盐溶液饱和黏土的力学行为模拟

由于黏性土表面带有丰富的负电荷,孔隙水溶液化学状态的变化对黏性土的物理力学特性存在明显影响。随着化学-力学耦合的相关岩土工程问题日益突出,进行有效的化学-力学耦合行为的数值分析评价显得尤为重要。因此,建立一个简单有效的考虑化学-力学耦合的本构模型是非常关键的。基于传统的修正剑桥模型,提出了一个简单的化学-力学耦合模型。该模型采用渗透吸力π描述孔隙水的化学状态,建立了前期屈服应力,临界状态线斜率M和弹性刚度与渗透吸力π之间的关系式,从而实现了模型对盐溶液饱和黏性土的变形和强度特性的有效模拟。通过与试验数据的对比和分析,说明该模型能有效地模拟孔隙盐溶液饱和黏性土的等向压缩行为、 状态下压缩行为以及 状态下化学-力学循环加载行为。此外,通过对黏性土三轴压缩试验的模拟,说明该模型能反映黏性土三轴应力状态下的基本力学特征。     

不同状态下黏性土剪切蠕变行为对比分析

低速滑坡的缓慢活动特征受其滑带岩土的蠕变行为控制。但是,新生型低速滑坡和复活型低速滑坡滑带岩土的蠕变行为显然分属于峰前状态和残余状态下的蠕变行为。两种状态下滑带岩土蠕变行为有何差异,国内外尚无明确认识。为此,本文以取自两个典型巨型低速滑坡——甘肃舟曲泄流坡滑坡和锁儿头滑坡滑带的含角砾黏性土为研究对象,分别采用直接剪切蠕变试验和直剪反复剪后的直剪蠕变试验方法,对比研究了峰前状态和残余状态下黏性土的剪切蠕变行为。研究发现,峰前状态和残余状态下,黏性土剪切蠕变均呈现阶段性,各阶段转换的临界剪应力均与正应力水平和角砾含量正相关。但是,峰前状态下黏性土蠕变具有明显的稳定蠕变阶段;残余状态下黏性土蠕变缺失这一阶段;前者加速蠕变临界剪应力大于后者、但小于峰值强度,后者加速蠕变临界剪应力略微大于残余强度。两种状态下,黏性土蠕变行为差异的根本原因在于土体内部的不同结构。     

无黏性土压缩模型及其验证

土体本构模型的建立往往需要以等向压缩模型为基础。通过对无黏性土等向压缩特性的分析,发现无黏性土等向压缩状态下压缩指数的大小与当前孔隙比和球应力密切相关,进而提出了以当前孔隙比和球应力为变量的可分离函数表示的压缩指数表达式。在此基础上得到一个可以描述无黏性土压缩特性的三参数压缩模型。与试验数据的对比表明,该模型能够较好地拟合不同初始孔隙比下无黏性土等向压缩试验的孔隙比-应力关系。与以极限压缩曲线为参考线建立的压缩模型相比,在拟合低应力区无黏性土的孔隙比-应力关系时,提出的新模型更具有实用性。新模型也可为无黏性土建立本构模型提供基础。     

软土地层基坑开挖扰动及土体再压缩变形研究

软土地层基坑开挖会对坑底土体产生严重扰动,受开挖扰动影响,坑底土体应力状态和力学性质将发生变化。因此,正确评价开挖扰动程度及扰动对土体工程性质的影响十分重要。通过对现有施工扰动评价方法的总结,以太湖隧道基坑工程为例,采用有限元模拟方法研究了不同开挖深度下坑底中心土体扰动度分布规律及强扰动区深度。进一步,以不排水抗剪强度为评价指标,建立了基于孔压静力触探(CPTU)锥尖阻力的黏性土开挖扰动评价方法,并与有限元扰动评价结果进行了对比,取得了较为一致的结果。最后,采用考虑土体扰动的沉降计算方法,结合有限元扰动度计算结果,对不同基底附加应力下坑底扰动土体的沉降变形进行了计算。计算结果表明,扰动会显著增加地基沉降量,当基底附加应力从100 kPa增加至150 kPa时,考虑土体扰动的地基沉降量与不考虑土体扰动的地基沉降量比值将从1.43增加至2.24。     

关于“对‘黏性土的非极限主动土压力计算方法研究’的讨论”的答复

<正>土压力计算理论研究是土力学的经典课题之一。"黏性土的非极限主动土压力计算方法研究"[1](以下简称原文)基于黏性土的应力摩尔圆推导了非极限状态时黏性土的主动土压力计算公式,并通过已有的试验数据对比证明了公式的实用性。感谢赵琦等对作者稿件进行了细致地阅读和评述[2](以下简称讨论文),本文将对讨论文中提出的问题进行说明。(1)原文中有关张拉裂缝的讨论的确,对于黏性土而言,计算墙后的土压力是需要考虑张拉裂缝的影响的。从黏性土的朗肯主动     

黏性土填料下考虑土拱效应的挡土墙被动土压力计算

为解释挡土墙后填土被动土压力的非线性分布现象,在考虑土拱形状为圆弧,滑裂面采用朗肯滑裂面的基础上,给出考虑土拱效应的被动土压力系数Kawn,进而基于应力状态法及土楔形体静力平衡两种思想求解了竖向平均应力 公式,在该基础上,给出黏性土填料下的挡土墙被动土压力分布公式、合力公式及作用点高度计算公式。通过与试验与其他方法对比,文中提出的方法得到验证。最后,研究了黏性土填料下的挡土墙被动土压力变化规律,即考虑土拱效应求得的黏性土填料的被动土压力分布呈现上小下大的指数型分布。此外,随着δ/φ（δ为墙土摩擦角,φ为内摩擦角）的增大,土拱效应逐渐增强,土压力合力点逐渐降低。     

黏性土的非极限主动土压力计算方法研究

经典土压力理论只能计算挡土墙位移达到极限状态时的土压力。为了更贴近工程实际,需要发展非极性土压力理论,但以往的研究仅限于砂土。对于黏性土的非极限主动土压力,在已有成果的基础上,从黏性土的应力莫尔圆出发,推导了介于初始状态和极限主动状态之间的中间状态时,黏性土的内摩擦角? 随墙体位移变化的关系公式;同时考虑了墙土接触面上外摩擦角? 和黏聚力cw的影响,根据黏性土应力莫尔圆的几何关系得到了土体黏聚力c与墙体位移的关系;最后应用水平分层法求得了非极限状态时黏性土的主动土压力计算公式。与模型试验数据的对比分析表明,理论计算值和试验实测值基本吻合。研究表明,计算方法对于计算黏性土在非极限状态时的主动土压力具有一定的理论意义,在实际工程中也具有相应的实用价值。     

天津滨海地区晚新生代地层自然固结与地面沉降研究

天津滨海地区地处渤海湾西岸,晚新生代沉积了巨厚的松散沉积物。地下水位下降、地层自然固结、地表载荷的加速增长等复合因素造成了严重的地面沉降。利用在天津滨海新区塘沽地区施工的一眼1 226 m全取芯钻孔,通过原状样品测试分析,系统研究了晚新生代土层的物理力学性质、黏性土固结特征,并结合欠固结黏性土层沉降量计算等方法阐述了土层固结状态空间特征,探讨了土层固结特征与地面沉降的相关关系。结果表明：该地区0～100 m深度土层具有低天然密度、高孔隙比、高含水率、高压缩性等特点,表现出软土的性质,在地表荷载增大的情况下,易发生地面沉降;100～550 m的黏性土大都处于超固结和微超固结状态,主要是由于过去地下水的大量开采造成的;550 m以下的黏性土多为正常固结,局部存在欠固结黏性土夹层。钻孔中存在合计约218 m的欠固结黏性土夹层,这些欠固结黏性土夹层在自重应力下的最终沉降量为1 985 mm,沉降量最大的土层对应于第1、6含水组,分别达614 mm和665 mm,这一沉降过程完成所需时间为数十年甚至上百年。     

考虑抗拉强度的黏性填土挡土墙主动土压力计算

挡土墙后黏性土处于主动土压力状态时,墙顶一定深度范围内会产生裂缝,使其较大范围形成零压力区即开裂深度,关于开裂深度问题一直没有得到很好解决。针对变分法求解黏性填土主动土压力中未考虑裂缝的情况,通过一个算例说明了黏性填土表面在主动土压力状态下会产生裂缝。采用折线简化摩尔?库仑强度包络线,利用实际的土体抗拉强度推导了墙背土体开裂深度的计算公式。根据滑裂面上端点的应力边界状态和几何边界条件,对土压力变分计算方法进行了改进,使主动土压力的不确定问题变成了确定性问题。分析了填土内摩擦角、黏聚力、抗拉强度对开裂深度的影响,结果表明,随着内摩擦角和内聚力的增大,土体开裂深度逐渐增加,滑裂面向墙背方法偏移,土压力减小;随着土体抗拉强度的增加,开裂深度逐渐减小,土压力减小,当抗拉强度大到足以抵抗土体的开裂破坏,墙后土体开裂深度为0,这时土压力不再受抗拉强度的影响。     

基于扰动状态理论的软土压缩变形试验

基于扰动状态理论对漳州和东莞软土扰动样和重塑样单向压缩变形的结构性特征进行了分析,利用重塑样试验数据还原了原状样的压缩曲线,将变形中的土体视为相对完整状态和完全调整状态的混合物,定义原状土样为相对完整状态、重塑土样为完全调整状态,且分别用土弹性模型和修正剑桥模型表达,扰动函数与荷载对数具有较好的幂函数关系,因此建立了土体应力应变关系扰动状态模型,并通过压缩试验结果对模型合理性进行了验证。结果表明,该模型能较好地描述土体压缩变形特性,且参数确定简单易行,为软土地基工程沉降分析提供了一定参考。     

基于Mindlin解的土压力位移计算模型

以不同土压力状态与静止土压力状态时的压力差值计算分布力,基于Mindlin应变解建立了任意土压力变化下的土体侧向位移计算模型,计算得到土体达到主动极限状态下土体位移和达到被动极限状态下的土体位移。通过编制的程序研究了不同计算参数对土体达到主（被）动极限状态下土体位移的影响规律,包括土的内摩擦角、黏聚力、计算深度、计算宽度等,研究了土体主动极限位移和达到被动极限位移相关性规律。通过模型试验的实测资料验证了土压力位移计算模型的有效性和合理性。利用计算模型可以得到不同位移限值要求下的侧向土压力,从而为不同工程中土压力的合理取值提供了理论依据。     

非饱和土三轴压缩应力路径试验的数值模拟研究

应力路径对土的强度和变形性质具有重要影响。相对于饱和土而言,控制吸力条件下的非饱和土三轴压缩状态的应力路径研究更加复杂。随着非饱和土本构理论的不断发展,理论和试验研究结果表明,非饱和土弹塑性本构模型可以用来近似地描述非饱和土的强度和变形性质。因而,运用非饱和土弹塑性本构模型对控制吸力条件下的3种非饱和土三轴压缩应力路径试验进行数值模拟是一种有效的理论研究手段。采用Barcelona模型能够对此类试验进行较好的数值模拟,其研究结果表明,在控制吸力条件的三轴压缩状态下应力路径对非饱和土的强度和变形性质具有重要影响。     

冻结黏土卸载状态下双屈服面流变本构关系研究

卸载状态下冻土三轴蠕变试验结果表明,冻土具有明显的剪胀性,且体积应变不能忽略。为了全面反映冻土在卸载状态下的蠕变变形规律,以简单的黏弹塑模型为基本流变元件,提出了冻土服从椭圆-DP双屈服面流变本构力学模型。通过有限元程序的二次开发,将该模型嵌入到ADINA有限元程序中。对冻土三轴蠕变试验过程进行了数值模拟表明,椭圆-DP型双屈服面本构力学模型能够较好地反映冻土的剪胀性和体积应变等变形性质,数值模拟和试验结果吻合良好,可为冻土工程数值计算提供参考。     

基于微观力学机制的各向异性结构性砂土的本构模型研究

在岩土破损力学基础上,基于微观破损机制,提出了考虑各向异性的结构性砂土本构理论。采用Lade-Duncan强度准则考虑中主应力对抗剪强度的影响;采用考虑颗粒排列组构的各向异性状态变量A反映各向异性对土体强度和变形的影响;通过相似扩大重塑土的屈服面反映结构性对土性的影响;通过引入非相关联流动法则考虑各向异性和结构性对土体塑性变形的影响。同时,将基于微观力学机制的损伤演化规律引入结构性土的硬化规律;该硬化规律同时考虑了塑性体积应变和剪切应变对各向异性结构性土强度的影响。然后将该模型用于模拟室内三轴压缩试验,初步验证了该模型的合理性和适用性。     

基于桩土界面摩擦特性和桩周土体应力状态的基桩极限侧阻力分析

结合基桩承载过程中的桩周土体应力状态分析和桩土界面摩擦特性分析,推导出基于土体应力状态的沿桩土界面的土体抗剪强度计算模型和基于界面摩擦特性的界面抗剪强度计算模型。通过对比土体抗剪强度和界面抗剪强度,推导出受该两种强度耦合作用影响的极限侧阻力计算模型,并用上海某工程算例验证该模型的合理性和可行性,同时利用该模型分析不同类型的土的极限侧阻力随埋深的分布规律。结果显示：因内摩擦角和侧压力系数之间的不同关系,极限侧阻力随埋深表现出不同的分布特点,在特定关系下,存在一个临界深度,超过该深度极限侧阻力维持在一个稳定值甚至不断减小直至为零。     

宏-细观结合的砂土单剪试验非共轴特性分析

针对传统本构理论无法描述土体单剪试验非共轴变形的不足,采用非共轴修正模型进行改进。模型基于材料状态相关临界状态理论,采用宏-细观结合的方法,将1个新的各向异性状态变量引入本构模型来描述砂土的各向异性。考虑细观组构张量和应力张量的几何关系的变化,模型可以描述砂土在主应力轴旋转条件下材料状态的变化,材料状态变化直接导致模型的硬化规律和剪胀性发生变化,因此,模型可以描述该条件下原生向异性对砂土变形的影响。引入非共轴理论对本构模型进行修正,建立了三维非共轴各向异性模型。单剪试验的加载条件会造成主应力轴相对土体沉积面发生旋转,修正模型不但能够描述砂土在主应力轴旋转条件下其原生各向异性对变形的影响,而且可以描述主应力轴旋转造成的应力诱发各向异性对土体变形的影响,因此,该模型能够对整个单剪试验的变形规律进行描述,而且物理意义清晰。通过铝棒堆积体和Toyoura砂单剪试验验证表明,非共轴修正各向异性模型能对单剪试验的整个变形过程进行较好的模拟。     

考虑渐近状态特性的超固结土本构模型

基于超固结土的UH模型,结合渐近状态概念,将适用于饱和砂土的渐近状态本构模型推广为考虑渐近状态特性的超固结土本构模型,用于描述土的超固结性和渐近状态特性。通过采用变换应力方法实现了模型的三维化。新提出的本构模型简单、参数较少,与剑桥模型相比,仅增加了一个材料参数,即伏斯列夫面斜率。该模型能够合理反映超固结土的硬化、软化、临界状态、剪缩、剪胀、应力路径依赖性、渐近状态等特性。     

复合土钉墙支护模型及在深大基坑工程中的应用

土钉墙是用于基坑开挖和边坡稳定的一种挡土结构,将土钉与预应力锚杆结合形成复合土钉墙结构。根据土钉、预应力锚杆和土体的联合作用机理,提出钉-锚-土联合作用模型模拟复合土钉墙的支护锚固效应。将该力学模型用于指导设计一深大基坑支护工程,使基坑支护设计方案得到显著优化,确保了基坑开挖稳定和周边环境的安全,基坑支护获得圆满成功。