基于Eshelby等效夹杂原理的地基沉降分层总和分析方法探讨

本文针对地基土变形模量变化影响地基沉降分析的问题。首先,从细观力学机理入手,引入本征应变的概念并利用Eshelby等效夹杂原理,研究土体细观结构与宏观性能之间的关系,建立了土体变形模量、土颗粒骨架变形模量与土孔隙率之间的关系模型。随后,针对地基变形的非线性特征,引进分级加载思想,建立了在初始地应力和附加应力作用下的地基土变形模量以及孔隙率的递推变化关系模型。然后,引进分层总和和分级加载思想以及增量广义虎克定律,建立了能反映地基土变形模量变化影响的地基沉降计算方法。该方法充分体现了地基沉降变形的非线性特征,不仅能反映变形模量变化对地基沉降分析的影响,还能有效避免地基沉降分析须采用地基土压缩试验曲线或地基静载试验曲线。最后,通过工程实例计算,并与现有同类方法进行比较分析,表明了本文方法的合理性与优越性。     

考虑颗粒破碎的粗粒土剪胀性统一本构模型

粗粒土作为无黏性散粒状材料具有状态依赖特性,土体的剪切特性受密度和应力水平影响。易破碎是粗粒土的另一个特点,颗粒破碎影响粗粒土的剪胀、内摩擦角、峰值强度和渗透系数。为了能够准确地描述粗粒土的应力-应变关系,采用初始状态参量描述粗粒土的内部状态,根据三轴试验数据建立考虑颗粒破碎耗能的应力-应变关系,采用相关联流动法则推导考虑颗粒破碎的粗粒土剪胀性“统一本构模型”,并建立初始状态参量与模型参数之间的关系。所建立的统一本构模型既考虑了颗粒破碎对剪胀、内摩擦角的影响,又考虑了剪切特性对土体初始状态的依赖。采用变异粒子群算法拟合试验曲线,确定模型参数。模型计算结果能够很好地拟合试验曲线。采用同一组参数对假定的初始状态进行模拟计算,计算结果表明,模型能够模拟不同初始密度和应力水平下粗粒土变形的一般规律。     

地基非线性沉降计算原状土切线模量法的推广和应用

根据原状地基的载荷试验曲线,对于试验曲线为任意形式的情况下,提出了直接应用实测压板试验的P-S曲线,依据应力水平确定原状土切线模量的一般方法,建立了应力水平与原状土切线模量的关系。用该切线模量对地基沉降进行分层总和法计算,反映了原状地基土的特点和土的非线性,可以用于较准确地进行地基的沉降计算,且可以计算地基的非线性沉降过程,同时可以克服原切线模量法中假设压板试验曲线为双曲线方程的限制,使原状土切线模量法能应用于更广的范围。通过实例说明了方法的可行性     

确定土体前期固结压力的非参数化拟合模型

土体前期固结压力是判断土体固结状态的一个重要指标。对不同固结状态的土,其沉降计算公式不同,准确确定土体前期固结压力非常重要。在采用常规参数化模型进行e-lgp曲线拟合求解最大曲率点不完善的基础上,提出了非参数化模型--3次平滑样条曲线进行拟合的方法,计算表明：该模型对试验数据适应性好,拟合精度高。基于卡萨格兰德确定前期固结压力的方法,通过MATLAB语言编制了相应的计算程序PCP Calculation,程序界面友好,可准确绘制图形,计算结果令人满意。     

群桩沉降计算理论分析

基于Geddes应力解,并根据叠加原理计算群桩内任意点处的三向应力,采用基于Duncen-Chang本构模型的修正分层总和法计算群桩内任意点处的沉降量,最后,根据基点法[1]和群桩基础荷载、变形协调关系建立方程,从而,最终获得群桩的沉降计算。该理论较常规弹性理论方法计算群桩沉降有较大地改进,具体体现在以下几个方面：（1）考虑了群桩中地基土的三向应力分布对群桩沉降计算的影响;（2）考虑了土体本构模型（Duncen-Chang弹性非线性本构模型）,因而,能计及土体非线性特性对群桩沉降的影响;（3）采用修正分层总和法理论,能考虑土体成层分布特性以及侧向变形对单桩沉降计算的影响。     

考虑应力扩散时桩端土性对单桩沉降影响分析方法

基于虚土桩模型,分析了层状地基中桩端土性对单桩沉降特性的影响。首先,以虚土桩扩散角反映桩端土层应力扩散效应,将桩端一定锥角范围内由桩端至基岩面的土体视为虚土桩,并根据其变截面特性,将虚土桩沿纵向划分为有限个微元段。然后,对桩及虚土桩桩侧土体采用理想弹塑性荷载传递模型,利用荷载传递法,推导了层状地基中以桩侧土塑性发展深度为变量的单桩荷载-沉降递推计算方法,并进一步得到了桩身轴力及桩侧摩阻力递推计算式。在此基础上,给出了荷载传递模型参数选取方法,并分析了虚土桩临界深度的影响因素及由实测荷载-沉降曲线反演虚土桩扩散角的可行性。最后,利用该方法分析了桩端沉渣和软弱下卧层对荷载-沉降曲线的影响。结果表明,考虑桩端土层应力扩散效应时,通过计算得到的桩顶及桩端荷载-沉降曲线与实测曲线吻合较好;当桩端存在沉渣或软弱下卧层时,采用虚土桩模型的单桩沉降计算方法可以在一定程度上反映沉渣特性及软弱下卧层埋深等因素对桩顶荷载-沉降曲线的影响。     

盐渍土土水特征曲线测试及预测

作为一种特殊土,盐渍土有着独特的工程性质并由此引发了盐胀、溶陷等工程问题,其发生及发展均与土体含水量密切相关,不同含水量条件下土中的吸力也对土体工程性质有着较大影响.本文选取甘肃酒泉地区的盐渍土,室内利用Ku-pF非饱和导水率仪测试了不同干密度状态下盐渍土试样的土水特征曲线,发现渗透吸力的存在使得盐渍土试样的土水特征曲线转化阶段较一般土平缓,同一含水量条件下土中的吸力较一般土大,土体持水能力有所增强.不同干密度试样土水特征曲线的测试结果表明,干密度增大后土中大孔隙减少,中、小孔隙增多,孔隙连通性变差,导致土样饱和含水量降低,进气值增大,失水速率减慢,土体持水能力有一定增强.对比国内外广泛使用的模型对实测盐渍土土水特征曲线进行拟合,发现Fredlund and Xing模型能较好地反映盐渍土土中吸力与含水量的关系.最后,基于盐渍土的颗粒累积分布曲线及其基本物理指标,依据Fredlund物理-经验预测模型的理论和方法,预测了不同干密度盐渍土的完整土水特征曲线,以期为盐渍土地区土体工程性质的研究和预测提供理论支持和有益参考.     

基于BP神经网络的土体细观力学参数反演分析

利用离散元方法对颗粒材料的细观力学特性研究, 目前确定数值计算模型的细观力学参数大多数通过反复调试获取, 效率低、可重复性差。本文采用开源的颗粒离散元程序LMGC开展了土体双轴压缩数值试验, 通过25组土体细观力学参数计算得到相应的宏观力学参数, 建立了BP人工神经网络反演系统。利用土体物理试验得到的土体宏观力学参数, 输入BP神经网络, 反演得到土体的细观力学参数。将所得细观力学特性参数输入所建立的土体数值计算模型, 得到土体破坏过程中的应力-应变关系曲线, 以及土体颗粒的力链图和旋转变形云图。所建立的土体数值试验模型能够较好地模拟土体变形破坏过程, 利用BP神经网络反演细观力学参数以及数值模型计算得到的土体宏观力学参数与物理试验吻合较好, 误差在10%左右, 土颗粒间力链云图以及旋转变形云图较好地揭示了土体变形破坏的机理。     

预压作用下软土微观结构试验及弹黏塑性模型研究

为了揭示软土固结蠕变机制,计算软基“工后沉降”,开展了室内模拟真空、堆载以及真空-堆载联合预压加固软土的固结蠕变三轴试验及三轴试验前、后的微观结构试验。建立了能考虑微观结构改变的弹黏塑性(EVP)软土蠕变模型。研究结果表明：原状软土样在真空预压、堆载预压、联合预压3种预压荷载作用下,固结过程和蠕变过程具有耦合效应;土体微观结构参数的改变与宏观工程性质的改变具有相辅相成的关系;EVP模型弱化了具体应力路径的变化,其反映弹性的参数和反映黏塑性的参数可由微观结构参数确定;改进的EVP模型既能计算土体的弹黏塑性变形,也考虑了土体微观结构的变化,能更全面地反映土变形的实质。     

地下水位下降引起既有建筑物地基沉降的分析方法

针对地下水位下降引起既有建筑物地基沉降问题,首先,依据太沙基有效应力原理,建立地下水位下降引起附加应力的分析方法。其次,考虑地基土的孔隙介质特点,从地基土宏观与微观应力和应变分析入手,获得了在初始应力和因地下水位下降引起的附加应力作用下的既有建筑物地基土变形力学参数变化关系,它充分反映了地基土体宏观与颗粒骨架微观变形的不协调性。然后,引进分级加载和分层总和的思想,建立了地下水位下降引起既有建筑物地基沉降的非线性分析新方法,其可同时反映既有建筑物地基因初始应力和地下水位下降产生的附加应力作用引起的地基土变形力学参数变化的影响。     

基于路径的非饱和土抗剪强度指标确定方法

非饱和土的抗剪强度是非饱和土中的基本问题,如何快速、经济地确定非饱和土的抗剪强度指标是非饱和土工程应用的关键性问题之一。非饱和土抗剪强度的黏聚力和内摩擦角是含水指标的函数;通过模拟不同路径下非饱和土抗剪试验,得到黏聚力-饱和度曲线（CDSC曲线）和内摩擦角-饱和度曲线（IFADSC曲线）,进而得到非饱和土抗剪强度指标;在同一路径小区间范围内CDSC和IFADSC曲线近似为直线。通过抗剪强度路径模拟,用常规试验和含水指标得到非饱和土抗剪强度指标,大大地简化了非饱和土抗剪强度指标的确定,为非饱和土土力学理论应用于实际工程提供了有利条件。     

花岗岩残积土硬化土模型参数反演及工程应用

近年来在花岗岩残积土层运营地铁线路周边进行的工程建设逐渐增多,对盾构隧道安全的影响不容忽视。有限元法是评估临近施工对隧道影响的有效手段,但其可靠程度取决于土体本构模型和参数的合理选取。首先对花岗岩残积土硬化土模型参数取值现状进行评述,随后提出一种基于自钻式旁压试验的残积土硬化土模型参数反演方法,最后将反演的参数应用于深圳典型基坑上跨隧道施工的工程案例中进行验证分析,确定较为合理的残积土硬化土模型参数取值范围。研究结果表明,花岗岩残积土硬化土模型的强度参数可根据室内试验确定,刚度参数 、 和 是反演的关键参数,适用于工程实际的 : : 可取为1:1:3～1:1:5,根据比例不同, 取值范围在36～43 MPa之间。     

硫酸钠盐渍土土-水特征曲线的试验与理论研究

土-水特征曲线（SWCC）在非饱和土力学中扮有重要的角色,是非饱和土力学研究的核心问题。以西北地区黄土中含有的典型硫酸钠盐为变化因素,采用滤纸法测得了兰州黄土及不同含盐量黄土状硫酸钠盐渍土的基质吸力并绘制土-水特征曲线,通过试验测试和理论分析来解释硫酸钠盐分对黄土状硫酸钠盐渍土基质吸力的影响规律,以期为工程实践提供一定的理论依据。结果表明：相同含水率下硫酸钠盐渍土的含盐量越高,基质吸力越大。以非饱和土力学理论和表面物理化学理论为基础,考虑了土中的盐分对基质吸力的毛细部分及吸附部分的影响,得到了土中含盐量与基质吸力关系的半经验公式。利用该公式计算得到不同含盐量硫酸钠盐渍土的土-水特征曲线,计算曲线与试验曲线吻合程度较高,表明该公式可以很好地描述盐渍土中不同含盐量与基质吸力的关系。     

覆盖层上土石坝非线性动力响应分析的地震波动输入方法

较多已建和待建的土石坝直接修筑于覆盖层上,合理描述土石坝与覆盖层之间的动力相互作用对大坝抗震安全评价至关重要。基于等效荷载和人工边界的地震波动输入方法能较好地反映出结构-地基之间的相互作用并得到了广泛应用。等效荷载和人工边界参数在均质线弹性地基条件下易于获得,而对于覆盖层地基,土体动力非线性特性给求解带来很大困难。鉴于此,首先根据覆盖层侧向边界的位移模式,发展了能高效、精确地获取多向地震动垂直入射时均质或成层覆盖层自由场非线性动力响应的简化模型;结合能动态实时获取地基材料参数的非线性人工边界,发展了一套覆盖层上土石坝非线性动力响应分析的地震波动输入方法。算例表明,发展的地震波动输入方法可大大减小计算网格量,并能较好地反映覆盖层对地震动频谱特性的影响且具有较高的精度。     

基于热力学并考虑体变及滞回效应的土-水特征曲线模型

基于热力学内变量理论,提出能综合考虑毛细滞回效应和非饱和土体积变形影响的土-水特征曲线模型。热力学第二定律推导结果表明：毛细滞回现象和塑性变形本质上是一种耗散行为;吸力和饱和度的变化不仅与流相变化直接相关,而且也受到固相体积变化的约束与影响;土-水特征曲线的流相体积变化与固相变形之间存在相互耦合作用。从微观上阐明滞回现象产生的机制以及变形对吸力的影响,建立了考虑体变及滞回效应的土-水特征曲线一般性模型。然后采用边界面塑性理论,在只增加两个新参数的情况下,建立了一个简化的能描述毛细滞回及塑性孔隙比变化影响的新模型。最后,利用已有试验数据对这一模型进行了验证,结果表明,新模型能考虑土体变形的影响,并能较为准确地描述毛细滞回现象,模型预测结果与已有的试验数据吻合较好。     

软土e-p曲线确定的简化方法及在非线性沉降计算中的应用

首先假设软土的压缩曲线符合双曲线方程,并通过某工程一系列的数据进行验证,验证结果表明双曲线假定比较符合软土压缩曲线;由于双曲线方程参数相对较少,数据拟合确定比较简单易行,可对实际工程软土地基沉降进行简化计算并能满足工程的精度要求;同时还针对目前地质报告一般不提供详细的孔隙比-压缩应力（简称e-p）试验数据的情况,对e-p双曲线方程提出了一个只采用初始孔隙比e0、压缩模量Es来确定其参数的简化方法。在此基础上,基于e-p曲线确定邓肯-张模型的切线模量Et,采用分层总和法应用于软土地基的非线性沉降计算。对计算结果与实测数据进行比较分析表明,所提出的方法是切实可行的。     

利用优化方法求算Van Genuchten方程参数

运用单纯形调优法,拟合描述土壤水分运动特征曲线的Van Genuchten参数。该方法可广泛地用于不同弯曲程度Van Genuchten方程曲线的拟合求参,拟合精度高,另一方面也表明Van Genuchten方程的线性选配适当。此外,算法程序用VB语言编写,实现了参数初值实时修改、多种数据格式输入输出和实时图形结果输出等多种友好人机界面功能,方便易用。     

含气水合物沉积物弹塑性损伤本构模型探讨

天然气水合物的开采会带来一系列的岩土工程问题,为了保障相关工程设施的安全,有必要建立一个合理的水合物沉积物本构模型。通过深入分析水合物沉积物力学特点,从颗粒间的作用机制出发,认为水合物沉积物的力学响应是沉积物中土体颗粒间摩擦与水合物胶结二者共同作用的结果;考虑到摩擦与接触特性不同的力学机制,分别采用修正剑桥模型和弹性损伤模型对土体骨架及水合物胶结的应力-应变关系进行描述;通过假定水合物胶结的损伤演化规律,并认为在受力变形过程中二者的应变始终相等,初步建立了一个水合物沉积物的弹塑性损伤本构模型。不同水合物饱和度沉积物应力-应变曲线的模型预测结果与室内三轴排水试验结果吻合良好,表明了所建模型的可行性和合理性。     

土体密实状态对土-水特征曲线影响规律研究

土-水特征曲线（SWCC）是非饱和土力学中的一个重要概念。在众多影响土-水特征曲线的因素中,土体密实状态（文中用孔隙比表示）的影响最为常见并且十分重要。以毛细管模型和Childs（1950年）提出的统计学假定为基础,分析了孔隙比发生改变时土-水特征曲线上的点的变化规律,并以此为基础提出了一种以两条已知初始孔隙比的土-水特征曲线为基准,预测具有任意初始孔隙比土体的土-水特征曲线的计算方法。通过与试验结果对比,验证了该方法的合理性。由于测量土-水特征曲线比较费时,利用该方法预测具有不同孔隙比的土-水特征曲线,可减少试验测量的工作量,从而使土-水特征曲线在实际应用中更加方便、实用。     

非饱和黄土强度参数的试验研究

非饱和土强度理论的研究是非饱和土力学的核心问题。目前公认的非饱和土强度理论是Bishop的单变量理论和Fredlund的双变量理论,二者都引入了基质吸力这一应力参数,只是前者将其归到有效应力中,后者作为独立变量。要得到这两个公式中相关参数需利用控制基质吸力的非饱和土三轴仪或直剪仪测定,控制基质吸力是通过同步增加气压和孔隙水压力保持吸力不变实现的,即所谓的轴平移技术,该项技术一直面临测试周期长的困难和合理性的质疑。鉴于此,本文采用不同含水率的常规三轴CU试验,测定了有效稳态强度参数,得出了吸应力和体积含水率的关系曲线,非饱和强度直接用吸应力函数表达,该强度公式回避了测定基质吸力的问题,便于在工程实际中推广。为了进一步和Bishop及Fredlund的强度公式进行对比,又用张力计测定了同一试样的水土特征曲线,获得了其强度参数。理论上,这3种强度理论对机理的解释不同,但在数学上可以互相转化。从工程应用的角度,基于吸应力的抗剪强度更便于工程应用。