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。     

主动与被动状态下墙体侧向位移近似计算

极限状态下墙体侧向位移对土压力计算和支挡结构设计影响显著。根据Rankine变形体和Coulomb刚塑体模型,将墙后土体变形分别当作单剪和直剪试验中试样的剪切过程,以达到极限剪切变形（剪应变或单位长度剪切位移）作为进入主被动状态标准,构建了土体变形与墙体位移的几何关系,提出了反映土体变形与强度特性,同时考虑静止时初始应力状态影响的墙体极限侧向位移近似计算模型。分析表明：土体极限剪切变形、滑移区范围、初始应力状态是影响墙体极限位移的核心要素,其中极限剪切变形占据主导作用,是导致不同颗粒组成及密实程度土体进入极限状态所需墙体位移差异显著的主要原因,而主被动区范围不同和因静止土压力系数 1引起的初始剪切变形,则是被动状态墙体位移远大于主动的关键因素;算例中主动与被动状态下墙体位移与墙高之比分别介于0.5‰～13.2‰和?0.4%～?5.2%,且主动状态下细粒土墙体位移大于粗粒土,计算结果与工程经验及相关文献模型试验基本一致。     

刚性桩复合地基侧向土压力试验研究

通过室内模型试验,实测得到试验条件下,天然地基和刚性桩复合地基作用在不允许有位移的刚性挡土墙上的侧向土压力;通过与天然地基对比分析,获得了刚性桩复合地基的侧向土压力特性及分布规律。结果表明,刚性桩复合地基中桩的参与（包括桩的荷载深层传递作用、桩负摩擦区的影响和桩体对桩间土水平附加应力的“遮拦”作用等）使复合地基侧向土压力大小和分布规律明显区别于天然地基;在给定荷载水平下,刚性桩复合地基的侧向土压力值低于天然地基,侧向土压力影响范围较天然地基作用位置更深;在试验条件下,刚性挡土墙距离建筑物0.35～1.4 m范围内,当荷载水平达到地基承载力特征值时,刚性桩复合地基作用在刚性挡土墙上的总土压力和附加土压力约为天然地基的43.3%～80.1%和15.9%～59.8%。     

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。     

主应力方向对砂土剪胀性的影响分析

剪胀性是土特有的一种材料属性,而准确地描述砂土的剪胀性则是建立砂土本构模型的重要基础。大量常规三轴试验发现,在以相同加载条件下剪切时密砂和松砂会表现出完全不同的剪胀性和应力-应变关系特性,说明砂土的剪胀性不仅与其所处的应力状态有关,也与其物理状态相关。状态参量理论很好地解释了砂土所处应力状态和物理状态对剪胀性的共同作用。空心扭剪三轴试验仪可以实现不同主应力方向的单调剪切试验。试验结果表明,当砂土以不同主应力方向单调剪切时,即使处于相同初始应力条件和物理状态,砂土也会表现出不同的剪胀性,说明了主应力方向也是决定砂土剪胀性的重要条件。本文通过分析试验中主应力方向对砂土剪胀性的影响,提出了一个含有主应力方向的状态参量,并建立了相应的剪胀方程。通过与试验数据的对比,验证了该方法的正确性和准确性。     

黏性土填料下考虑土拱效应的非极限主动土压力计算方法

不论挡土墙填料采用砂性土,还是黏性土,其墙背主动土压力与墙体倾角和位移关系存在较大的联系,因而研究黏性土填料下的非极限主动土压力计算理论具有重要意义。通过应力状态分析给出了非极限状态下考虑土拱效应的侧向主动土压力系数,然后采用水平微分层析法给出了倾斜墙下非极限主动土压力解析解。通过与室内模拟试验及已有理论进行对比,验证了该方法的合理性。最后研究了相关参数包括位移比?,墙土摩擦角与内摩擦角之比? /?,墙体倾角?,黏聚力c等对主动土压力分布及其作用点高度的影响。结果表明：土体由静止状态向极限主动土压力状态发展时,土拱效应的影响会越来越大。随着? /?的不断增大,土压力分布曲线非线性强度会不断增强,土压力合力作用点高度呈上升趋势,并且? /?对土压力的影响会随着位移比? 的增大而增大。随着挡土墙墙背倾斜角度? 的不断增大,土拱效应对非极限主动土压力的影响减小。随着土体填料黏聚力的不断增大,上部张拉裂缝高度也会随之增加,且土压力合力作用点越低。给出的考虑土拱效应的非极限主动土压力计算方法对于丰富挡土墙土压力计算理论具有重要意义。     

平动模式下挡土墙非极限主动土压力

针对平动模式下墙背倾斜的挡土墙,假定墙后所形成的土拱为圆弧形,建立位移同内摩擦角、外摩擦角的非线性函数,并考虑土层间剪应力作用,通过水平层分析法,得出了挡土墙平动模式下非极限主动土压力分布、合力、作用点高度的解答,其解析解与试验值较其他方法吻合得更好,验证了该方法的合理性。结果表明：是否考虑土层间剪应力,土压力的大小均随墙体位移的增大而减小,不会影响土压力合力大小,仅影响土压力的分布,且考虑剪应力作用的土压力在墙体上部较不考虑剪应力要小,下部反之。剪应力对土体起阻碍作用,随内摩擦角的增大,剪应力出现先显著增大后略微减小的状态;随外摩擦角、位移的增大,剪应力增大;随着墙背倾角的增大,剪应力先减小,再反向增大,土压力随之增大。同时考虑土拱效应与剪应力所得出的合力作用点高度介于仅考虑土拱效应与库仑解之间。     

考虑土拱效应的挡土墙主动土压力与被动土压力统一解

土拱效应对倾斜挡土墙下的主动土压力及被动土压力有重要的影响,但是相关计算理论研究略显不足。为了将土拱效应考虑到倾斜挡土墙下的土压力计算中,首先通过应力摩尔圆及静力平衡法分别给出了考虑土拱效应下主动土压力及被动土压力计算所需的两大因素：侧向土压力系数及竖向平均应力公式。在此基础上建立了考虑土拱效应的倾斜挡土墙主动土压力及被动土压力的统一表达式,并将其应用到求解土压力合力及其作用点高度的计算中。算例表明,土拱效应对于主动土压力与被动土压力的影响不同。随着墙体倾角的增大,主动土压力作用点高度逐渐降低,即土拱效应随着墙体倾角的增大而降低。与前述相反,随着墙体倾角的增大,被动土压力作用点高度逐渐降低,即土拱效应的影响随着墙体倾角的增大而增大。     

无状态变量的状态依赖剪胀方程及其本构模型

粗粒土的剪胀行为具有状态依赖特性。为了考虑这一特性,不同的状态依赖变量被唯像地提出,并被经验性地内嵌入已有剑桥、修正剑桥等剪胀方程中。基于分数阶梯度律,用理论推导出了分数阶状态依赖剪胀方程,并阐述了分数阶数的物理意义。所得剪胀比大小受3个因素影响：分数阶求导阶数、当前加载应力以及当前应力到临界状态应力的距离。当分数阶求导阶数从1开始增大时,分数阶剪胀曲线自修正剑桥剪胀曲线向剑桥剪胀曲线移动;而当求导阶数从1开始减小时,分数阶剪胀曲线逐渐远离修正剑桥剪胀曲线;当求导阶数等于1时,分数阶剪胀曲线与修正剑桥剪胀曲线重合。为验证所提出的状态依赖剪胀方程,基于该方程进一步建立了砂土的状态依赖分数阶塑性力学本构模型,并对砂土和堆石料的三轴排水与不排水试验结果进行了模拟。研究表明,基于状态依赖分数阶剪胀方程建立的本构模型,可以合理地描述砂土在不同初始状态及加载条件下的应力-应变行为。与砂土UH模型预测结果对比发现,UH模型预测较好。     

无状态变量的状态依赖剪胀方程及其本构模型

粗粒土的剪胀行为具有状态依赖特性。为了考虑这一特性,不同的状态依赖变量被唯像地提出,并被经验性的内嵌入已有剑桥、修正剑桥等剪胀方程中。基于分数阶梯度律,理论推导出了分数阶状态依赖剪胀方程,并阐述了分数阶数的物理意义。所得剪胀比大小受三个因素影响:分数阶求导阶数,当前加载应力、以及当前应力到临界状态应力的距离。当分数阶求导阶数从1开始增大时,分数阶剪胀曲线自修正剑桥剪胀曲线向剑桥剪胀曲线移动;而当求导阶数从1开始减小时,分数阶剪胀曲线逐渐远离修正剑桥剪胀曲线;当求导阶数等于1时,分数阶剪胀曲线与修正剑桥剪胀曲线重合。为验证所提出的状态依赖剪胀方程,基于该方程进一步建立了砂土的状态依赖分数阶塑性力学本构模型,并对砂土和堆石料的三轴排水与不排水试验结果进行了模拟,发现:基于状态依赖分数阶剪胀方程建立的本构模型,可以合理地描述砂土在不同初始状态及加载条件下的应力应变行为。与砂土UH模型预测结果对比发现,UH模型可以给出优势预测结果,但本文解析了土体状态剪胀行为的一种数学原理。     

考虑挡墙位移效应的被动侧土压力计算方法

挡土结构上土压力的计算是土力学和岩土工程领域的基本研究课题之一。实际工程中的土压力通常是介于主动土压力和被动土压力之间的某一值,墙后填土由于碾压具有较高的密实度。经典的朗肯和库仑土压力理论只能计算极限状态下的土压力,没有考虑挡墙的位移以及剪切过程中密砂的强度从峰值强度降低到残余强度这一强度变化特性对于土压力的影响。给出了考虑挡墙位移效应的被动侧土压力计算方法,该方法能够同时考虑剪切过程中密砂的强度从峰值强度降低为残余强度这一强度变化特性对被动土压力的影响。通过土压力模型试验结果对计算方法进行了初步验证,计算结果和试验结果吻合较好,表明了该方法的有效性。     

砂土中单桩抗拔极限承载力的计算

桩侧极限摩阻力是砂土中单桩抗拔极限承载力的主要组成部分,作为计算桩侧极限摩阻力的关键参数--土侧压力系数K的取值合理与否直接影响到单桩抗拔极限承载力计算的准确度。首先,基于密砂和松砂中的桩在上拔破坏时桩侧土压力分别呈被动和主动状态,同时考虑桩侧摩阻力和桩身表面粗糙度的影响,分别推导了不同相对密实度砂土中的土侧压力系数。然后,利用所得到的土侧压力系数并考虑桩侧单位摩阻力发挥的临界深度,按沿桩-土界面发生圆柱状剪切破坏模式建立了砂土中单桩抗拔极限承载力的计算方法。最后,利用该方法对已有的抗拔桩试验结果进行分析和比较,结果表明计算值与实测值吻合较好。     

土工格栅加筋土挡墙试验研究

采用在墙面板背后安装土压力盒以及在土工格栅上安装柔性位移计的方法,对某高速公路加筋土挡墙水平土压力和土工格栅拉筋位移进行了系统测试。试验研究表明,施工期间土工格栅加筋土挡墙墙背土压力随填土高度的增加而增大,增长速率逐渐减小,其数值均小于理论计算结果,沿墙高分布形式与计算结果有较大差别;土工格栅拉筋在施工期应变变形较大,工后应变非常小,挡墙下部土工格栅拉筋端部应变随填土高度变化较大,在加筋体锚固区末端存在过渡区,其工程特性逐渐向非加筋体填土过渡。根据试验结果对土工格栅加筋土挡墙施工控制及关键技术提出了相关建议。     

RT模式下地震非极限主动土压力的拟动力分析

为考虑挡墙位移效应对地震土压力的影响,依据前人试验研究的结论,将摩擦角表示为与挡墙位移量和位置高度相关的函数,然后基于拟动力法和水平层分析法,推导得出RT位移模式下的地震非极限主动土压力和合力作用点的计算表达式。计算模型可描述摩擦角沿着墙高逐渐发展的不同非极限位移状态工况,并建立了挡墙位移、地震动荷载和土压力之间的相互联系。参数分析讨论了振动时间、挡土墙位移状态、地震加速度参数和土体摩擦角对地震主动土压力分布、合力大小以及合力作用点高度的影响。相比于传统的极限状态地震土压力理论,所提方法更合理地描述了地震土压力随挡墙位移的发展过程,对发展非极限土压力理论和改进边坡工程中的抗震计算方法具有一定的参考意义。     

RB模式下砂土非极限主动土压力的离散元模拟与理论研究

针对刚性挡土墙绕墙底向外位移(RB)模式下砂土非极限主动土压力分布问题,采用离散元数值模拟对砂土的主动破坏过程进行分析。研究结果表明,非极限主动状态下,不同深度处土体内摩擦角变成极限值时,该点所需的水平位移近似相同,约为0.03%H,墙-土摩擦角至极限值时该点所需的水平位移S_δ近似与深度z呈线性关系,即S_δ=0.12%z;挡墙位移过程中,墙后土体中存在多个相互平行的“准滑动面”。根据模拟结果,在Liu提出的摩擦角调动值计算公式基础上进行了修正,并利用斜微分单元法,取墙后土楔体中平行于滑动面的薄层作为斜微分单元,建立了非极限主动状态下单元体静力平衡方程,得到了RB模式下挡墙不同位移量时非极限主动土压力计算公式。将计算结果与模拟结果和模型试验实测数据进行对比,验证了理论公式的合理性。     

地震液化条件下重力式码头的变形破坏机理

现场调查发现在神户地震期间重力式码头破坏时都发生了相当大的侧向位移，因此，阐明挡土墙有变形机理对于改善抗震设计具有十分重要的意义。为此，根据相似原理设计了重力式码头的地基模型，进行了一系列的振动台试验。试验结果表明：基底土的强度降低和局部液化是挡土墙变形破坏的主导因素。墙后动土压力的增加为挡土墙的运动提供了条件。在液化条件下重力式码头地基的运动以侧向位移为主。重力作用是地基侧向运动的主要影响因素。减少作用于挡土墙上的动土压力和充分填实基底下的砂土是增加重力式码头抗震稳定性的重要措施。     

砂土拱效应的挡板下落试验及机理研究

土拱效应对考虑拱效应时土压力的计算非常重要,而目前对土拱效应的形成机理认识还不深刻。通过自行设计的室内挡板下落试验对砂土拱效应的问题进行了试验研究。得到了不同的土体埋深情况下,随挡板下移挡板上土体重量、箱内土体的应力和侧压力系数的变化规律。试验结果表明,挡板微小的位移挡板上土体的重量就会快速降低;随着挡板继续下移挡板上土体重量降低的趋势逐渐减缓,认为挡板下移2.5 mm时上部土体达到临界状态;随挡板下移箱底挡板上部中心线上的竖向土压力减小,挡板两侧上部土体的竖向土压力增大;挡板上部中心线上的侧压力系数明显增大。通过土体内的应力变化规律对砂土拱效应的形成机理进行了分析。