循环交通荷载下软土路基长期沉降理论解

基于循环交通荷载下软黏土累积塑性变形、累积孔压经验公式与分层总和法结合的方法,通过计算不排水循环累积塑性变形引起的沉降和不排水循环累积孔压消散引起的固结沉降叠加,建立了一个软土路基长期沉降拟静力计算模型。对交通荷载应力路径下的软黏土空心圆柱扭剪试验数据分析,获得了不排水累积塑性应变模型和不排水累积孔压公式的参数。基于弹性理论解积分计算交通荷载下路基中的动应力,再结合分层总和法计算了路基沉降与循环周次的关系。通过工程实例分析,对比了计算沉降结果与实测结果并与以往理论分析结果,验证了所建立模型的合理性。     

部分排水时饱和粉质黏土变围压循环三轴试验研究

围压循环变化将引起土体孔压累积,加剧土体累积塑性应变,导致地基灾变事故。为研究围压循环变化对饱和粉质黏土变形特性的影响,利用GDS双向振动三轴仪,进行部分排水时饱和粉质黏土的变围压循环三轴试验,研究不同应力路径斜率和循环动应力比时饱和粉质黏土的孔压、轴向累积塑性应变和体应变发展规律,建立部分排水条件时考虑循环围压和循环动应力耦合作用的地基粉质黏土累积应变数学模型。试验结果表明：部分排水时饱和粉质黏土孔压、轴向累积塑性应变和体应变均随循环动应力比和应力路径斜率的增大而增大;动孔压比随着振动次数的增加明显分为急剧增加、快速下降和持续平稳3个阶段;轴向累积塑性应变和体应变均随振动次数的增加而增大。当加载次数超过2 500次时,粉质黏土孔压趋于平稳,变形速率略有降低,但变形持续增加。补充试验结果表明,所建立模型与试验结果具有较高的一致性。研究结果将为交通循环荷载导致的地基灾变控制技术提供理论依据。     

车辆荷载作用下风积沙和砾类土低路堤响应差异性研究

风积沙和砾类土是新疆绿洲–荒漠区常用的路基填料,为探明车辆荷载作用下风积沙和砾类土低路堤应力和应变响应的差异,分别采用风积沙和砾类土作为填料建立低路堤1∶1足尺模型,进行了地基含水率分别为18%、23%和28%的静载、短时动载和长时动载作用下低路堤模型试验。试验结果表明,长时动载作用下低路堤应力和应变最大,短时动载作用下应力和应变最小。静载、短时动载和长时动载作用下砾类土和风积沙低路堤的应力均随着深度的增加而衰减,砾类土低路堤衰减速度较快。距路基顶面0.6~1.0 m处存在应力响应分界点,路基顶面至分界点段砾类土低路堤的应力大于风积沙低路堤,分界点以下风积沙低路堤的应力大于砾类土低路堤。砾类土低路堤各结构层的应变均小于风积沙低路堤,随着地基含水率的增加风积沙低路堤地基部分应变增加值较大。     

车辆荷载作用下路堤高度对高速公路软基沉降的影响分析

基于车辆荷载的特点和我国车辆普遍超载的现状,采用将车辆荷载简化为静荷载的拟静力计算方法,以4个工程实例分析了路堤高度对由车辆荷载引起的高速公路软土地基沉降的影响。研究结果表明,由车辆荷载引起的软土地基沉降量随路堤高度的降低呈指数关系增大,增加路堤的高度是减小该沉降量的有效方法。在某一路堤高度范围内,高速公路可能存在一个最佳路堤高度,低于或高于这个最佳路堤高度,由车辆荷载引起的地基沉降量都大于最佳路堤高度下的地基沉降量,这个最佳路堤高度存在与否以及其具体高度与车辆荷载大小和地基土的性质有关。     

低幅值高循环荷载作用下土体的应变累积模型

高速铁路路基上的轨道以及附近区域的结构物承受低幅值、高循环振动荷载的反复作用。在此低幅值、高循环荷载作用下土体会产生不可恢复的应变累积,导致轨道及附近区域结构物发生附加沉降。当前,描述土体的循环变形特征的理论分为两类：一类是基于经典塑性理论的应力-应变滞回模型（例如边界面模型）,另一类是基于循环三轴试验经验规律的应变累积模型（例如Bochum累积模型）。为了能够预测土体在低幅值、高循环荷载作用下的应变累积行为,在前人对土体在低幅值、高循环荷载作用下大量试验研究的基础上,在经典弹塑性理论的框架下,提出一个土体在低幅值、高循环荷载作用下的应变累积模型。该模型通过用对数律来描述塑性体应变的累积规律,并以此作为应变累积的大小度量,然后通过修正Cam-clay模型的流动准则来描述应变累积的发展方向。最后,通过多组试验结果的模拟,表明所提出的应变累积模型能够较好地预测土体在低幅值、高循环荷载作用下的应变累积行为,具有广泛的应用前景。     

交通荷载作用下公路软土地基长期沉降的计算

合理预测公路软土地基在交通荷载作用下产生的长期沉降,对公路的设计有着重要的指导作用。基于以往试验规律的分析,提出了一个较为合理地描述软土在长期重复荷载作用下残余变形发展过程的经验模型。通过对上海软土的循环三轴试验的模拟,初步验证了模型的合理性。对于工程边值问题,首先,根据拟静力法将交通荷载视为长期重复作用的静分布力;其次,采用弹性层状体系理论计算交通荷载在地基中引起的附加动应力;最后,将提出的模型用于计算各土层的残余应变,并沿深度对应变积分得到沉降。以日本Saga机场公路为例,说明了公路软土地基沉降的简化计算方法的有效性。     

交通荷载下软土地基长期沉降的有限元法

软土地基在交通荷载作用下的长期沉降是决定软土地区交通设施耐久性的关键因素。为合理地预测该部分沉降,提出了一个适用于交通荷载长期作用下的饱和软土累积变形（残余体变和残余剪切变形）计算的经验公式。该模型采用一个反映排水条件的参数描述不同的排水条件对残余体变发展过程的影响。通过采用体变硬化模式,考虑部分排水条件对残余体积变形和残余剪切变形发展过程的影响。基于该经验模型,发展了有限元实用计算方法,编制了相应的程序ROAD2D。通过对实际边值问题的计算,验证了该模型和计算方法的合理性和有效性。分析结果表明,与部分排水路段相比,排水不畅的路段在交通荷载长期作用下将出现更大的地基沉降和侧向挤出,其变形模式更不利于路面的正常使用。     

循环荷载下饱和软黏土的累积塑性应变试验研究

通过以交通荷载为背景的饱和重塑软黏土室内不排水动三轴试验,研究了循环荷载作用下饱和重塑软黏土的累积塑性应变发展形态,可分为3种类型：稳定型、破坏型和临界型。根据稳定型累积塑性应变发展曲线特点,提出了饱和软黏土的稳定累积塑性应变方程,并通过试验结果分析了该方程中各拟合参数与动应力幅值、固结围压和静偏应力的变化规律,同时提出了求解无静偏应力条件下软黏土临界动应力的解析方法。通过动三轴试验结果,提出了含动应力幅值、固结围压、静偏应力和循环周次等影响因素的累积塑性应变拟合模型。     

部分排水时饱和粉质黏土变围压循环三轴试验研究

围压循环变化将引起土体孔压累积,加剧土体累积塑性应变,导致地基灾变事故。为研究围压循环变化对饱和粉质黏土变形特性的影响,利用GDS双向振动三轴仪,进行部分排水时饱和粉质黏土的变围压循环三轴试验,研究不同应力路径斜率和循环动应力比时饱和粉质黏土的孔压、轴向累积塑性应变和体应变发展规律,建立部分排水条件时考虑循环围压和循环动应力耦合作用的地基粉质黏土累积应变数学模型。试验结果表明:部分排水时饱和粉质黏土孔压、轴向累积塑性应变和体应变均随循环动应力比和应力路径斜率的增大而增大;动孔压比随着振动次数的增加明显分为急剧增加、快速下降和持续平稳三个阶段;轴向累积塑性应变和体应变均随振动次数的增加而增大。当加载次数超过2500次时,粉质黏土孔压趋于平稳,变形速率略有降低,但变形持续增加;补充试验结果表明,所建立模型与试验结果具有较高的一致性。研究结果将为交通循环荷载导致的地基灾变控制技术提供理论依据。     

部分排水时饱和粉质黏土变围压循环三轴试验研究

围压循环变化将引起土体孔压累积,加剧土体累积塑性应变,导致地基灾变事故。为研究围压循环变化对饱和粉质黏土变形特性的影响,利用GDS双向振动三轴仪,进行部分排水时饱和粉质黏土的变围压循环三轴试验,研究不同应力路径斜率和循环动应力比时饱和粉质黏土的孔压、轴向累积塑性应变和体应变发展规律,建立部分排水条件时考虑循环围压和循环动应力耦合作用的地基粉质黏土累积应变数学模型。试验结果表明:部分排水时饱和粉质黏土孔压、轴向累积塑性应变和体应变均随循环动应力比和应力路径斜率的增大而增大;动孔压比随着振动次数的增加明显分为急剧增加、快速下降和持续平稳三个阶段;轴向累积塑性应变和体应变均随振动次数的增加而增大。当加载次数超过2500次时,粉质黏土孔压趋于平稳,变形速率略有降低,但变形持续增加;补充试验结果表明,所建立模型与试验结果具有较高的一致性。研究结果将为交通循环荷载导致的地基灾变控制技术提供理论依据。     

饱和悬浮塑料砂流动变形可视环剪试验研究

为了分析剪切条件下零有效应力状态砂土的流动变形规律,对传统环剪仪进行了试样可视化改造,研制了透明环形剪切盒,通过对剪切盒膨胀性能分析及与标准砂的剪切试验对比,验证了环剪装置改造的合理性。通过分析不排水条件下饱和悬浮塑料砂的剪应力-应变曲线,发现其剪切强度具有应变软化的特性。通过分析环剪仪中饱和悬浮塑料砂试样的有效应力,证实了可视环剪试验中的土体基本处于零有效应力状态。开展了饱和悬浮塑料砂的流动变形可视环剪试验研究,结果表明：饱和悬浮塑料砂在固结不排水条件下剪切变形不连续,直接在剪切面发生断裂;在不固结不排水的条件下饱和悬浮塑料砂的剪切变形表现出流动形态,且与剪切速率有关：在低剪切速率下,剪切变形仅在剪切面处形成具有曲线轨迹的流动变形而在其他区域不发生变形;而在高剪切速率下剪切变形为整体的倾斜变形,符合黏性流体的流动变形特征。     

描述饱和黏性土应变软化的弹塑性双面模型

常规三轴压缩试验中具有较强结构性的黏性土在围压较低时其应力−应变关系会呈现应变软化现象,一般还伴有塑性变形,通常土体内部结构损伤是应变软化产生的主要原因。考虑到采用经典塑性理论描述材料的应变软化不仅会违背 Drucker 的稳定性假设,而且也不能描述卸载塑性。因此,基于修正剑桥模型及 Li 和 Meissner 提出的塑性硬化准则,建立了一个描述饱和黏性土不排水应变软化的弹塑性双面模型。该模型以应力−应变曲线的峰值点分界,将应变硬化和应变软化分别作为独立的加载事件进行分析,同时引入新的结构性参数表征剪切过程中土体结构损伤导致的塑性刚度衰退。对不同固结状态饱和结构性黏土的三轴固结不排水压缩试验结果的模拟表明,所建模型能够较好地描述饱和黏性土的不排水应变软化特性。     

陇东Q3结构性黄土压剪损伤本构模型试验研究

Q3黄土在我国西北地区分布广泛,且大部分都具有显著的结构性。随着国家“一带一路”倡议的不断向前推进,作为丝路沿线的西北黄土分布地区将迎来新的建设大潮。黄土的结构变形特性非常复杂,深入研究黄土在压缩、剪切条件下的结构损伤变形特性,并依此构建黄土的本构关系在理论研究及现场工程应用中具有非常重要的意义。通过对黄土进行均等压缩试验及三轴剪切试验,基于损伤力学思想,提出黄土结构在均等压缩条件下的平均正应力损伤比,在剪切条件下的平均正应力损伤比及偏应力损伤比。根据弹性、塑性应变确定塑性势线,进而确定其屈服函数;将确定的黄土结构损伤比引入到屈服函数中,得到一定结构损伤时黄土的屈服函数表达式;验证了选取塑性体应变作为本构模型硬化参量的合理性;根据硬化参量与相关试验参数的联系,推导出结构性黄土在压剪条件下的损伤本构模型。经过实测应力-应变曲线与本构模型推算得到的应力-应变曲线对比可知,所建立的本构模型可以较好地反映黄土在压剪条件下结构损伤演化变形过程,具有较好的工程应用前景。     

Delayed plastic model for time‐dependent behaviour of materials

A delayed plastic model, based on the theory of plasticity, is proposed to represent the time‐dependent behaviour of materials. It is assumed in this model that the stress can lie outside the yield surface and the conjugate stress called static stress is defined on the yield surface. The stress–strain relation is calculated based on the plastic theory embedding the static stress. Thus, the stress–strain relation of the model practically corresponds to that of the inviscid elastoplastic model under fairly low rate deformation. The delayed plastic model is coupled with the Cam‐clay model for normally consolidated clays. The performance of the model is then examined by comparing the model predictions with reported time‐dependent behaviour of clays under undrained triaxial conditions. It is shown that the model is capable of predicting the effect of strain rate during undrained shear and the undrained creep behaviour including creep rupture. Copyright © 2001 John Wiley & Sons, Ltd.     

考虑应变局部化的粗粒料剪切损伤力学机制

针对粗粒料的应变软化、剪胀等力学特性,通过考虑以剪切带为标志的应变局部化现象,建立了具有广泛适用性的剪切损伤力学模型。损伤模型采用了包体理论中的剪切带数学简化,基于应变等价原理、Weibull分布,推导了粗粒料的应力-应变关系方程。从剪胀作用的机制出发,提出可以描述剪胀弱化的轴向塑性应变和体积塑性应变的非线性函数关系。结合粗粒料三轴压缩试验中的伺服过程,提出了基于遗传算法的损伤模型参数确定方法。通过开展不同围压下的粗粒料三轴压缩试验,对剪切损伤力学模型进行验证,进一步分析了参数演化对粗粒料强度和变形特征的影响。研究结果表明,考虑应变局部化特征的剪切损伤力学模型可以高精度的模拟粗粒料的应变软化和剪胀等特征,有效揭示剪切带内部变形对试样整体宏观变形的影响机制,模型中剪切带参数和围压的关系与粗粒料细观机制一致,计算得到强度组成与颗粒破碎、重组特征较为吻合。     

考虑残余体应变的土石坝地震永久变形分析

地震永久变形是评价土石坝抗震稳定性的一个重要依据,其合理计算需要同时考虑材料的残余体积应变和残余剪切应变的影响。因此,在过去提出的永久变形等效节点力计算方法的基础上,通过考虑剪切压缩耦合作用来反映残余体积应变对地震永久变形的影响,并推导了相应的模量矩阵,明确了参数选择和计算步骤。对典型单元体的残余变形模式进行了分析,计算得到的剪切应变和体积应变大小均与理论值相符,验证了模量矩阵的可靠性。在此基础上,对心墙堆石坝和面板堆石坝的算例进行了计算,重点分析了竖直向、顺河向和横河向3个方向永久变形分布,并与实测规律进行比较。计算结果表明,考虑残余体应变之后,所提方法能够反映土石坝地震永久变形以沉降为主、水平变形相对较小的特点,可更为合理地反映地震永久变形的规律。     

基于Hoek-Brown准则的隧洞围岩变形研究

由于在许多实际条件下,比如节理岩体中,线性的M-C准则不太适用,非线性的Hoek-Brown比较适用,因此,可以尝试使用这一非线性屈服准则对洞室变形进行研究。研究隧洞变形时,将围岩分为弹性区、应变软化区、塑性流动区。采用Hoek-Brown准则和非关联流动法则对洞室变形进行了理论推导;软化区域围岩参数随着塑性变形增加而变化,解析法难以求得应力,采用龙格－库塔方法进行数值计算,求解得到塑性软化区和流动区半径,并最终求得洞室变形。通过算例计算表明,在不考虑软化区和流动区时,方法和Carranza-Torres计算结果相差甚小;随着原岩应力的增加,膨胀角对洞室变形的影响增大。     

天然气水合物注热开采近井储层变形破坏的数值模拟研究

为了研究海洋地层中天然气水合物注热开采条件下,水合物沉积层近井储层的力学性质变化规律和变形破坏规律,基于多场耦合理论,考虑水合物分解产生的水、气形成的超静孔隙压力对地层有效应力的影响,建立了能够反映水合物注热分解条件下水合物沉积层温度场、渗流场和变形场耦合作用关系的热流固耦合弹塑性模型,并以ABAQUS软件为开发平台,在Fortran语言环境下编制子程序进行数值模拟。结果表明:注热温度越高,近井储层力学性质劣化的区域与有效应力减小的幅度越大,发生塑性变形破坏的范围和产生的等效塑性应变值也越大;井口最小水平地应力方向的有效应力值最小,等效塑性应变值和体积应变值最大,是首先发生变形破坏的关键位置;井口同一位置的有效应力随注热温度的升高而减小,而体积应变则随注热温度的升高而增大。