型研究

采用MTSS10和直径为74mm的大尺寸SHPB实验装置，对超短钢纤维混凝土进行了动静态力学性能实验。基于所测的应力-应变曲线，对钢纤维混凝土在不同应变率下的弹性模量、峰值应力、峰值应变和韧度变化规律进行了探讨。此外，根据曲线特点提出了一种含损伤本构模型。     

冻融循环下青藏粉砂土双屈服面本构模型研究

 基于青藏粉砂土在冻融循环下的常规三轴固结剪切试验,通过引入模量残余比和冻融循环次数,建立考虑冻融循环影响的双屈服面本构模型。试验结果表明,粉砂土的应力–应变关系呈应变硬化型,而在整个剪切过程中,体变呈现剪缩的特性。粉砂土的剪切模量随着围压的增大而增大,随着冻融循环的发展而出现先减小后增大的趋势。与未冻融粉砂相比,冻融以后的弹性剪切模量可降低约36%左右。其应力平面p-q上的剪切屈服面和体积屈服面可分别用过原点的线性函数和椭圆型曲线进行描述。对于剪切和体积硬化特性,建立与塑性应变及冻融循环次数相关的硬化参数,且均采用非相关联的流动法则。所提出的双屈服面本构模型能够很好地反映土体的应力–应变特性,模型计算值与试验值较为吻合,该模型能较为准确地预测不同围压及不同冻融循环次数下的应力–应变关系曲线,较好地反映冻融循环对粉砂力学性质的影响。