加载条件对土拱效应影响的Trapdoor模型试验研究

土拱效应是一种土中应力的重分布现象,它是由土与土中结构物间刚度的差异而引起的。目前关于循环荷载对于土拱效应影响的研究十分有限。使用铝棒相似土代替砂土作为填料,通过自制的模型试验装置进行了土体自重、表面静荷载及循环荷载作用下的平面应变Trapdoor模型试验,利用土拱率作为土拱效应强弱的衡量指标,对比研究了不同加载条件对土拱效应的影响,并将试验所得结果与前人的研究成果进行了对比验证。结果表明,静荷载与循环荷载均会削弱已有稳定\"土拱\",削弱程度随荷载幅值及频率的增大而增大,随荷载作用面积的增大而减小。相同荷载水平下,循环荷载对土拱效应的削弱较静荷载更强,两者间的差异随荷载幅值的增大而减小,随荷载频率的增大而增大,且峰值荷载下的差异小于零荷载下的差异。总体而言,Evans提出的土拱率计算公式能够较好地用于土体自重及静荷载作用下的Trapdoor试验中土拱率的预测,而对于循环荷载作用下的情况,还有待对计算公式进行进一步地改进。     

桩承式路堤中土拱效应产生过程可视化分析

“土拱效应”在提高桩承式路堤承载能力方面发挥着重要的作用。现今关于“土拱效应”的研究主要采用现场原型试验和数值模拟及其在此基础上的理论计算。借助于传统的光弹试验技术,研制出一种直径3 mm、透明度较高的聚碳酸酯光弹颗粒,用于近似模拟桩承式路堤中的土颗粒,通过自制的加载装置和光测力学图像处理系统,实现多种条件下路基内部应力分布的可视化,重点观测模型内部力链网格的产生、分布及变化规律,试验结果表明：填土高度会对土拱的形成及形状产生极大影响,填土高度太小,斜向力链会因缺乏扩展空间无法闭合而不能形成拱结构,随填土高度增加,土拱由三角拱向半圆拱或梯形拱过渡;荷载的大小变化不会影响土拱效应的出现,但会对土拱的结构形状产生较大影响;随桩距比的增大,土拱由三角拱向半圆拱或多拱演化,当桩距比大于3∶1时,土拱效应开始减弱直至消失,路堤承载能力大幅下降。     

有限宽度土体主动土压力的离散元模拟研究

采用离散元方法,建立多个不同宽度的离散元模型,得到了不同宽度土体从静止到主动状态过程中作用在挡土墙上的土压力发展过程以及极限状态下主动土压力的分布,并将数值结果与考虑土拱效应的理论公式计算结果进行对比分析。研究表明:当土体宽度较小时,墙后有限宽度土体中土拱效应的叠加效应会改变土压力的发展过程以及极限状态下的土压力分布。土体宽度较大时,土拱效应对土压力影响较小,土压力几乎呈直线分布,随着宽度的减小,土压力逐渐减小,土压力呈非线性分布。采用考虑土拱效应的计算公式可以较好地预测不同宽度下的土压力合力和分布。     

桩承式路堤土拱效应颗粒流分析

土拱效应是桩承式路堤中荷载传递机制中的关键因素。参照前人室内模型试验,采用颗粒流软件PFC2D建立离散元(DEM)数值模型,对桩承式路堤中的接触力分布、主应力偏转、竖向位移和侧向位移等进行深入分析。模拟中,路堤填料和桩间土采用Disk单元模拟,桩和模型箱采用Wall单元模拟,路堤DEM模型采用分层压实法生成;路堤填料细观参数通过建立数值双轴试验进行标定,桩间土细观参数通过建立数值压缩试验进行标定。模拟结果表明:桩承式路堤中土拱由多个不同圆心的半球形拱共同组成,拱的高度约为5(s-a)/6;在该高度内路堤中的主应力发生明显偏转,竖向位移量和侧向位移量较大。     

周期荷载作用下土动剪模量衰减特性研究

对重塑非饱和土样进行了固结压力为50kPa的循环单剪试验。考虑到土样在循环荷载下产生的塑性变形积累,引入物态参数累积体积应变εv来代表循环荷载的影响,对试验结果进行分析,得到了以εv为参数的动应力-应变函数,根据εv与循环次数N的关系,得出动剪模量在不同剪应变条件下随N的衰减关系。通过分析在不同剪应变下衰减趋势得出衰化系数d与剪应变的相关性不太明显,最后拟合出动剪模量归一化量GN/G1随循环次数N的衰减函数形式。     

不规则循环剪切荷载作用下土的粘弹塑性模型

场地地震反应问题最初是按等价线性粘弹性模型来考虑土的非线性特点的。近年来,迅速发展起真正非线性的方法。本文提出的土的非线性模型可以同时符合均匀循环荷载下的剪切模量与剪应变、阻尼比与剪应变曲线,并且可以计入粘滞阻尼的影响。为了适应不规则的剪应力循环荷载,提出了加卸载的准则及孔隙水压力生长的分数循环估算法。本文建议的模型已用于总应力法的场地地震反应计算机程序中。     

悬臂式抗滑桩三维土拱效应研究

依据悬臂式抗滑桩的受力特点,研究了桩间土拱效应的形成机理。相比埋入式抗滑桩,悬臂式抗滑桩桩间土拱按其作用形式可分为水平拱、竖向拱及临空面拱,其中水平拱效应对桩间土的稳定起主控作用。考虑到桩间土稳定的前提下桩后土压力将完全由桩身承担,建议采用σx突变效应替代常用的桩一土承载比衡量桩间土拱效应的发挥程度。通过建立悬臂式抗滑桩的三维有限元模型,对比了悬臂式抗滑桩三维分析与二维分析结果的差异,并指出悬臂桩土拱效应极具空间特性,不宜忽略自重应力的影响。继而重点研究了悬臂高度、桩间距、桩正截面宽度、附加荷载及土体抗剪强度对桩间土拱效应的影响。     

不同竖向位移模式下土拱效应及土压力分布规律研究

为研究结构体与土体产生不协调变形时土体内部变化及土压力分布规律,设计了室内试验,探究不同位移产生宽度、位移产生模式以及位移量大小等因素对土压力分布方式的影响,并通过拟合得出不同位移产生宽度条件下土压力峰值与土压力影响范围的计算公式。结果表明：土体底部产生位移增量过程中,位移先缓慢增加后呈线性变化趋势;随主动位移施加的范围宽度增大,土体侧面的土压力增加且土体底部土压力减小;随被动位移施加的范围宽度越大,土体侧面的土压力减小且土体底部土压力增加。     

水平荷载作用下超长桩土拱效应数值模拟

建立了水平荷载作用下单排超长桩与土相互作用的三维有限元数值模型,对所形成的土拱效应进行数值模拟,研究了水平土拱和水平向摩阻力沿桩长方向的变化规律,以及桩间距对于土拱效应的影响,并进行了参数敏感性分析。结果表明:土拱效应在桩的上部作用较为明显;水平向摩阻力与土拱沿桩长方向的变化规律一致,土拱对于水平承载力具有增强作用;随着桩间距的增大,桩间应力拱逐渐消失,6倍桩径为应力拱产生的极限桩距;土体内摩擦角、黏聚力对土拱效应的影响呈正比关系,而桩土刚度比对土拱效应的影响呈反比关系,桩的长径比对土拱效应的影响是先增加后消失,影响最大的长径比为50。     

不排水循环荷载条件下胶结砂土宏微观力学性质离散元模拟研究

天然或人工胶结的存在能够提高砂土的抗液化能力,从宏微观尺度对其动力学性质进行研究具有重大意义.将已有的三维完整胶结接触模型引入到三维离散元程序中,对胶结砂土不排水循环三轴剪切试验进行三维离散元模拟,研究颗粒间胶结、循环应力比对离散元试样宏微观力学性质的影响.研究结果表明,胶结的存在能够抑制轴应变和孔压的发展,提高砂土的抗液化强度,循环应力比与液化振次之间具有指数函数关系,证实了本文离散元模拟能够反映胶结砂土的宏观动力学性质.在微观尺度上,当循环应力比较小时,胶结试样内部仅有极少量胶结发生破坏,力学配位数基本不变,外界输入功主要用于增加颗粒和胶结弹性能.对于特定胶结程度的试样,在初始液化发生之前,随循环应力比增加,试样内部胶结破坏更为剧烈,力学配位数下降速率更快,颗粒和胶结弹性能更快地趋向于0,颗粒摩擦耗能、弯转耗能、扭转耗能更快地达到最大值,而破坏胶结接触点、胶结接触点和无胶结接触点法方向的空间分布更快地趋向于各向同性性质.     

散粒土自然堆积的宏细观特征与形成机制

利用离散元数值方法模拟由不同形状颗粒形成散粒堆积体的过程,并通过分析堆积体的宏细观力学特征来揭示其形成机制。研究发现,颗粒形状愈规则,自然休止角愈小。细观上,颗粒接触法向量、法向接触力和切向接触力的各向异性分布强度都随颗粒形状变得规则而降低;接触法向量各向异性主方向与竖直方向的角度差■同自然休止角a之和近乎为一个常数,法向接触力和切向接触力的各向异性主方向与竖直方向的角度差■和■可近似表达为与自然休止角?正相关的线性函数。最后,建立了堆积体内部拱效应的优势发挥方位同颗粒接触法向量、法向接触力和切向接触力各向异性主方向的关系。     

砂卵石地层盾构开挖面稳定性分析

分析了成都砂卵石地层工程地质和水文地质条件,通过大型三轴试验对砂卵石层力学特性进行了研究。针对砂卵石层粘聚力低、离散性强的特点,选用颗粒离散元法作为数值计算工具,通过对大型三轴试验的数值模拟,对砂卵石层的细观参数进行了标定。研究了支护压力对开挖面变形、地表沉降、开挖面的最大位移和土层应力的影响。研究结果表明：1)开挖面土体破坏形状和砂土的离心试验模型相符;2)当支护压力较小时,开挖面前方土体颗粒接触力很低,颗粒流动趋势明显,因此容易引起超挖,从而导致盾构施工后形成地层中的空洞;3)开挖面前的上方土体成拱作用明显,即使土层内部形成空洞也不会立刻引起地面塌陷,这是目前成都盾构施工引发地面滞后沉降的主要原因。     

低周反复试验轴力加载装置的系统摩擦力

在柱、剪力墙等的低周反复加载试验中,与施加轴压力的竖向作动器相连的钢铰轴处或滑动导轨处存在的摩擦力会导致加载水平力的测量结果不同程度地较真实值偏高。通过试验和有限元计算,分析了该摩擦力的规律和量化取值。为了消除材料非线性并准确考虑几何非线性的影响,设计两个型钢柱进行了材料弹性状态下的低周反复试验,并在OpenSees平台上建立了能够准确计算二阶效应的有限元模型。根据试验测量结果、有限元分析结果对该试验的轴力加载装置引起的摩擦力进行计算,研究了摩擦系数的取值方法,并考察了摩擦力对柱试验结果的影响。研究结果表明:由轴力加载装置引起的摩擦力主要受轴压力值影响,柱顶位移的影响较小;随着轴压力增大,摩擦力增大、摩擦系数变小;最大摩擦力、最小摩擦系数均趋于较稳定的取值;对于轴压力为350～900kN的钢筋混凝土柱,由该装置摩擦力引起的低周反复试验的柱顶水平力测量结果误差约为5～13kN。     

顶管顶力计算公式的适用范围探讨

在顶管施工设计中,顶管顶力的准确计算十分重要,相关计算公式很多,而且计算结果相差很大。基于上述问题,对各计算公式进行了对比和归类,选取工程实例对公式进行了数值分析,提出了各公式的适用范围和计算中应注意的问题,得出了未考虑土拱效应的公式计算结果大于考虑土拱效应的计算结果,以及现规范中顶管顶力计算公式的计算结果过于保守的结论。     

考虑损伤效应的钢管转换柱抗震性能试验研究与理论模型

为研究传统风格建筑钢结构转换柱连接的抗震性能及其恢复力特性,对不同上柱长细比（8.9和12.5）与轴压比（0.2和0.4）的4个钢管转换柱连接进行了低周往复加载试验,记录并分析了其受力过程和破坏形态。试验结果表明：随着轴压比和矩形钢管长细比的增大,转换柱连接的P-Δ效应加剧,构件的承载力逐渐降低。通过理论计算提出骨架曲线特征点计算式,得到理想双折线骨架曲线恢复力模型。同时,考虑累积耗能与变形对构件性能退化的影响,引入一个适用于传统风格建筑转换柱连接的损伤模型,确定了柱连接构件在每次滞回循环后的累积损伤指数,基于试验拟合结果定量描述其卸载刚度等力学性能指标的退化规律。最终给出转换柱连接构件在各受力阶段具体的滞回规则,得到考虑损伤效应的传统风格建筑钢转换柱连接的恢复力模型。经比较,所建议的考虑损伤效应的恢复力模型与试验结果吻合程度较高,能够很好地描述传统风格建筑钢转换柱连接在低周反复荷载作用下的受力特征与滞回特性。     

砂填料桩承式路堤土拱效应模型试验

现有的桩承式路堤荷载传递计算方法主要依据3类土拱效应力学计算模型。由于宏观土拱形态观察的难度较大,现有计算方法普遍缺乏对不同填料与参数下拱效应传力机制以及宏观土拱拱形参数的深入探讨。采用自制的试验装置对砂填料桩承式路堤土拱效应模型进行探讨,进行了3组不同桩距比下3种填土高度的模型试验。模型试验装置配备了位移控制装置模拟与精确控制桩间土下沉,在下沉过程中连续、同步的采集土压力以及砂箱内部填料的照片,并通过摄影测量技术获取全场位移数据。通过对桩土应力比曲线特征以及曲线特征点所对应的填料颗粒位移图的综合分析,探讨了砂填料桩承式路堤拱效应传力机制,揭示了填料内部存在的初始三角形松动滑移面。基于此提出了初始三角拱力学计算模型,分析得到了滑移面角度随桩距比变化的规律,并利用滑移面夹角统计数据确定了拟合计算公式,通过力学推导建立了适用于砂填料桩承式路堤的桩土应力比计算方法。通过与Rogbeck法、BS8006法、Terzaghi法以及模型试验实测数据的对比,验证了计算方法的合理性。     

基于透明土的填土密实度对土拱效应影响模型试验研究

土拱效应广泛存在于岩土工程中。开展基于透明土的活动门试验,研究填土密实度对土拱效应演化的影响。研究表明,密实度较低的填土,较小的相对位移就可以达到土拱稳定阶段,提高填土密实度有利于土拱效应的发挥;填土密实度对内拱高度无影响,但对外拱有显著影响;相对位移在0~3%时,位移反射率迅速上升,而后逐渐趋稳,提高密实度有利于减弱基地差异沉降向上反射。研究将为填土密实度对土拱演化过程的影响提供参考。