动力触探杆长修正系数试验研究

动力触探是一种应用广泛的原位测试技术,其动探杆长最大可达到上百米,在实际应用中需要进行杆长修正,目前规范中关于动力触探杆长修正问题,给出了以牛顿弹性碰撞理论和弹性杆波动理论为基础的两种修正方法,依据两种理论得出的修正系数是截然不同的。动力触探试验成果应该如何进行杆长修正,是限制该方法应用的重大问题。针对动力触探杆长修正问题,提出了室内模型试验,并依据砂砾石和均质砂两种地基土进行不同杆长的重型动力触探模型试验,杆长分别为2.0、8.9、16.4、23.4、30.0、36.0 m。通过试验,得到重型动力触探杆长修正系数。分析认为,重型动力触探杆长修正规律符合牛顿弹性碰撞理论,且与地基土材料特性无关。     

考虑实测锤击数影响的动力触探杆长修正系数研究

现行规范中动力触探锤击数修正系数的确定需考虑实测锤击数影响,而业内对此少有研究。在一次人工做功击打时,动力触探落锤和探杆通过碰撞传递机械能,基于一维碰撞理论,若恢复系数不为0,则二者碰撞后速度不等,在重力和土阻力作用下会继续碰撞。推导了仅计算首次碰撞后探杆能量、计算首次碰撞后落锤与探杆能量之和及计算首次碰撞后有限次碰撞3种计算方案下的杆长修正系数计算方法。研究结果表明：在碰撞过程中和在一次人工做功击打的两次碰撞间是否考虑土体阻力作用,对杆长修正系数的计算都有影响。使用计算首次碰撞后落锤与探杆能量和的计算函数对现行规范中杆长修正系数拟合,得到重型和超重型决定系数分别为0.9935、0.9751。仅考虑两次碰撞间土体对探杆阻力的影响,使用计算首次碰撞后有限次碰撞的计算方法,当恢复系数≤0.3时,计算得到的杆长修正系数随锤击数增大而减小。     

动力触探杆长适应性及其修正试验

西部地区河床深厚覆盖层勘探取样及工程特性是水电工程地质勘察中常遇技术难题,动力触探(dynamic penetration test,DPT)因操作简单、适用土类多而成为西部地区河床覆盖层原位测试首选方法.现行规范仅给出了20 m杆长范围的修正方法,但对超此范围重型、超重型动力触探杆长适用性及修正问题,长期以来业内则颇多争议却少有研究.鉴于此,利用现场试验与数值模拟相结合,通过对动力触探试验杆上各测点应变现场实测并得到各测点应力分布,再利用LS-DYNA软件进行反演分析并确定相关计算参数,而后进行杆长25 m、40 m、60 m、80 m、120 m的数值模拟计算得到了杆长适用范围及修正系数.试验研究方法及成果可供类似问题研究与深厚覆盖层地区工程勘察借鉴或参考.      

基于非牛顿指数渗流和分数阶Merchant模型的一维流变固结分析

为进一步深入分析饱和黏性土的一维流变固结机制,引入Koeller定义的弹壶元件修正Merchant模型,并以此描述土骨架的黏弹性变形行为;同时引入非牛顿指数渗流模型描述流变固结中的非达西渗流,推导出一个新的饱和黏性土一维流变固结方程,并用隐式有限差分法进行数值求解。通过与有关文献中退化模型结果的对比,验证了有限差分算法的有效性。在此基础上,分析非达西渗流模型参数以及分数阶Merchant流变模型参数对流变固结过程的影响。计算结果表明:分数导数阶数和黏滞系数对地基沉降的影响比对孔压消散的影响更为明显,且分数导数阶数越小或黏滞系数越大,地基沉降需要的时间越长。同时,比起达西渗流,非牛顿指数渗流会延缓地基中的孔压消散,使得沉降发展变慢。另外,考虑流变效应时地基沉降要慢于孔压的消散。     

基于主应力轴旋转理论的修正Terzaghi松动土压力

基于土体主应力轴旋转理论,提出了Trapdoor上方土体侧向土压力系数的一般表达式,从而修正了传统的Terzaghi松动土压力计算公式。对于无黏性土,该系数是一个只与土体有效内摩擦角相关的参数,其值介于1.0和被动土压力系数Kp之间,且随着有效内摩擦角的增大而增大。黏性土的侧向土压力系数则与Trapdoor上覆土体厚度、重度、有效黏聚力和有效内摩擦角及Trapdoor宽度等参数有关。与传统计算方法相比,修正后的Terzaghi松动土压力计算结果与国内外Trapdoor模型试验结果及FLAC数值分析结果更为吻合,可广泛应用于地下管道、地基局部沉陷及隧道工程的土拱应力分析。     

剑桥模型可反映剪切变形的一种修正

由于剑桥模型不能很好地反映土的剪切变形,因此,在工程应用中不能够反映土的实际受力变形特征。对剑桥模型的这一缺点进行理论分析,指出产生此现象的原因,提出由剪应力和体应力引起的应变分量,分别采用不同的分配比例系数,基于这种思想并采用剪切试验结果对剑桥模型进行修正,给出了基于不同分配比例系数修正后的剑桥模型的应力-应变关系计算式。通过采用剪应力与轴向应变修正后的模型与剑桥模型的预测结果的对比,揭示了修正后的模型能够较好地反映剪切变形,同时模型含有可直接测定的4个独立的试验参数。     

海相结构软土的次固结研究

现有次固结计算方法没有考虑土结构性的影响,但自然沉积土大都具有结构性。海相软土一维次固结试验研究表明,对于结构性土,次固结不仅在超固结状态时与荷载有关,且在土体结构破坏的过程中也与荷载有关。当固结压力小于先期固结压力时,次固结系数随压力增长较快;当固结压力大于先期固结压力且小于结构完全屈服压力时,次固结系数随固结压力增长缓慢;当固结压力大于结构完全屈服压力时,次固结系数不随固结压力变化。次固结系数变化与否的荷载分界点不是先期固结压力,而是结构完全屈服压力。对于海相结构软土,其次固结系数变化在超固结、结构破坏、正常固结3个阶段随荷载变化的规律不同。最后,提出了考虑土结构性的一维次压缩计算方法。     

考虑剪应力作用的刚性挡土墙主动土压力分析

以墙后为无黏性填土的竖直刚性挡土墙作为研究对象,假定墙后土体中形成圆弧形土拱,考虑水平土层间的剪应力,修正了水平层分析法,从而得到平动模式下主动土压力分布、合力大小及其作用点位置的表达式。通过与模型试验结果和现有理论成果的对比分析,证明了修正方法的合理性。参数分析表明,水平土层间的平均剪应力受墙土摩擦角、填土内摩擦角等因素的影响,与主动土压力一样沿墙高为非线性分布。同时,考虑水平土层间剪应力作用得到的侧向主动土压力系数、主动土压力合力与不考虑剪应力作用的理论解答相同,但合力作用点位置高于库仑解,且低于不考虑剪应力作用的理论解答。     

考虑松动区内应力分布形式的松动土压力研究

传统土拱效应理论是基于松动区内土体应力均匀分布这一基本假定建立的,然而由于松动区内部主应力轴偏转的影响,实际情况下松动区内部的土体应力分布往往是非均匀的。针对这一情况,在太沙基松动土压力分析模型的基础上,通过假定3种不同形状的大主应力轨迹线,考虑了松动区内应力分布形式对松动土压力的影响,对传统太沙基松动土压力公式进行了修正,并与离散元数值模拟结果进行了对比验证。研究结果表明：当土体达到极限平衡状态时,松动区内部竖向应力与水平向应力分别呈上凹式分布和上凸式分布,松动区中轴线上侧向土压力系数等于被动土压力系数;采用不同形状的大主应力轨迹线进行计算所得应力分布之间的差异在10%以内,且均与离散元数值模拟结果吻合良好,从而验证了修正解的有效性。为计算方便起见,推荐相关工程中采用圆弧形大主应力轨迹线假定进行计算。     

双层柱面网壳在粘滞阻尼器作用下的减震研究

为了检验用粘滞阻尼杆件替换网壳结构部分杆件后的减震效果,选择了适合网壳结构的粘滞阻尼杆,并设计制作了双层柱面网壳结构模型,进行了在替换杆件不多的情况下,各点的位移、加速度和内力等方面减震效果的理论研究。其中包括布置位置、布置数量以及地震波的调幅加速度等方面的研究,得出各点的位移、加速度和内力减震70%左右,说明粘滞阻尼杆减震策略有效、可行。     

基坑圆环支撑体系水平刚度系数计算方法研究

由受力根据刚度分配的原则,引入受力分配系数,对圆环支撑体系水平刚度系数的计算进行了解析式的推导,提出了圆环支撑体系水平刚度系数的简易计算方法,并给出了解析式的修正式。并以某超深基坑圆环支撑体系为例,应用所提出的公式计算该圆环支撑体系的水平刚度系数,并与三维有限元分析结果进行对比,同时分析了不同封闭环梁、发射梁对水平刚度的影响,结果表明:二者误差较小,圆环支撑体系水平刚度主要由受力杆件封闭环梁决定,与发射梁等传力杆件关系不大,依据所提出的解析式进行计算,结果精确且简单易行,可为基坑圆环支撑体系水平刚度系数的取值提供依据。     

黏弹性地基中PCC桩扭转振动响应解析方法研究

考虑土体材料的黏性阻尼和桩-土扭转耦合振动,把桩看作一维杆,将土体视作三维轴对称黏弹性介质,对黏弹性地基中现浇混凝土大直径管桩（简称PCC桩）扭转振动频域特性进行了理论研究,采用Laplace变换和分离变量的方法求得了桩顶扭转频域响应解析解。将所得解完全退化到实心桩的解,并与经典平面应变解进行对比,验证了解析解的合理性。分析了桩长以及土体黏性阻尼系数对桩顶速度导纳和复动刚度的影响,得到了各参数对桩扭转振动特性影响的规律。分析表明：桩周土黏性阻尼系数增大可以显著提高桩顶扭转复动刚度和减小速度导纳振荡幅值,而桩芯土黏性阻尼系数的影响不明显;桩长越长,桩顶复动刚度越大,速度导纳振荡幅值越小,但当桩长增大到一定程度时,再继续增加桩长,桩顶复动刚度基本没有改变。     

矿区深厚土层的高压固结与次固结特性

实验表明，深部土层的先期团结压力与土层沉积的历史有关；土的团结系数和渗透系数均随压力的增大而减小，并在高压下趋于稳定；当压力小于先期团结压力时，土的次团结系数与压力关系不大；当压力大于先期固结压力时，次团结系数随压力的增大而增大。     

长短桩组合路堤桩三维复合拱土拱效应分析

基于等长桩路堤桩土拱效应的Hewlett分析方法,提出均布荷载作用下长短桩组合路堤桩的三维复合拱土拱效应分析方法。采用有限元法形象描绘土拱效应形成的应力集中形态随长桩与短桩的桩长比不同时的变化,基于此提出三维复合拱的基本理论框架。引入土拱效应系数来表征土拱的强度状态,建立桩帽顶部平面的应力平衡微分方程,结合边界条件及土拱效应系数之间的关系计算长桩和短桩的桩-土应力比;当加筋体存在时,分区域对加筋体进行变形假设,建立考虑加筋体拉力的桩帽顶部应力平衡微分方程。与离心模型试验和现场实测结果及有限元方法的模拟结果进行比较,验证了此方法的合理性,进一步开展参数分析对主要影响因素进行等级评价。分析表明,加筋体的存在明显增大桩-土应力比,尤其当桩帽覆盖率比较小时效果更为明显。     

颗粒级配对粗粒土强度与变形特性影响的研究

采用三维颗粒流软件PFC3D的内置FISH语言,进行二次开发,模拟粗粒土级配,建立一个研究高铁填方路基粗粒土变形特性的颗粒流模型。通过粗粒土三轴试验,标定了表征粗粒土细观力学性质的模型参数,并验证了模型的有效性。考虑粗粒土曲率系数和不均匀系数对颗粒级配的影响,模拟并研究了5种不同级配下粗粒土在3种不同围压下的变形特性。试验结果表明,曲率系数对粗颗粒土变形特性影响较大,当其有效粒径与中值粒径及限制粒径的差距过大时,粗粒土中颗粒填充及致密性将变差,变形增大,强度降低。以较大曲率系数与较大不均匀系数组合的粗粒土受力性能较好,但此种级配的粗粒土压缩性大。级配良好且不均匀系数较大,其应力链分布越均匀,颗粒的挤压效果越显著,力的传递和分配也越均匀。     

细粒土粒径与物理特性关系的分形特征研究

以某矿区原状土为研究对象,针对细粒土颗粒结构的复杂性和不规则性,基于分形理论,通过颗粒分析、渗透试验和界限含水率试验,建立了细粒土粒度分形维数与不均匀系数、渗透系数及界限含水率的相关关系,从而揭示了这一类土粒度分维的物理意义。试验研究表明:土的颗粒级配越好,分维越大,不均匀系数就越大,水通过孔隙的能力变弱,渗透系数则越小。当土分维数小于某一数值时,土的界限含水率随分维值的增大而减小;分维大于这一数值时,各界限含水率指标又与分维值呈正相关关系。研究结果为该地区这一类细粒土的工程特性提供较好的研究思路和理论支持。     

竖向稳定渗流条件下的地震主动土压力分析

基于库仑土压力理论的基本假定和拟动力法的分析思路,以无黏性填土的刚性挡土墙为研究对象,考虑填土中存在竖向稳定渗流的两种工况,推导了地震主动土压力和修正土压力系数的计算表达式。通过程序求解问题并进行参数讨论,分析结果表明,主动土压力随水平地震加速度的增大而明显增大,竖向地震加速度对土压力影响较小,可以忽略不计。墙土摩擦角较小时,土压力随填土摩擦角的增大而单调减小,但当墙土摩擦角增大后,土压力随填土摩擦角的增大出现先减小后增大的情况。渗流方向向下时,土压力随水力梯度的增大而减小;渗流方向向上时,变化规律则相反。与已有的理论方法对比,计算结果基本吻合,验证了该理论方法的正确性。     

条形荷载下挡土墙主动土压力计算

考虑条形荷载对滑裂面倾角的影响,改进了库仑土压力理论的极限平衡方法,对条形荷载下的主动土压力进行研究,得到了条形荷载全部作用于土楔体上和被滑裂面截断两种情况下的土压力理论公式。当荷载为0时,该公式可退化到库仑理论。分析表明,在条形荷载被滑裂面截断时,主动滑裂面的倾角不仅与土体内摩擦角、墙土摩擦角、地面倾角等因素有关,而且还与条形荷载的大小和荷载离开墙背的距离有关,土压力系数K随荷载离墙顶水平距离的增大而减小,随荷载的增大而增大。     

基于完整锚杆动测技术的围岩质量识别研究

完整锚杆系统是由完整的锚杆杆体、饱满的锚固介质以及围岩组成的有机体系。在描述锚杆低应变动力响应的数学力学模型中,将锚固介质与围岩对锚杆体的作用简化为沿杆长均匀分布的杆侧弹性系数与阻尼系数,以及均匀分布在杆底的刚度系数与阻尼系数,即锚杆系统的动力参数。它们不仅表征了锚杆锚固质量,而且体现出锚杆所处围岩的物理参数。通过建立围岩物理参数与完整锚杆系统动力参数的映射关系,可以对围岩质量进行识别。为此,建立了完整锚杆三维轴对称有限元计算模型,得到不同的围岩物理力学参数所对应的锚杆杆顶速度响应;根据完整锚杆低应变动力响应理论解和遗传算法建立了完整锚杆动力参数的识别方法;通过对不同围岩下完整锚杆的数值模拟结果的动力参数识别,建立了杆侧弹性系数与围岩变形模量之间的关系式,提出了一种基于完整锚杆动测技术的围岩质量识别方法。     

土的冻结温度与过冷温度试验研究

通过不同降温条件的冻结试验,明确了土中出现过冷的条件。当环境温度高于土的最低过冷温度时,土表现出稳定的过冷状态;当环境温度低于最低过冷温度时,边界出现短暂过冷,而土样内部不出现过冷。通过分级降温的方法测定了不同含水率的粉质黏土和细砂以及不同NaCl浓度的粉质黏土的冻结温度和最低过冷温度。当含水率等于或高于饱和含水率时,含水率对冻结温度影响不大;当含水率低于饱和含水率时,冻结温度随含水率减小而降低;不同含水率土样的最低过冷温度相差不大;冻结温度降低随NaCl浓度增大的比例系数与理想稀溶液中水的凝固点降低系数非常接近。结合稳定冻结时间、冻结温度、环境温度或最低过冷温度引入了能间接反映自由水含量的指标。