基于扰动理论修正的桩-土接触面荷载传递模型 及其应用

利用硬化模型、双曲线模型、指数模型以及软化模型模拟的桩-土接触关系存在参数取值困难、误差大的问题。为深入研究土-结构接触面的强度与变形机理,基于扰动理论,假定完整状态接触单元的抗剪强度服从线弹性模型,而扰动部位则服从塑性模型,建立修正的桩-土接触面荷载传递模型。该模型参数分析表明,参数k、η对模型τ-s曲线形态影响大,而参数τ、ζ对模型τ←s曲线形态影响很小;并通过大型桩-土接触面室内直剪试验,量化接触面上剪切应力与剪切位移的关联性,进一步确定修正桩-土接触模型内部计算参数。结果表明模型τ-s曲线与试验曲线吻合较好,验证了模型的合理性。扰动桩-土接触模型既能描述桩侧应变软化也能描述硬化特性,有助于理解复杂应力条件下桩-土接触面的强度计算与变形机理。     

随钻跟管桩桩-土接触面作用机制大型直剪试验研究

随钻跟管桩(DPC桩)是一种新型工程桩,其设计方法在工程实践中已得到应用。但是研究现状表明,关于DPC侧摩阻力方面仍有几个关键问题需要专门研究:多个界面导致的结构层破坏模式不清楚、注浆加固机制有待明确和侧阻力参数的精确性有待加强。针对上述问题,开展了DPC桩-土接触面作用机制和破坏模式的大型直剪试验研究。选用粉质黏性土与中密砂土作为代表桩周土,共完成了14组DPC桩-土接触面大型剪切试验,包括8组未注浆及6组注浆试验。基于试验结果,明确了破坏面位于注浆体-土体层的破坏模式;采用线性Mohr-Coulomb强度理论获得了注浆前后接触面剪切强度参数;将试验结果进行了对比,通过对比,揭示了注浆加固机制。试验成果加深了实践中DPC桩设计与施工的理解。     

水泥土芯样强度变形特性及本构关系试验研究

为了研究现场施工工艺下水泥土的强度及变形特性,对水泥搅拌桩钻孔芯样进行了无侧限抗压强度试验与三轴试验,分析了水泥掺量与围压对水泥土芯样强度、变形特性的影响规律。结果表明：随着水泥掺量的提高,水泥土芯样的强度明显增强,变形模量显著增大,但其破坏应变变小,脆性增大;水泥掺量超过18%的水泥土芯样其应力-应变关系表现为软化型,随着围压的提高,其强度增强,破坏应变增大,脆性降低,且应力-应变关系曲线有可能发生转型;不同围压下的水泥土芯样三轴试验先为体缩,后变化为体胀,发生剪胀的应变较破坏应变略小,是由剪切面上颗粒错动引起的,在颗粒错动达到一定程度后抗剪强度才发挥到峰值;水泥土的结构屈服应力比较大,在围压的作用下其胶结结构未发生破损,强度包线满足摩尔-库仑线性强度规律;根据水泥土的强度变形特征,应力-应变全曲线分弹性、塑性、软化3个阶段,可采用Popovics模型对其进行模拟,与试验结果较为吻合。     

脱湿条件下黏性土吸力强度演化规律及其微观机理

含水率的增减变化是非饱和土强度改变的关键因素。开展室内脱湿条件下压试样的直剪试验结果表明,在土样脱湿条件下土体抗剪强度特性变化显著,低含水率下非饱和黏性土抗剪强度变化有明显峰值,展示应变软化特性,高含水率下展示应变强化特性。通过联系土–水特征关系(SWCC)及吸应力特征关系(SSCC)曲线建立的非饱和土抗剪强度模型,能够预测含水率变化下非饱和土的抗剪强度演化。基于实测数据开展的模型验证结果表明,所建模型利用测定的土–水特性和饱和土的抗剪强度参数,能够准确地确定脱湿过程中非饱和土的吸力强度,该模型的应用将极大地简化试验和节约测试时间。采用核磁共振(NMR)技术对脱湿过程中的剪切样开展了孔隙水分布的测试,从微观上解释了非饱和黏土抗剪强度随含水率改变的演化机理。     

注浆成型螺纹桩桩土接触面机制的离散元模拟

为了揭示新型注浆成型螺纹桩的承载力特性及桩土接触特性,利用二维离散元（DEM）数值分析不同螺纹间距的桩-土接触特性。在既有螺纹桩-土界面的大型直剪试验方案的基础上,建立模拟试验的离散元模型。通过模拟试验的伺服加载机制,实现在接触面法向上施加恒定的压力,然后水平移动接触面底板进行剪切,得到不同螺纹数下剪切位移与剪切应力的关系曲线、孔隙比分布图和力链传力机制。离散元分析表明,存在一个最优的螺纹间距,使接触面的极限抗剪强度最大;螺纹桩桩土接触面周围土体会出现一个拱形的破坏面,该微观机制与室内试验观察一致。     

剑桥模型可反映剪切变形的一种修正

由于剑桥模型不能很好地反映土的剪切变形,因此,在工程应用中不能够反映土的实际受力变形特征。对剑桥模型的这一缺点进行理论分析,指出产生此现象的原因,提出由剪应力和体应力引起的应变分量,分别采用不同的分配比例系数,基于这种思想并采用剪切试验结果对剑桥模型进行修正,给出了基于不同分配比例系数修正后的剑桥模型的应力-应变关系计算式。通过采用剪应力与轴向应变修正后的模型与剑桥模型的预测结果的对比,揭示了修正后的模型能够较好地反映剪切变形,同时模型含有可直接测定的4个独立的试验参数。     

宽广吸力范围非饱和土剪切强度试验研究及其预测

以弱膨胀土为试验材料，开展了宽广吸力范围内非饱和土的持水和强度特性试验研究，并提出适用于宽广吸力范围的非饱和土强度模型。结果表明，在广吸力范围内，应力-应变曲线随吸力增加而增高，在低吸力范围呈现应变硬化，在高吸力范围呈现应变软化。低吸力范围，试样呈现剪缩变形；高吸力范围，试样在轴向应变2%处开始呈现剪胀趋势。此外，提出一种区分吸附水和毛细水的土-水特征曲线模型，并假设吸力引起的强度增强部分主要由毛细水决定。将有效应力系数用毛细水饱和度替代，并代入Bishop非饱和土强度公式，利用不同类型土剪切强度的实测数据和文献中剪切强度模型对比，表明该强度模型可以很好地描述宽广吸力范围内的非饱和土强度。     

桩柱结构在地震作用下非线性响应研究

基于试验基础上建立的经典弹塑性模型--剑桥模型能够准确描述正常固结土的应力-应变关系。当土体的应力历史上经历过卸载或受到循环交变荷载作用即进入超固结状态,它作为土的应力历史的反映,相比正常固结土受力特性有着显著的差异。为研究超固结因素对土体加载特性的影响,在引入能考虑超固结状态影响的下负荷面剑桥模型后,通过三轴压缩和剪切试验对处于超固结状态下土体的受力特性进行了对比分析,并对循环剪切加载下的应力-应变关系以及超固结比的演化规律进行了研究。结果表明,下负荷面剑桥模型能准确反映超固结因素对土体力学特性的影响,相比原状土有着更高的屈服强度。而通过数值模拟自由场地基在地震作用下的动力响应可以看出,超固结因素对地基的动力响应起到了不可忽略的影响,尤其在强震下更需要考虑其影响。在自由场地基地震动力响应基础上,通过对桩柱结构桩-土耦合系统在地震作用下非线性动力响应的模拟对土体非线性以及超固结因素的影响进行了对比研究,研究表明：土体的非线性因素能显著降低结构振动响应中的高频成分,由于土体在交变加载下很快进入超固结状态,相对于剑桥模型,下负荷面剑桥模型在考虑超固结因素后土体的承载性能显著提高,尤其在强震作用下超固结因素带来的影响更加明显,因此,建议对桩基结构物地震响应研究考虑超固结因素影响,以提高桩基结构物地震响应模拟的精确度和可靠性。     

考虑水合物填充和胶结效应的深海能源土弹塑性本构模型

水合物的填充效应和胶结效应增大了能源土的密实性和强度,使能源土呈现出类似于密实砂土或胶结土的性质。在黏土和砂土的统一硬化模型(CSUH模型)框架下,总结了能源土的力学性质,引入压硬性参量描述水合物对能源土填充和胶结双重作用下的等向压缩特性,引入黏聚强度修正屈服函数并构建了黏聚强度的演变规律,利用状态参数调整剪胀方程,反映能源土剪胀、软化等特性对密实度的依赖性,从而建立能够描述能源土强度、刚度、剪胀与软化等特性的弹塑性本构模型。编制了模型的测试程序,把模拟结果与能源土室内试验结果进行对比。结果表明:提出的弹塑性本构模型能够较好地描述能源土的应力-应变关系、剪缩硬化和剪胀软化等力学特性。     

吸力路径对非饱和土力学性质的影响

基质吸力的存在使得土的工程性状变得十分复杂.非饱和土的力学性质,不仅受基质吸力及竖向荷载等应力状态的影响,吸力路径也起着不可忽视的作用.为了探讨不同吸力路径对非饱和土应力-应变关系和强度的影响,采用非饱和土直剪仪对不同吸力路径固结平衡的非饱和土样进行直剪试验,获得其固结量及应力-应变关系,得到了不同吸力路径对非饱和土抗剪强度的影响规律.试验结果表明:在相同的竖向荷载条件下,非饱和土的抗剪强度随着吸力的增加明显增大.在相同吸力及竖向荷载条件下,经历过较高吸力历史的试样固结量和前期剪切强度明显增大.     

超长灌注桩桩-土界面剪切模型及其有限元模拟

由于超长灌注桩为摩擦型桩,建立合适的桩-土界面剪切模型将成为合理且有效地模拟分析其承载变形特性的关键。基于超长灌注桩桩侧摩阻力? 随桩-土相对位移w发挥性状,将? - w关系定义为硬化和软化两种类型,进而将桩侧摩阻力发挥模式分为全硬化模式、全软化模式和混合模式。建立超长灌注桩桩-土界面剪切硬化模型和软化模型,运用ABAQUS二次开发子程序FRIC将建立的剪切模型嵌入有限元,实现剪切模型的有限元模拟,单桩算例表明,剪切模型在ABAQUS中实现是成功的。运用建立的桩-土界面剪切模型对现场试验试桩进行有限元模拟,模拟结果与实测结果较为吻合,表明所建立的桩-土界面剪切模型及其有限元模拟对于超长灌注桩承载变形计算具有合理性和可行性。     

Monotonic and cyclic modeling of interface between geotextile and gravelly soil

This paper describes a modified elasto‐plasticity damage model to capture monotonic and cyclic behavior of the interface between a geotextile and gravelly soil. New damage variable and shear strength criterion are introduced on the basis of test observations. The formulations of the modified model are obtained by extending those of the original interface model. The model parameters with physical meaning are easily determined from a group of cyclic shear tests and a confining compression test. The model predictions are compared with the results of a series of direct shear tests and large‐scale pullout tests. The comparison results demonstrate that the model accurately describes the monotonic and cyclic stress–strain relationship of the interface between a geotextile and gravelly soil while capturing new characteristics: (1) the strength that is nonlinearly dependent on the normal stress; (2) significant shear strain‐softening; (3) the comprehensive volumetric strain response with dependency on the shear direction; and (4) the evolution of behavior associated with the changes in the physical state that includes the geotextile damage. This model is used in a finite element analysis of pullout tests, indicating that the tensile modulus of a geotextile has a significant effect on the response of the geotextile–gravel system. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

超孔隙水压力对低塑性黏性土桩土界面抗剪强度的影响

研究黏性土中桩土界面的抗剪强度及其参数受超孔隙水压力影响的规律,对工程实践具有重要意义。利用自制的大型恒刚度直剪仪,完成了一系列不同界面粗糙度、不同试样含水率和不同剪切速率试验条件下的直剪试验,分析了在不同试验条件下超孔隙水压力变化规律,进而得到考虑超孔隙水压力的桩土界面抗剪强度及其参数的变化规律。研究结果表明：随着界面粗糙度等级提高,桩土界面超孔隙水压力减小,桩土界面抗剪强度、有效黏聚力和有效摩擦系数增加;随着含水率的增加,桩土界面超孔隙水压力增加,桩土界面抗剪强度降低,含水率对桩土界面抗剪强度的影响主要是改变了桩土界面的黏聚力,黏聚力先增大后减小,对摩擦系数的影响较小;特定试验条件下,随着剪切速率的增加,桩土界面超孔隙水压力增加,桩土界面抗剪强度降低,桩土界面黏聚力先增大后又减小,变化幅度不超过2 kPa,对摩擦系数的影响较小。因此,桩土界面抗剪强度及其参数是界面粗糙度、试样含水率和剪切速率变化引起超孔隙水压力变化共同影响的结果,试验结果可供相关工程设计参考。     

基于湛江组结构性黏土的桩土接触面模型及解析解

湛江组结构性黏土因其特有的结构特性而使该土层中桩基承载性状复杂,传统的桩基设计计算理论和方法应用于该土层中桩基承载力计算时其理论计算值与工程实测值或多或少存在一定误差而存在适用性问题。基于湛江组结构性黏土直剪试验及无侧限抗压强度试验,在剪切位移法的基础上,提出了桩土接触面软化模型,即桩土接触面处于弹性阶段时,桩侧摩阻力随位移线性增加;桩土接触面处于软化阶段时,桩侧摩阻力随位移线性减小,且减小速率与土体灵敏度、桩土接触面法向压力有关;桩土接触面处于滑移阶段时,桩侧摩阻力不随位移变化。依据该模型推导了湛江组结构性黏土中竖向荷载作用下单桩位移及轴力解析解,并比较了计算与试验结果,验证了所提模型的合理性。     

A constitutive model for unsaturated soil interfaces

A constitutive model based on the disturbed state concept is presented to describe the behavior of interfaces in unsaturated soil. The model is an extension of an existing model developed for a sand–steel interface. As opposed to the original model, the modified model incorporates two independent stress variables, which are the net normal stress and matric suction. The saturated and dry state of the interface can be modeled as a special case using the constitutive model presented in this paper. The modified model is capable of capturing the main features of unsaturated interfaces observed during laboratory testing, including increasing shear strength and strain softening with increasing suction and net normal stress and increasing dilatancy with increasing suction. Laboratory tests were carried out on unsaturated interfaces in a modified direct shear test apparatus. The observed behavior of interfaces between unsaturated soil and steel plates (rough and smooth) is presented in comparison with model predictions. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

非贯通类节理岩体剪切变形规律分析

通过直剪条件下的模型试验研究具有相同连通率、含不同起伏角的共面闭合节理在不同法向应力作用下的剪切变形特征。试验结果表明：在达到峰值剪切强度前,剪切应力-位移曲线具有明显的线性段与非线性段;岩桥在法向与剪切荷载的共同作用下会产生一定程度的弱化,积累到一定程度时宏观表现为剪切应力软化。详细阐述了试验过程中裂纹发展的4个阶段并描述了剪切应力-剪切变形曲线变化的特征,提出一个能反映剪切应力-剪切变形曲线全过程的经验本构模型。新模型采用分段函数描述曲线变化特征。直剪试验数据分析表明,该模型能够拟合剪切应力-剪切变形变化发展趋势且具有较高的拟合精度,验证了模型的正确性。最后,对其存在的不足亦进行了简要分析     

填埋场衬垫系统界面本构模型研究

典型垃圾填埋场衬垫系统由土/土工膜、土工膜/土工织物等多个界面组成,这些界面抗剪强度低,成为潜在的滑裂面,容易使填埋场发生沿界面的失稳破坏。本文根据大量土/土工膜界面直剪试验的研究,针对该界面的变形机理和应变软化特性,在前人研究的基础上确定了接触面的厚度,定义了接触面的切向应变和法向应变,将界面的变形分为3个阶段:弹性阶段,塑性阶段和残余阶段。同时提出了适合于土与土工膜界面的弹塑性本构模型。该本构模型参数较少,物理意义明确,运用简单方便。最后,结合Filz接触面直剪试验和钱学德单剪试验的结果,将通过该模型得到的拟合结果与之进行了对比验证分析。研究结果表明:本文提出的土与土工膜界面弹塑性本构模型是合理可行的,且建模方便,适用于工程实践。     

含应变软化本构关系的岩-土接触元直剪试验数值模拟

关于含应变软化本构关系的岩-土接触面特性的研究手段较为有限,基于FLAC可实现具有应变软化接触的本构数值分析。利用该模型对接触面直剪试验进行模拟,并对接触单元剪切强度参数演化与剪切应力-位移关系变化特征进行深入研究。模拟结果再现了接触面的渐进性破坏过程及内部剪应力变化特征,研究表明了摩擦角的增减变化主控剪切应力-位移关系曲线的形式特征。     

温控桩-土接触面三轴试验系统研制与验证

为探讨温度对桩?土接触面力学性质的影响,自主研制了一套温控桩?土接触面三轴试验仪。基于常规土工三轴仪压力腔,搭建桩?土接触面构件,分别增设桩体和土体温度控制系统,实现非等温条件下桩?土接触面热力耦合特性测试。开展了不同类型、温度荷载等级下桩?砂土接触面热?力耦合特性三轴试验,实测了桩体与土体温度控制精度、桩?土接触面剪切应力、不排水条件下的孔隙水压力以及排水条件下的体积变化等规律,初步验证了试验系统的可靠性和准确性。该试验系统结构简单、拆装方便,可实现温控桩?土接触面三轴试验与常规/温控三轴试验的自由切换。相关研究成果将为桩?土接触面热?力耦合机制与本构模型的建立提供技术支撑。     

紫花苜蓿根系?黄土复合体剪切特性与库仑修正模型

植物根系可以显著提升土体的强度。为探究紫花苜蓿根系对黄土抗剪性能的增强作用,选取生长周期为60 d的紫花苜蓿根系?黄土复合体为研究对象,通过剪切试验和根系拉伸试验获取紫花苜蓿根系?黄土复合体抗剪强度和根系抗拉强度参数,采用电子放大镜观察紫花苜蓿根系结构与特征,利用经验公式建立根?土复合体库仑修正模型,并对比分析库仑修正模型、WWM模型及修正WWM模型的优缺点,对黄土地区植物根系增强土体强度进行评价。结果表明:紫花苜蓿根系对土体抗剪性能的增强效应显著;紫花苜蓿根系发达,根径在0.2~6.7 mm,随着根径的增大,单根极限抗拉力呈指数式增大,抗拉强度呈指数式降低;不同RAR(Root Area Ratio,即根系横截面积之和与土体横截面积的比值)下的根?土复合体抗剪强度相比素土样提升显著,RAR与黏聚力和内摩擦角之间具有显著的相关关系,其中RAR与黏聚力之间呈线性正相关关系,与内摩擦角之间呈高斯函数关系;根?土复合体库仑修正模型对黄土区草本植物根?土复合体的抗剪强度增量预测具有较好的合理性、有效性及适用性,修正WWM模型次之,WWM预测精度相对较差;而在木本植物根?土复合体的抗剪强度增量预测方面,根?土复合体库仑修正模型和修正WWM模型的预测精度要远高于WWM模型。研究结果对黄土地区植被护坡工程具有指导意义。