软土应力各向异性对基坑开挖变形影响的机理分析

软土条件下,应力各向异性对复杂状态下土体的变形规律有重要影响。卸载状态下的K0固结土体具有其特有的强度和变形特性。本文建立了一个简单、便于工程使用且能够描述土体各向异性的理想弹塑性本构模型,并将该本构模型耦合到ANSYS软件中,模拟分析了各向异性对基坑开挖变形的影响。结果表明:各向异性对土体的变形性状有重要影响,且对土体的水平变形和与竖向变形的影响程度与开挖宽度和开挖深度的比值有关。     

K0固结黏土基坑抗隆起稳定性上限分析

软黏土中深基坑开挖支护系统设计一般由不排水稳定控制。考虑基坑开挖引起土体应力主轴旋转和土体不排水抗剪强度的各向异性,首先基于所提出的各向异性本构模型推导了三轴条件下软黏土的不排水强度公式并结合Casagrande和Carillo推荐的能考虑土体应力主轴旋转的软黏土强度公式,提出一种适合于基坑开挖抗隆起稳定分析的K0正常固结软黏土的不排水各向异性抗剪强度。假定Prandtl的土体滑移破坏形式,运用塑性极限分析上限定理推导非均质土层中深基坑开挖的抗隆起稳定公式。研究了基坑开挖土体强度各向异性比、挡墙入土深度、坑底硬土层对抗隆起安全系数的影响。并与基于MIT-E3模型的有限元计算结果及其它文献中的算例进行验证,说明该方法的适用性。     

K_0固结黏土基坑抗隆起稳定性上限分析

软黏土中深基坑开挖支护系统设计一般由不排水稳定控制。考虑基坑开挖引起土体应力主轴旋转和土体不排水抗剪强度的各向异性,首先基于所提出的各向异性本构模型推导了三轴条件下软黏土的不排水强度公式并结合Casagrande和Carillo推荐的能考虑土体应力主轴旋转的软黏土强度公式,提出一种适合于基坑开挖抗隆起稳定分析的K0正常固结软黏土的不排水各向异性抗剪强度。假定Prandtl的土体滑移破坏形式,运用塑性极限分析上限定理推导非均质土层中深基坑开挖的抗隆起稳定公式。研究了基坑开挖土体强度各向异性比、挡墙入土深度、坑底硬土层对抗隆起安全系数的影响。并与基于MIT-E3模型的有限元计算结果及其它文献中的算例进行验证,说明该方法的适用性。     

深基坑开挖周边土体沉降形态的模拟研究

为了解深基坑工程中开挖对周边土体沉降变形的影响。在归纳影响基坑开挖周边土体变形行为因素和总结当前地面沉降计算方法的基础上,结合具体工程实例采用以Mohr-Coulomb本构模型的有限差分法模拟基坑支护、降水和开挖过程,分析基坑开挖对周边土体沉降的影响。     

基坑降水对坑底土体回弹影响的试验研究

采用逆作法时,深基坑开挖引起的坑底隆起对于地下工程结构会产生显著影响。目前对于深基坑的回弹量计算,都是以基坑开挖卸荷为基本应力路径获取变形模量,并未考虑降水的影响。软土地区深基坑的开挖,特别是深度达20～30 m甚至更深的超深基坑工程,均要涉及到大幅度降低坑内地下水位的问题。应用三轴试验对基坑工程开挖与降水交替作用下开挖区土体的强度与变形性状进行模拟,并与仅考虑基坑开挖作用下被动区土体的强度与变形性状进行比较。结果表明:对超深基坑,降水作用可改善土体的力学性状;大深度降水对基坑总的回弹量有较大影响,能显著减小回弹总量。基于降水对基坑被动区土体强度及变形性状的显著影响,在深基坑工程设计中应考虑实际的应力路径,即进行考虑降水与开挖综合影响的分析。     

考虑土体各向异性的深基坑开挖有限元法分析

作者将各向异性弹塑性模型引入到比奥固结理论有限元法中,对深基坑开挖进行了考虑土体各向异性的分析和模拟计算,并通过一深基坑工程实例,对深基坑开挖过程中所引起的基坑周围水平、竖向位移等进行了计算,并将计算结果与不考虑土体各向异性的情况及实测结果进行了比较。     

基于微结构张量的岩石各向异性弹塑性本构及其应用

提出了一种基于微结构张量理论的各向异性弹塑性本构关系,引入了微结构张量表征横观各向同性材料强度参数的空间分布函数,将莫尔–库仑准则拓展到各向异性。基于FLAC3D实现了自定义本构模型的二次开发,对柱体倾角为75°的柱状节理试样进行了三轴数值试验模拟,模拟结果与实验成果基本吻合验证了模型的合理性。将所开发本构模型应用于白鹤滩高坝坝基开挖工程的数值仿真计算,结果表明:坝基岩体开挖工况下各向异性模型较各向同性模型的变形特征更接近于现场监测。研究成果可为白鹤滩水电工程建设提供理论参考。     

层状岩体各向异性弹塑性模型及其数值实现

基于层状岩体变形及强度的各向异性特征,在McLamoreGray强度准则的基础上,利用Mohr-Coulomb强度准则与Drucker-Prager强度准则之间的参数变换关系,将各向同性Drucker-Prager强度准则推广到层状岩体中,并由此建立层状岩体的各向异性弹塑性本构模型。给出此本构模型的隐式积分算法及一致切线刚度矩阵,并利用ABAQUS所提供的用户材料子程序UMAT接口,对模型进行数值实现,用以对层状岩体进行应力变形分析。     

软土地区深基坑开挖环境影响数值模拟分析

以上海某住宅项目深基坑工程为例,数值模拟了深基坑开挖过程,分析了复杂条件下基坑开挖中围护结构与周边环境的受力、变形情况,结果表明:深基坑开挖中,围护结构、周边建(构)筑物及土体的变形均满足规范对变形控制的要求,证明采用土体硬化模型能较好地模拟复杂条件下基坑开挖所引起的环境影响。     

深基坑开挖过程中渗流-应力耦合数值模拟

针对深基坑工程实际,建立了地下水非稳定渗流的三维数学模型,考虑深基坑工程施工过程和外在人为的扰动对基坑稳定性的影响,基于小变形假设、弹塑性本构关系及Terzaghi有效应力原理得到了土体变形方程。通过基坑渗流-应力耦合数值模拟,研究了群井降水条件下基坑地下水渗流场变化规律,考虑基坑支护措施,给出了渗流过程中基坑应力场变化特征。通过对武汉市某基坑开挖过程中渗流-应力耦合数值模拟,分析了渗流对基坑开挖稳定性的影响。     

UH模型系列研究

岩土材料的本构模型是岩土工程学科的重要理论基础。合理的本构模型既能定性地揭示岩土的变形强度机制,也能定量地进行岩土体强度和变形计算。笔者20余年来潜心于土的本构模型研究,取得了以下3个方面的理论成果:1在修正剑桥模型的基础上,通过引入统一硬化(unified hardening,UH)参数,建立UH模型,该本构模型能够反映饱和超固结土的剪缩、剪胀、硬化、软化和应力路径相关性等特性,模型所用土性参数与修正剑桥模型完全相同;2扩展UH模型,使其考虑多种外部因素(温度、时间和基质吸力)、复杂特性(各向异性、结构性和小应变特性)和复杂加载条件(循环荷载、部分排水即渐近状态)等的影响;3提出广义非线性强度准则和满足热力学定律的变换应力三维化方法,从而实现了本构模型的合理三维化。UH模型已被嵌入到数值计算软件中,并被用于分析岩土工程问题。以上研究包括本构建模、强度准则、三维化方法和数值分析等方面,形成了独具特色的岩土本构理论和应用体系。     

饱和黏土不排水抗剪强度各向异性的热力学本构模型研究

基于饱和土体TTM（Tsinghua thermodynamic soil model）热力学本构模型分析研究了饱和黏土的不排水抗剪强度各向异性问题。模型及试验研究表明：非等向或固结历史是引起土体强度各向异性的重要原因,固结应力比越小,不排水强度各向异性越大。不排水加载过程中主应力轴的方向对土体不排水抗剪强度和变形有着重要影响。一般而言,当主应力轴方向从0°旋转到90°时,土体的不排水抗剪强度逐渐下降,峰值应变却逐渐增大。此外,非等向固结会导致土体主应力与主应变的非共轴性。利用TTM理论模型,对Kaolin Clay 和Boston Blue Clay的不同试验结果进行了模拟验证和预测。结果表明,TTM理论模型具有反映和预测应力引起的饱和黏土强度各向异性和应变软化等特性的能力,同时也具备精准描述主应力轴旋转等复杂路径下饱和黏土的强度和变形特征的能力。     

砂土三维多重机构边界面模型

以土的临界状态和边界面塑性理论为基础,引入状态参数,考虑砂土的剪胀特性,提出一个新型三维多重机构边界面模型。模型将复杂的宏观变形行为分解为一个宏观体应变机构和一系列空间分布的虚拟一维微观剪切机构。每个微观剪切机构包含一个微观剪应力–应变关系和一个微观应力–剪胀关系。利用三轴压缩试验中的应力条件,建立典型宏微观参数之间的关系。模型包含13个参数,多数可通过具有明确物理意义的土性参数来确定。通过对砂土三轴压缩试验和空心圆柱扭剪试验结果的数值模拟,表明模型不但能够合理反映在排水或不排水条件下砂土的硬化及软化特性,而且能在不增加任何参数条件下预测应力主轴旋转产生的变形累积特性和应变增量主轴与应力主轴之间的非共轴特性。     

正常固结原状饱和黏性土的三剪统一结构性本构模型

基于扰动状态概念,采用非线性弹性本构模型来表征原状黏性土的相对完整状态,将三剪统一强度准则与修正剑桥模型相结合来表征原状黏性土的完全调整状态,提出了饱和原状黏性土结构性本构模型。通过坐标平移法确定的破坏应力比使所提出模型能够反映全应力状态变化下的强度区间效应和拉压差,也能够描述黏聚力在土体受力过程中的作用。为验证所提出模型的正确性,以江西原状饱和红黏土为试验土样,做了排水和不排水条件下的常规三轴压缩试验,将模型计算结果与试验结果进行对比,结果表明,所提模型能够较好地反映江西原状饱和红黏土的力学和变形特性。     

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。     

K0超固结土的统一硬化模型

将所建立的超固结土模型推广为能够反映超固结土的初始应力各向异性的弹塑性模型。它是通过将潜在强度Mf、特征应力比M和状态应力比ηk引入到模型的统一硬化参数中,使模型具有预测超固结土的初始应力各向异性、剪缩、剪胀、硬化、软化和应力路径依赖性等基本特性的功能。采用SMP强度准则并结合变换应力方法对模型实现了三维化。通过与试验结果比较表明,提出的模型能够较好地描述初始应力各向异性超固结土的应力应变特性。     

考虑温度和体积应力的分数阶蠕变损伤Burgers模型

盐腔是石油、天然气和高放射性核废料深地储存的理想屏蔽围岩,考虑到深地盐岩地层中温度和体积应力联合影响,基于细观概率体元强度的威布尔(Weibull)分布构建损伤变量,利用Drucker-Prager强度准则描述微观线弹性脆性破坏,引入考虑塑性损伤的广义胡克定量描述样品尺度损伤,从而建立三轴压缩条件下静态本构模型.进一步...     

土体非共轴各向异性对城市浅埋土质隧道诱发地表沉降的影响

当前用于隧道工程数值模拟的本构模型,大多局限于土体各向同性框架下的共轴假设,难以充分反映隧道周围土体力学响应的复杂性。针对典型砂土和软黏土,建立考虑初始强度各向异性和非共轴特性的二维平面应变、理想弹塑性的土体本构模型,并编制用户材料子程序(UMAT),嵌入非线性有限元软件ABAQUS中,对城市浅埋土质隧道开挖施工进行二维数值模拟分析。结果表明:开挖面附近土体应力主轴可能发生明显旋转;同等地层损失率下,考虑土体初始强度各向异性预测的地表归一化沉降槽的形状与离心机试验结果更加吻合;同一程度荷载衰减下,考虑非共轴各向异性影响后沿中轴线的最大地表竖向位移明显偏大。因此可以认为,如忽略土体的非共轴和各向异性特性,可能会导致相关的设计方案偏于不安全。     

砂土的各向异性强度准则：原生各向异性

采用散粒材料的组构-应力微细观力学分析方法,在颗粒尺度上分析了砂土的原生各向异性强度特性。首先建立了砂土各向异性强度准则,若不考虑初始组构的变化,将蜕化为莫尔-库仑的原生各向异性强度准则,并可直接将现有的经典破坏准则推广到考虑砂土原生各向异性的情况,不需额外模型参数,方便于工程应用。接着基于三轴压缩与伸长试验破坏各向异性发展的不同,建立了考虑中主应力影响的简单破坏应力比-组构关系,建议了考虑组构演化的砂土原生各向异性强度准则,并考虑了砂土密实状态对其各向异性强度的影响。研究结果表明本文建立的原生各向异性强度准则,其物理机理比较明确,考虑了原生各向异性组构的演化,与真三轴试验结果吻合较好,有助于从微细观机理上分析砂土的原生各向异性强度特征。