青藏冻结粉土与混凝土基础接触面本构关系研究

土冻结过程中,冰胶结作用使周围土体颗粒与建（构）筑物基础联成一体,这种胶结力称为土与基础间的冻结强度,通常采用冻土沿物体（例如基础材料）表面的剪切强度来度量。因而,冻土与基础接触面的应力-应变关系及其强度特征是确定冻土区基础工程承载力、抗拔性能和分析构筑物与冻土相互作用的基础和关键。为了更好地服务于工程实际,通过大量的冻结粉土与混凝土基础接触面剪切试验,总结了冻土接触面的基本力学特征和受力变形规律。根据获取的剪应力-位移曲线和冻结粉土接触面强度变化规律,利用标准本构模型建模方法,建立了冻结粉土接触面应力-位移-温度本构方程。该模型可以较好地描述不同温度冻结粉土接触面应力-位移变化规律,并为冻土区构筑物受力和变形数值计算提供基础。     

青藏粉土-玻璃钢接触面力学特性直剪试验研究

青藏直流±400 kV输变电工程中采用表面光滑的玻璃钢覆盖基础表面,以减少切向冻胀力对基础的冻拔作用。过去的研究鲜有涉及土体特别是冻土与玻璃钢基础接触面的力学特性,为指导冻土区基础设计和安全评价,采用应变直剪仪开展了多种含水率和温度条件下青藏粉土-玻璃钢接触面直剪试验研究。结果表明,青藏粉土-玻璃钢接触面屈服时相应剪切位移很小,应变硬化阶段短暂或不显著;冻结状态下接触面应力-位移性状呈脆性破坏型,存在明显峰值;融化状态时接触面的剪应力-位移性状呈塑性破坏型,其应力-位移关系曲线为弱软化型和屈服型,没有明显峰值;融化状态时接触面抗剪强度值随含水率的增加而缓慢减小,冻结状态时其强度随负温绝对值和含水率的增加而增大,且随着土体含水率的增大,温度降低导致接触面抗剪强度增强效果更加显著,土体含水率大于19%后抗剪强度趋于稳定;温度对抗剪强度的影响主要体现于黏聚力的改变,且随着含水率的增加,温度影响增强。接触面内摩擦角随负温绝对值增加而减小,随含水率的增加而减小。     

土与结构物接触面损伤本构模型

根据粗糙接触面变形机理,建立了基于损伤力学基本原理的接触面本构模型来描述其力学特性。所建议的损伤模型可以用一个统一的表达式来表述,能够较好地反映土与结构物接触面剪切过程中的应变软化和剪胀等力学特性;模型参数较少,物理意义明确。对接触面直剪试验和单剪试验成果进行了验证,模型计算与试验结果吻合较好,表明建议的土与结构物粗糙接触面损伤模型是合理可行的。     

冻土-混凝土接触面动剪强度研究

为了研究冻土-混凝土接触面的力学特性,开发了一种低温动荷载直剪仪,它是在普通直剪仪框架的基础上,安装了动力加载系统和温度控制系统。该装置能够保证在负温条件下对冻土进行动荷载直剪试验,从而测定冻土的动力学参数。为了研究寒区冻土与混凝土构筑物的相互作用,使用该仪器进行了一系列的多因素接触面动直剪试验,试验结果表明了冻土-混凝土接触面在动荷载作用下的行为特征,多因素对比试验则揭示了接触面动剪强度的影响因素和变化规律。     

粗粒土与结构接触面特性的离散-连续耦合数值研究

三维变形体离散元法能够自动检索接触关系,并对具有不规则形状的粗粒土颗粒和结构物进行有限差分网格离散,因此,具有模拟离散-连续耦合问题的先天优势。采用随机模拟技术生成粗粒土三维数值试样,基于变形体离散元进行粗粒土与结构接触面特性的数值试验,研究了不同接触面粗糙程度的接触面力学特性,对比了粗粒土与结构物在单剪和直剪状态下的接触面力学特性,从宏观和细观两个层面分析了数值试验结果。结果表明,数值试验能较好地反映粗粒土与结构接触面的力学特性,其剪应力-相对剪切位移曲线与试验结果规律相似;接触面粗糙程度对接触面的强度和变形特性影响较大,其机制在于剪切对试样的扰动程度不同;直剪和单剪状态下试样剪应力-相对剪切位移均为双曲线,单剪试验的初始剪切刚度低于直剪试验,两种试验得到接触面抗剪强度指标比较接近。     

冻土与结构接触面循环剪切损伤模型

抗剪强度和压缩体应变是冻土与结构接触面的力学特性指标中最重要的两个参数,对冻土与结构接触面的力学分析至关重要。采用自行研制的大型多功能冻土-结构接触面循环直剪系统,开展了冻土与结构接触面力学性能及变形规律的试验研究,采用损伤力学理论,基于等应变分布假设、零弹性域假设、弹性应变无耦合假设,选择不可逆性体应变与最大不可逆性体应变的比值作为损伤因子,建立了用于描述冻土与结构接触面剪切行为的抗剪强度与压缩体应变损伤模型。通过相关试验对建立的损伤模型进行验证,结果表明,所建模型是准确、合理的。     

人工冻土黏弹塑性本构参数反分析研究

通过大量的人工冻结黏土蠕变试验研究,获得在高偏应力下人工冻结黏土具有显著的蠕变特性：当应力水平较低时,人工冻土发生黏弹性蠕变变性;当应力水平较高时,人工冻土发生黏塑性蠕变变性。因此,以西原模型为基础,增加一个黏弹性元件项和用抛物线屈服函数代替塑性屈服项,构建了高应力下抛物线型黏弹塑性蠕变本构模型。改进的西原模型可以较好描述人工冻土剪切蠕变特性。基于小生境技术的遗传算法和人工冻土黏弹塑性模型有限元理论,在FEPG（有限元程序生成器）自动生成平台上研发了位移反分析程序。利用现场实测数据对深井冻结井筒开挖过程进行了位移反分析,获得了与试验相一致的冻土本构力学模型参数,数值分析结果与实测数据之间的误差在6%以内,反演结果验证了模型的可行性。冻结井筒开挖过程的位移反分析获得的人工冻土本构模型参数,能反映冻结壁施工过程和有效冻结范围内冻土本构参数平均值,因而具有广泛的代表性,对冻结壁应力场、位移场和稳定性预测具有重要工程意义。     

粗粒土与结构接触面三维本构关系及数值模型

基于试验结果,探讨了粗粒土与结构接触面的三维力学特性,该接触面在三维剪切时两个方向上的剪应力-应变关系表现出较强的耦合特性,但其主剪应变的大小只与主剪应力的大小有关。基于提出的接触面弹塑性损伤理论,建立了描述三维条件下接触面力学特性的本构模型及其数值格式。编制了有关程序,采用该模型对接触面的力学响应进行了预测。预测结果表明,建立的接触面三维本构关系及数值模型是合理和可行的,能够较好地反映包括剪切耦合特性在内的接触面主要力学特性。     

含应变软化本构关系的岩-土接触元直剪试验数值模拟

关于含应变软化本构关系的岩-土接触面特性的研究手段较为有限,基于FLAC可实现具有应变软化接触的本构数值分析。利用该模型对接触面直剪试验进行模拟,并对接触单元剪切强度参数演化与剪切应力-位移关系变化特征进行深入研究。模拟结果再现了接触面的渐进性破坏过程及内部剪应力变化特征,研究表明了摩擦角的增减变化主控剪切应力-位移关系曲线的形式特征。     

现浇混凝土-冻土接触面冻结强度直剪试验研究

关于混凝土-冻土接触面的力学强度研究多集中于预制成型混凝土样（块）与冻土接触面的力学试验研究,而与工程实际更为接近的冻土中现浇混凝土、冻结稳定后混凝土-冻土接触面的力学强度研究则少有涉及。基于冻土中现浇混凝土的试验方式,开展了不同水灰比、含冰量及冻土温度条件下,混凝土-冻土复杂接触面冻结强度的直剪试验研究。结果表明：试验条件下,由于混凝土中粗、细骨料导热系数及水化热侵蚀强度不同,冻土中现浇混凝土会导致混凝土-冻土接触面发生起伏变化。受该因素影响,粗糙接触面较光滑接触面的冻结强度增大71.9%。粗糙接触面引起的应力集中,使得剪应力在剪切破坏过程中出现间歇性增大、跳跃。在冻结强度构成中,随接触面粗糙程度的增大, φ值对冻结强度增长的贡献要大于c值。水灰比由0.4增至0.6,混凝土导热系数降低,生成接触面趋于光滑,冻结强度减小;土体含水量由15%增大至30%时,冻结强度增大,含水量继续增大至40%时,冻结强度减小;在不同温度条件下,整体呈现冻土温度降低冻结强度相应增大的趋势。基于上述结果,多年冻土区灌注桩设计时,建议混凝土采用0.4~0.5水灰比。     

冻土与结构接触界面层力学试验系统研制及应用

在天然冻土区或人工冻土工程中存在着大量冻土与结构物接触界面层问题,目前有关此类接触界面层力学变形性能的试验研究手段缺乏。为此,在已研制大型多功能冻土-结构接触面循环直剪系统DDJ-1基础上,改制冻土剪切盒,凸出冻土试样界面层,研发微变形测量系统,组成冻土与结构接触界面层力学试验系统。该系统不仅能实现不同边界条件下接触界面的力学特性试验,而且能测量和分析接触界面层不同位置的冻土体位移,分析研究不同冻土温度、不同结构粗糙度、不同法向荷载作用下界面层冻土体变形特性。试验结果表明,该系统能准确再现冻土与结构接触界面层的力学变形行为,可为系统开展冻土-结构接触界面层的研究提供试验基础。     

深部人工冻土黏弹塑损伤耦合本构模型研究及其验证

采用改进的Mohr-Coulomb屈服准则(Zienkiewicz-Pande准则), 建立了能描述人工冻土3个阶段蠕变特性的黏弹塑损伤耦合本构模型. 基于该本构模型建立了模型的柔度矩阵, 将本构模型嵌入到ADINA有限元程序中. 计算表明: 数值模拟得到的人工冻土蠕变特性曲线与实测值吻合良好, 最大误差为4.8%, 说明基于改进的Mohr-Coulomb准则建立的黏弹塑损伤耦合本构模型能够准确的描述人工冻土剪切特性和3个阶段的蠕变特性.获得的本构模型具有参数少、容易确定等优点. 深部人工冻土黏弹塑损伤耦合本构模型的建立, 对于人工冻土结构物长期稳定分析和预测具有重大的理论指导意义.     

基于冻融作用的非饱和黄土-混凝土界面力学模型

在季节冻土区,周期性的冻结与融化作用持续改变着浅层非饱和土体的微结构和物理力学性质,从而直接影响着土与结构物之间的相互作用。土体与结构物接触面的应力-应变关系及其强度特征是确定季节冻土区基础工程承载力、安全性和分析结构与土体相互作用的基础和关键。为了更好地服务于实际工程,通过对不同含水率、不同冻融循环次数的非饱和黄土-混凝土试样进行直剪试验,并同时采用滤纸法测试相应黄土的基质吸力,获取了不同试验条件下的应力-应变关系曲线以及接触面强度参数、基质吸力随冻融循环次数的变化规律。同时,基于试验数据,建立了非饱和黄土与混凝土界面剪应力-位移-冻融循环次数的本构模型,该模型对黄土-混凝土界面经过多次冻融循环后不同压力下的剪应力-位移的关系曲线起到了很好的描述作用,为解决实际工程中季节冻土区基础承载力的数值计算提供了参考。     

纤维加筋土工程性质研究进展

纤维加筋是一种新型的土体改良技术,是指将分散的纤维丝均匀掺入土体中,达到提高土体的工程力学性能的目的。本文根据国内外近20a来在该领域取得的成果,着重对纤维加筋材料、纤维加筋土的工程性质及加筋机理等方面的研究进展进行了介绍。在纤维加筋材料方面,主要有人工合成纤维和自然纤维两种; 在纤维加筋土工程性质方面,纤维加筋能有效提高土体的抗剪、抗压、抗拉强度和承载力,增加土体的破坏韧性和渗透性,降低膨胀土的胀缩性和裂隙发育程度; 在纤维加筋机理方面,目前主要认为纤维的加筋效果主要取决于纤维-土界面的力学作用,即界面黏聚力和摩擦力。最后,针对目前纤维加筋土的研究不足,提出了今后该领域的研究重点和方向,主要包括: 开发简单可行的纤维土施工器具和工艺、开发更专业的纤维产品和降低纤维成本、开展大尺度模型试验和现场试验、纤维-土界面作用机理研究、纤维加筋土的破坏和失效机理研究、纤维加筋土的力学模型及计算理论研究、纤维加筋土的动力学特性研究等。     

石棉纤维粉煤灰水泥加固软土试验研究

为研究石棉纤维加固软土的效果和机理,改善水泥土的脆性破坏特点,提出将石棉纤维的物理加筋作用与水泥、粉煤灰的化学加固作用相结合,通过对不同纤维掺量(0%~9%)的石棉纤维粉煤水泥复合土进行直剪试验、无侧限抗压强度试验、劈裂试验、扫描电镜试验,进而对石棉纤维加筋水泥土的强度性质和影响机理进行探讨。研究表明,石棉纤维配合水泥与粉煤灰能显著提高软土的强度和稳定性,改善水泥土的破坏形式。水泥粉煤灰配比一定时,石棉纤维增强水泥复合土各强度指标值存在最优掺量,纤维添加量在3%~6%之间,石棉纤维的加筋效果在水泥土中能得到很好的发挥,超过最优掺量则会降低复合土的强度值。     

粘土与筋带直剪试验与拉拔试验对比分析

在土工合成材料加筋土工程中,土工合成材料与填土的界面作用特性直接决定加筋土工程的内部稳定性,所以土工合成材料与填料的界面作用特性指标是最关键的技术指标。对两种加筋材料与高液限粘土之间分别进行了直剪试验和拉拔试验,通过分析可得筋土之间的剪应力随着垂直压力的增大而增加,但随着垂直压力的增大筋土之间剪应力增长率减小,即随着垂直压力的增加,筋土之间的剪应力收敛于某一上限值;由于加筋材料在试样制作过程中不可避免地在土中发生凹凸变形使土体对筋带产生一定的锚固作用,拉拔试验所测得的似摩擦系数及似粘聚力均大于直剪试验所测得的似摩擦系数及似粘聚力。因此,实际加筋土工程中,拉拔试验更能较好地反映其真实的工作状态。     

中主应力系数影响下的冻结砂土损伤本构模型

人工冻结法是饱水砂层开挖过程中常用的止水和临时支护方法,通过冻土损伤特性研究为冻土力学特性和冻结体稳定性分析奠定基础。为研究冻结砂土的损伤力学特性,在-5℃下进行了不同中主应力系数的冻结砂土三维室内试验。从冻土微元破坏服从Weibull随机分布的特点出发,将Drucker-Prager强度准则作为冻土微元统计分布变量,利用应变等价性假说,建立了三维应力状态下冻结砂土损伤本构模型;在此基础上,讨论模型参数F₀与m和中主应力系数的关系,对模型参数进行合理修正,建立中主应力系数影响下的冻结砂土损伤本构模型,并与试验结果进行对比。分析结果表明:参数F₀和m随着中主应力系数的增大呈现先减小后增大的趋势;参数F₀反映了冻结砂土的强度特性,参数m代表了冻结砂土的延性及脆性特征,考虑中主应力系数影响的冻结砂土损伤本构模型能很好地模拟冻结砂土应力-应变全过程曲线。研究成果为人工冻结法工程设计提供一定的理论依据。移动阅读