饱和砂土爆炸液化特性研究

基于有效应力动力分析法,在Byrne有效应力弹塑性模型的基础上,提出了一个能够考虑主应力轴旋转、饱和砂土含有少量气体、饱和砂土液化后的应变软化和应力重分布特性的弹塑性模型。将该模型编制成分析模块,并与通用岩土分析软件FLAC接口,进而对饱和砂土分别在单点、两点（微差）和多点（微差）爆炸地震波荷载作用下进行数值模拟分析,分别考虑了水平、微倾以及斜坡场地等3种工况,并且对爆炸地震波荷载与天然地震波荷载作用下饱和砂土的动力特性进行了对比研究。数值模拟结果表明,该模型能够很好地表现饱和砂土的爆炸液化气特性;不同动载和不同场地条件下,饱和砂土表现的动力特性以及液化行为也不尽相同。     

饱和钙质砂爆炸密实动力特性试验研究

开展饱和钙质砂爆炸密实动力特性试验研究,探索饱和钙质砂爆炸密实机制和密实效果,对钙质砂地层中进行的工程建设有重要的理论意义和工程实用价值。通过控制爆炸参数,测试不同参数作用时钙质砂爆炸前后声波特性和表面沉降规律,揭示饱和钙质砂爆炸密实动力特性。试验结果表明：钙质砂高孔隙比和颗粒破碎特性对爆炸密实效果有重要影响。爆炸密实作用后,在爆炸近区,钙质砂颗粒受到较强爆炸冲击作用,导致钙质砂颗粒破碎而形成破碎区和压缩区,压缩区随着时间的推移有松弛的趋势,钙质砂颗粒结构重新固结过程在爆炸后2 h内基本完成。     

饱和土动力反应中两类压缩波的独立作用分析

饱和土动力反应中存在2种类型的压缩波，它们有不同的特性，第1类压缩波类似于单相体中的压缩波；第2类压缩波由于有粘滞阻尼而衰减很快，由于数学分析和实验观测的复杂性，这两类压缩波在饱和土动力反应中的独立作用并不为人熟知，沿有J.Yang提出的方法求解基岩上的饱和土层在地表受到竖向均布简谐荷载作用下的稳态反应，通过分离变量得到解析解，定量比较了两类压缩波对土骨架位移、土体总应力、孔隙水压的独立作用。还讨论他粘性和荷载频率对两类压缩波的影响。     

饱和钙质砂爆炸响应动力特性试验研究

钙质砂是一种特殊的海洋沉积物,开展钙质砂在爆炸作用下动力响应特性研究具有重要的理论意义和工程实用价值。通过室内小型爆炸试验,研究饱和钙质砂在爆炸作用下土压力、孔隙水压力和质点振动加速度等参数的变化规律。结果表明：饱和钙质砂中爆炸应力波随距离增大而衰减,但随爆心距增大衰减速度呈减小趋势;随试样相对密度增大爆炸应力波的衰减速度趋缓;爆炸引起的超孔隙水压力在10～30 ms内到达峰值,在前3 min内快速消散,消散幅度达90％以上;双发雷管微差起爆相对于单发起爆,最大单段起爆药量相同,但微差起爆由于爆炸应力波的叠加,使得钙质砂动力响应加剧。与相同试验条件下石英砂爆炸响应对比表明,相同测点处钙质砂动力响应弱于石英砂,应力波在钙质砂中衰减速度远比石英砂快,说明饱和钙质砂对爆炸应力波有着极强的吸收和衰减作用;爆炸近区钙质砂颗粒大量破碎,形成爆炸破碎和压缩区,形成这几个区域所耗损的爆炸冲击能量大约占总能量的25％左右。     

爆炸波在高饱和度饱和土中传播规律的研究

通过在? 2.5×5 m模拟爆炸装置中进行饱和土爆炸试验,得到了变埋深条件下饱和土中的压力实测波形,实测到了冲击波和弹性波,二者之间具有较明显的分界,爆炸近区和远区荷载形式具有较大的区别。通过综合分析给出了饱和土中波的传播规律,揭示饱和土中爆炸冲击波传播时出现流体动力区和冲击波形成等性质,建立了饱和土双线性递增硬化本构关系,确定了由冲击波向弹性波转换的分界压力。     

上海软土地区打入桩基长期沉降性状研究

通过对上海25栋高层建筑打入桩基长期沉降观测资料的对比分析,研究压缩层的组成与桩周土特性对打入桩基长期沉降性状的影响,指出桩周浅部厚砂土层对打入桩基长期沉降性状的影响同压缩层有密切的关系。当压缩层以准砂土为主（准砂土比 ? > 75 %）时,桩周厚砂土层对降低桩基沉降及改善沉降性状有明显作用;当准砂土比? < 50 %（或可塑性黏土比?3 > 50 %）时,桩周厚砂土层的上述作用将消失。即使在桩周存在厚砂土层时,压缩层组成对桩基沉降性状的基本特征起主导作用仍然是具有普遍意义的概念。在浅部厚砂土层中得到的上述研究结果,实际上同挤土桩施工的复杂作用有关。     

基于单相流的减饱和砂土流固耦合改进算法

减饱和法是一种通过减小饱和砂土地基中水的饱和度来处置可液化砂土地基的方法。基于单相流-固耦合理论,将减饱和砂中水-气两相流体等效为单相流体,提出一种可以考虑加载过程中孔隙流体体积模量变化的减饱和砂土静态液化的单相流改进算法,用其进行单调荷载作用下三轴不排水压缩试验数值模拟研究,分析了不同饱和度条件下的减饱和砂土的不排水反应并与饱和砂土三轴不排水试验结果进行对比。研究结果表明,单相流改进算法能够很好地反映减饱和法的抗液化特性。此外,对比不同数值分析方法模拟结果,得出以下结论：采用单相流简化算法分析减饱和砂土的不排水反应时,因为不考虑加载过程中的孔隙流体体积模量变化,所以初始的流体体积模量取值会影响减饱和砂土的强度,初始围压为100 kPa、饱和度为96%的减饱和砂土在单调荷载作用下,气体体积模量取值从100 kPa增加至200 kPa时,减饱和砂试样的峰值偏应力会减小约30%,孔隙压力会增加约40%;通过对比同等条件下的单相流改进算法和两相流算法的应力-应变关系曲线以及饱和度和体积应变变化曲线,两者结果相近,误差在5%以内。综上所述,单相流改进算法是一种较为合理而简洁地模拟减饱和砂土静态液化的计算方法。     

渗透系数对砂土液化震陷影响的数值研究

饱和砂土在地震荷载的作用下往往会产生液化变形,包括竖向震陷和侧向扩展。砂土由于液化的作用,其渗透系数会发生改变,而目前描述砂土液化变形的本构模型均采用常量渗透系数,这是造成自由场地的震陷数值模拟结果低于试验观测值的重要原因之一。利用开源有限元平台Open Sees对饱和砂土的自由场地震陷进行模拟分析,对比离心机模型试验,分析了渗透系数对饱和砂土液化震陷的影响。为进一步提高数值模拟的准确性,采用了适合于动力分析及液化模拟的边界面模型。与固定渗透系数模型相比,最终提出的变渗透系数模型允许液化状态的渗透系数升高为初始值的数倍,该模型模拟结果较好,可以作为从渗透模型角度提高数值模拟精度的近似考虑。通过一系列的模拟和分析发现,采用合理的变渗透系数模型,可在一定程度上提高砂土自由场地地震液化震陷的数值模拟精度。     

饱和粉砂土的动三轴排水试验与计算分析

饱和土在理论上一直以两相饱和孔隙介质模拟,利用Biot饱和孔隙介质动力方程纵波解耦的 (u为波动的振幅位移,p为孔隙水压)解答,结合排水的Somigliana表象积分,能够完成饱和土排水动力反应计算,结果也能在野外试验中验证。为了进一步深入研究饱和土排水的动力特性,设计了室内饱和土动三轴的排水试验,以不同状态饱和粉砂土排水状态下试验的结果,阐述了排水理论计算解答与动三轴试验测试结果的对比分析。最后指出修正后的理论解答与饱和粉砂土的试验测试结果较吻合,并在今后饱和土伴有排水的动力响应分析能在饱和土动力学问题研究中有所应用。     

细粒含量对饱和砂土动弹性模量与阻尼比的影响研究

利用GDS循环三轴试验系统,进行一系列不同细粒含量砂土的不排水动三轴试验,研究细粒含量对饱和砂土动弹性模量与阻尼比的影响。试验结果表明,砂土的动弹性模量随细粒含量的增加而减小,但当超过细粒含量的临界值30%后,变化趋势则相反;阻尼比随着细粒含量的增加呈现先增大后减小的趋势,其细粒含量的临界值也为30%。当细粒含量小于30%时,砂土的动力特性主要由粗粒决定,粗粒间形成的骨架孔隙比随细粒含量的增加而增大,相同应变水平下抵抗变形的能力随之减弱,从而使动弹性模量减小。同时,土颗粒间接触点的减少使应力波在土中传播速度变慢,使得土体对动荷载反应的滞后性增强,阻尼比随之增加;当细粒含量大于30%后,砂土的动力特性主要由细粒决定,细粒间孔隙比随着细粒含量的增加而减小,从而使砂土的动弹性模量与阻尼比呈现出相反的变化趋势     

滑坡冲击作用下的阶地砂质粉土层液化机理

为探究阶地饱和砂质粉土在黄土滑坡冲击荷载作用下的力学机理,选取泾阳南塬典型黄土滑坡LD37为研究对象。通过基本性质测试获取了阶地砂质粉土的物理、水理、颗粒级配和矿物组分等指标。采用自制冲击设备进行了3种饱和度条件下的冲击试验,并对水分迁移和剪切强度变化等问题进行了分析,在此基础上探讨了冲击液化机理。结果表明:冲击荷载会使砂质粉土内部的总应力与孔隙水压力剧增,在应力波的作用下,出现多个峰值,且孔隙水压力在1 s内难以完全消散;80%与90%饱和度的砂质粉土受冲击会在深度方向上形成不同程度的液化,而70%饱和度的砂质粉土受冲击后沿深度方向并未发生液化;砂质粉土发生冲击液化时下部水分会向上部迁移,导致其上部土层含水率骤增,剪切强度骤减;冲击液化过程可划分为初始阶段、冲击挤压阶段和冲击回弹阶段。砂质粉土的冲击液化机理是一种由于快速冲压土体的不排水行为,导致其颗粒原始骨架结构破坏重组,从而引起其内部孔压快速积累的一种液化行为。     

土岩介质中的爆破及其力学效应

爆炸物在土岩介质中激发引爆,爆炸波一瞬间就在土岩介质中传播.这种瞬时加荷引起土体或岩体变形、破坏和振动是爆破过程的普遍特征.这一过程受许多因素的影响:例如介质的物理力学特性,爆源的埋没深度,爆炸物的性质,爆炸体的大小和结构,起爆方式,爆破作用指数等等.     

BLASTING AND ITS MECHANICAL EFFECTS IN SOIL AND ROCK MEDIA

In this paper ,the following items are diseased evaluated and numerically related ;theory of blasting in soil and media .the classification and criteria of classification of soil and under dynamic loading ,the characteristics and the affecting zones of stress wave propagation and their relationship with properties of soil and rock ,and the failure zones resulted from contained blasting etc. Problems related to the effect of carity-ratio on stress –wave distribution characteristics along the charge axis under open-hole blasting and the major principal stress ,positive –phase duration ,wave length for open and clogged-hole blasting are preliminarily investigated.     

条形药包爆破预制贯通裂纹动态断裂过程研究

采用动态焦散线试验和ABAQUS数值分析方法,对条形药包爆破载荷作用下不同角度预制贯通裂纹的扩展行为进行了研究。研究结果表明：在爆炸应力波的作用下,柱部区域和端部区域0°预制贯通裂纹远端翼裂纹背离炮孔方向扩展,而近端翼裂纹朝向炮孔扩展。预制贯通裂纹远端的应力集中程度较近端高,并且远端翼裂纹的止裂韧度更低,翼裂纹更易扩展。在爆炸应力波的作用下,柱部区域90°预制贯通裂纹由张开逐渐转为闭合,爆炸应力波在已闭合的预制贯通裂纹面发生透射,并在预制贯通裂纹尖端产生压剪应力集中,形成以II型断裂为主的I-II复合型裂纹,并近似垂直于预制贯通裂纹面扩展,随后,在自由面反射应力波的作用下,反翼裂纹沿预制贯通裂纹面起裂扩展;炮孔端部区域90°预制贯通裂纹处翼裂纹的起裂是由于爆炸应力波在预制贯通裂纹处产生反射拉伸波的结果,促使预制贯通裂纹端部产生拉应力集中,形成近似I型裂纹,随后,翼裂纹逐渐转向爆炸应力波传播方向扩展。     

考虑气相硬化的准饱和黏土弹塑性模型

假定准饱和黏土由饱和基质（土骨架和水）和封闭气体组成,采用饱和基质塑性体应变和气体塑性体应变作为硬化参数以反映准饱和黏土的塑性硬化行为,在综合考虑气体溶解系数随温度和水中含盐量变化、预固结应力随封闭气体的变化等关键因素的基础上,基于临界状态土力学理论提出了可以反映封闭气体气压变化对准饱和黏土力学影响的弹塑性本构模型。模型共计10个材料参数,均可通过等向压缩试验和三轴剪切试验获得。通过与已有试验数据对比分析,结果显示本模型可以较好地模拟准饱和黏土在不排水应力路径下的应力-应变关系、孔隙水压力发展以及饱和度的演变规律;所建立模型形式简单,参数易于确定,为准饱和黏土地基中岩土工程问题的设计、计算及灾变控制提供了重要的理论基础。     

爆破荷载应力波在无限弹性介质中传播的特征线法解

双指数爆破荷载的应力时程关系是爆破工程的数值分析常用的动力输入。其在弹性岩石中传播衰减的特征线法解是工程爆破数值分析中弹性以及弹塑性分析的重要参照,也是动力学数值分析算法开发的重要高阶校准工具。应用统一弹性波的特征线法解求解源自圆形孔洞的双指数爆破荷载在理想介质中的传播。介绍了源自圆形孔洞的双指数爆破荷载在周围弹性介质传播过程中的径向应力、周向应力、位移以及速度波的特征线法解的具体过程,在MATLAB中进行了4种波的特征线法解的数值实施。对径向应力、周向应力、位移以及速度波的特征线法解的结果进行了多方面讨论。结果表明,特征线法是求解双曲型偏微分方程的一种有效方法,双指数爆破荷载在弹性岩石中传播衰减的特征线法解可为爆破工程数值分析以及动力学数值分析算法开发提供重要的支撑。     

不耦合装药下爆炸应力波传播规律的试验研究

通过室外爆破试验,利用预埋研制的PVDF压力传感器对耦合及水不耦合延长药包装药爆破时爆炸应力波的中远场压力进行测量,拟合实测结果,得到4种不耦合系数下爆炸应力波峰值随传播距离衰减的指数关系式。分析试验结果可知： ①在试验所涉及的范围内,不耦合装药时爆破应力波峰值衰减幅度小于耦合装药（即K =1）时爆破应力波峰值衰减幅度,验证了水介质作为炸药爆轰产物与岩体间的弹性缓冲层作用,减少了粉碎孔壁岩体造成的能量耗散,增加了能量传递,加大了爆炸的作用范围;②当不耦合系数K = 3.29时,应力波峰值衰减指数表现出大于K =1.79及大于K =2.57时应力波峰值衰减指数的趋势,表明过大的不耦合系数造成了不耦合介质--水过多的能量耗散（在高温高压下水并不完全是弹性的）,削弱了不耦合装药爆破的优势;③在不耦合装药爆破中,存在最佳的不耦合系数,此时爆炸应力波峰值衰减最慢,爆炸能得到充分利用,达到最优的爆破效果。研究结果对不耦合装药爆破的设计及工程应用有一定的指导意义。     

Dynamic responses of a poroelastic half‐space from moving trains caused by vertical track irregularities

The vibrations of railway tracks on a poroelastic half‐space generated by moving trains are investigated through a vehicle–track–ground coupling model. The theoretical model incorporates a vehicle, a track, and a fully saturated poroelastic half‐space soil medium. The source of vibration excitation is divided into two components: the quasi‐static loads and the dynamic loads. The quasi‐static loads are related to the static component of the axle loads, whereas the dynamic loads are due to the dynamic wheel–rail interaction. A linear Hertizian contact spring is introduced between each wheelset and the rail to consider the dynamic loads. Biot's dynamic theory is used to characterize the poroelastic half‐space soil medium. Using the Fourier transform, the governing equations for the track–ground system are solved and the numerical results are presented for a single axle vehicle model. The different dynamic characteristics of the elastic soil medium and the saturated poroelastic medium are investigated. In addition, the different roles of the moving axle loads and the roughness‐induced dynamic loads are identified. It is concluded that the vibration level of the free field off the track predicted by the poroelastic soil medium is smaller than that predicted by the elastic soil medium for vehicle speed below the Rayleigh wave speed of the poroelastic half‐space, whereas it is larger for vehicle speed above the Rayleigh wave speed. The dynamic loads play an important role in the dynamic responses of the track–ground system. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

爆炸荷载作用下卸荷孔效应理论分析与数值模拟

坑道工程在战争中具有十分重要的作用,但又容易遭受炮弹打击。为增加坑道口部的防护能力,利用波的基本理论和耗能原理,分析了波在岩石和空气介质间界面的反射、透射等传播特性、岩石变形及岩体摩擦耗能原理,得出岩石介质中孔洞有利于爆炸荷载的损耗,起到卸荷的作用,并利用有限元分析软件ANSYS-LS-DYNA,对A、B和C 3种不同情况的6种工况进行数值模拟,通过模拟结果与理论分析结果的比对,进一步验证卸荷孔的卸荷效应,为坑道工程防护设计提出了一个新的途径。