自钻式原位剪切旁压模型PFC3D细观模拟

自钻式原位剪切旁压试验(self-boring in-situ shear pressure-meter)以其独特的多级加载方式, 能够直接测出土体的强度和变形参数, 然而, 目前对探头周围土体变形机理研究较少.为揭示自钻式原位剪切旁压仪试验过程中测定器周围土颗粒变形机理, 应用PFC3D(particle flow code in three dimensions)颗粒流程序对自钻式原位剪切旁压试验进行了仿真数值模拟, 对多级加载过程中探头周围土体的位移场和应力场发展变化以及数值试样各阶段变形模量和土颗粒运动轨迹进行了分析研究.试验结果表明: 随着剪应力的逐级施加, 中间区域颗粒的位移量不断增大, 且位移矢量方向性更加显著.径向应力在探头附近两侧形成近似呈对称分布的数个"应力核"; 竖向应力在探头两侧形成扁平状应力带, 且在肩部形成应力集中区.中部区域球颗粒的运动轨迹成台阶状, 且随距探头距离的增大由近到远可分为3个特征区域; 球颗粒的Z向和XY向位移量亦随之呈负指数形式衰减, Z向位移量衰减速率更快.      

SBPT测定饱和黏土不排水强度的数值分析

自钻式旁压试验（SBPT）因其扰动小、测试深度大、可以获得应力-应变、超孔隙水压力-时间等数据,在确定地基土性参数和地基承载力上有广阔的应用前景。然而由于用以解释SBPT的柱孔扩张理论（Gibson解）所采用的平面应变假设与实际旁压腔几何特征存在差异,导致试验所确定的黏土不排水剪切强度su与其他原位试验或室内试验结果存在差别。针对旁压腔几何尺寸及应变区间的选择对确定su的影响,基于修正剑桥模型,采用低渗透系数控制加载过程中不排水条件,利用有限元法模拟SBPT,建议了不同应力历史下确定su的应变区间,并给出考虑几何尺寸影响时相应应变区间上su的修正系数。     

自钻式原位剪切旁压模型不同固结荷载颗粒流数值试验

自钻式原位剪切旁压仪具有扰动小,能同时测出不同深度土的变形和强度参数,在精确测定土体参数方面具有广阔的应用前景。然而,目前受分析手段与研究水平的限制,对SBISP多级加载过程中周围土体的变形响应研究较少,而土体变形参数的确定与其变形机制是密切相关的。基于此,应用PFC3D颗粒流程序对不同固结荷载SBISP模型进行了仿真数值试验,试验结果表明:随着剪应力的逐级施加,中间区域颗粒的位移量不断增大,且位移矢量方向性更加显著,在第5级剪应力作用下,影响区域位移矢量形状呈现为倒锥形;而随着上覆固结压力的增大,探头周围试样的受影响范围逐渐变小;在探头作用下球颗粒的运动轨迹呈台阶状,台阶形态随距探杆中心距离增大而趋于平缓,球颗粒的Z向位移量亦随之呈负指数形式衰减;此外,剪应力与探头摩擦系数呈正相关关系,但当摩擦系数达到某一阈值时,剪应力-位移曲线不再变化。其研究成果对于深入开展SBISP试验多级加载过程中影响域内土体变形过程与变形模量之间关系研究具有重要启迪意义。     

重塑超固结上海软土力学特性及弹塑性模拟

对典型上海软土重塑样进行了围压不变和平均主应力不变的三轴排水剪切试验,得到重塑上海软土在不同初始超固结比和围压条件下的应力-应变关系,弄清了超固结比、围压以及应力路径对重塑上海软土的变形和强度特性的影响;根据土体的应力-应变曲线得到重塑上海软土的临界状态应力比及内摩擦角。采用姚仰平等建议的基于伏斯列夫面的超固结土本构模型,并根据等向压缩及三轴排水剪切试验确定其模型参数,对保持围压和平均主应力不变的三轴压缩试验进行了模型预测。预测结果表明,此超固结土本构模型能较好地反映重塑超固结上海软土的变形和强度特性。     

海相沉积软土的自钻式旁压试验及原位力学特性

海相沉积软土广泛分布于我国沿海地区,是典型的结构性土,具有灵敏度高、承载能力低等特点。通过自钻式旁压试验调查软土场地的原位力学特性,获得了29.0 m深度范围软土层的原位水平应力、临塑压力、不排水抗剪强度、剪切模量等力学指标。结果表明,软土的旁压试验曲线可分为应力平衡阶段、弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段4个阶段;破坏阶段之前软土的卸载会造成有效应力的显著降低,在工程实践中对软土卸载过程的稳定性应予以关注;软土的剪切模量具有明显的非线性特征,采用非线性分析法得到的剪切模量较为合理。通过对试验结果的拟合,建立了原位水平应力和临塑压力随深度变化的经验公式,可为工程中该两类参数的确定提供参考依据。     

海口红黏土的结构性本构模型研究

土体结构性的数学模型是21世纪土力学的核心问题。由于土体微观结构的变化造成了重塑土与原状土的力学特性上的差异。采用应变型和应力型结构性宏观参数来表征这种微观结构的变化,同时将应变性结构性参数引入到等向固结过程中去,用以描述常规三轴试验中剪切前的等向固结过程以及剪切时球应力对结构性土体的影响。实现应变型和应力型结构性宏观参数对整个三轴剪切过程的描述。修正剑桥模型对正常固结重塑黏土的三轴压缩试验能做出准确地描述,但对超固结黏土及原状土,即具有结构地土体,则不能给出准确地描述。将应变型和应力型结构性宏观参数引入到修正剑桥模型中,实现修正剑桥模型的结构化。该结构性修正剑桥模型参数的确定方法与常规修正剑桥模型参数的确定方法相差不多,只不过多了球应力与土体结构性体应变的关系式、偏应力与土体结构性广义剪应变的关系式。经过数值模拟比较,结构性修正的剑桥模型能较好地反映原状土的结构性演化过程,能描述原状土结构的整个破坏过程,在多种应力路径下具有很好的预测作用。     

SBPM试验不同长径比颗粒流细观模拟

自钻式旁压试验（Self-boring pressure-meter）具有对原位土体扰动小,测试深度大,能够得到不同深度处土体的应力-变形曲线,在测定地基土性参数和地基承载力上具有广阔的应用前景。然而受分析手段和研究水平限制,目前对SBPM试验不同长径比（length-to-diameter ratio）测定器加载过程中周围土体的细观变形响应研究较少,而土体参数的确定与其变形机制是密切相关的,基于此,应用PFC3D（Particle Flow Code in Three Dimensions）颗粒流程序对不同长径比L/D（6、10、15、20）下自钻式旁压试验进行了数值模拟,对测定器孔应变一定时,周围土体的位移场和应力场分布变化进行了分析研究。试验结果表明:根据长径比的大小,位移场和径向应力场分布可分为两种形式:当长径比L/D=6时,位移场和应力场分布呈弧形壁灯笼状,测定器周围土体变形在其高度上不符合平面应变轴对称条件,且L/D=6时的土体应力小于后3值（L/D=10、15、20时）; 当L/D=10、15、20时,则呈直壁灯笼状,此时在测定器高度上应力分布比前者均匀,其变形基本符合平面应变轴对称条件。径向应力在测定器附近两侧形成近似成对称分布的数个应力集中区。当测定器径向应变一定时,随着L/D的增大孔壁处土体径向应力逐渐呈负指数减小并趋于稳定。     

SBPM试验不同长径比颗粒流细观模拟

自钻式旁压试验(Self-boring pressure-meter)具有对原位土体扰动小,测试深度大,能够得到不同深度处土体的应力-变形曲线,在测定地基土性参数和地基承载力上具有广阔的应用前景。然而受分析手段和研究水平限制,目前对SBPM试验不同长径比(length-to-diameter ratio)测定器加载过程中周围土体的细观变形响应研究较少,而土体参数的确定与其变形机制是密切相关的,基于此,应用PFC3D(Particle Flow Code in Three Dimensions)颗粒流程序对不同长径比L/D(6、10、15、20)下自钻式旁压试验进行了数值模拟,对测定器孔应变一定时,周围土体的位移场和应力场分布变化进行了分析研究。试验结果表明:根据长径比的大小,位移场和径向应力场分布可分为两种形式:当长径比L/D=6时,位移场和应力场分布呈"弧形壁灯笼状",测定器周围土体变形在其高度上不符合平面应变轴对称条件,且L/D=6时的土体应力小于后3值(L/D=10、15、20时);当L/D=10、15、20时,则呈"直壁灯笼状",此时在测定器高度上应力分布比前者均匀,其变形基本符合平面应变轴对称条件。径向应力在测定器附近两侧形成近似成对称分布的数个应力集中区。当测定器径向应变一定时,随着L/D的增大孔壁处土体径向应力逐渐呈负指数减小并趋于稳定。     

软土地层基坑开挖扰动及土体再压缩变形研究

软土地层基坑开挖会对坑底土体产生严重扰动,受开挖扰动影响,坑底土体应力状态和力学性质将发生变化。因此,正确评价开挖扰动程度及扰动对土体工程性质的影响十分重要。通过对现有施工扰动评价方法的总结,以太湖隧道基坑工程为例,采用有限元模拟方法研究了不同开挖深度下坑底中心土体扰动度分布规律及强扰动区深度。进一步,以不排水抗剪强度为评价指标,建立了基于孔压静力触探(CPTU)锥尖阻力的黏性土开挖扰动评价方法,并与有限元扰动评价结果进行了对比,取得了较为一致的结果。最后,采用考虑土体扰动的沉降计算方法,结合有限元扰动度计算结果,对不同基底附加应力下坑底扰动土体的沉降变形进行了计算。计算结果表明,扰动会显著增加地基沉降量,当基底附加应力从100 kPa增加至150 kPa时,考虑土体扰动的地基沉降量与不考虑土体扰动的地基沉降量比值将从1.43增加至2.24。     

天然沉积粉质黏土的应力路径试验研究

天然沉积土在沉积过程中产生了结构性和各向异性,使其受力变形特性与重塑土存在明显的差异。实际工程中的天然土体往往在受荷过程中会经历不同的应力路径,因此,需要开展考虑结构性和各向异性影响的应力路径试验。通过研究不同应力路径下土体的力学特性,为建立复杂应力路径下的合理的本构模型提供试验依据。采用大直径PVC管取样器获取张家港地区地下2.5 m深的粉质黏土不扰动土样,通过GDS三轴仪对土样进行了K0固结不同排水应力路径试验。结果表明,应力路径对不扰动土样的体积变形和剪切变形均有显著影响,且球应力和偏应力对土的体应变和剪应变存在交叉影响。无论以体积变形为主还是剪切变形为主的应力路径下,应力-应变曲线都有明显的屈服性状。通过描绘试验所得各应力路径下的屈服点,获得张家港不扰动土样的屈服轨迹大致呈倾斜的椭圆形状,采用Wheeler模型的屈服面与试验屈服点的吻合程度要优于Nakano模型。     

基于统计分析离子型稀土矿体力学参数的测点布置

基于统计分析结果合理布置测点,测试土体力学参数具有测试结果准确和经济快捷等优点。在赣南某稀土矿山非等间距布置6个测点,共计18个测试孔,通过旁压试验和钻孔剪切试验测试了离子型稀土矿体的旁压模量、变形模量、压缩模量、黏聚力和内摩擦角等力学参数,运用经典统计学方法和地质学统计方法分析矿体力学参数的空间变异性。研究结果表明:试验矿块内矿体的黏聚力和旁压模量属于强变异,黏聚力的变异系数为0.48,旁压模量的变异系数为0.36;内摩擦角属于弱变异性,其变异系数为0.067;假设由18个测试孔的测试数据计算得到各力学参数为真值,若15%为工程可接受的误差,运用经典统计学方法分析和地质统计学方法分析结果表明,对于试验矿块,在45 m范围内均匀布置5个测点,测试结果可有效估计矿块内黏聚力和旁压模量的平均值和变异系数。     

In-situ testing of Singapore marine clay at Changi

The Changi East Reclamation Project in the Republic of Singapore comprises of the ground improvement of marine clay with the installation of prefabricated vertical drains and subsequent surcharge placement. Prior to the commencement of land reclamation works, a series of in-situ tests were conducted in marine conditions with the use of various in-situ testing equipment. The In-Situ Testing Site was located in the Northern area of the project where the thickest compressible marine clay layers existed. The in-situ tests carried out were with the field vane, piezocone, flat dilatometer, self-boring pressuremeter and BAT permeameter. In-situ tests were conducted to determine the undrained shear strength and overconsolidation ratio of the marine clay. In-situ dissipation tests provide a means of evaluating the in-situ coefficient of horizontal consolidation and horizontal hydraulic conductivity of soft soil and were used to estimate these properties of Singapore marine clay at Changi.     

冻土旁压试验与单轴试验对比

为了认识冻土旁压试验结果与常规试验结果之间的关系,在室内分别开展了冻结重塑黏土的旁压试验和单轴压缩试验,并对试验结果进行了对比分析。结果表明,在各级荷载作用下旁压曲线一般都呈现应变速率衰减的趋势,而单轴曲线在冻土破坏时会出现渐进流动阶段。旁压试验的应力-应变曲线呈现应变硬化型,而且出现初始拟弹性阶段;而单轴试验的应力-应变曲线则属于应变软化型,并在轴向应变大约为10%时达到剪应力峰值。温度相同时,旁压试验的剪切强度以及初始弹性模量都要大于单轴试验,且温度越低差值越大。     

自钻式原位剪切旁压模型试验颗粒流模拟

基于颗粒流理论思想,应用PFC3D 程序对自钻式原位剪切旁压模型试验(SBISP)进行了仿真模拟。以室内模型试验为基础,建立数值模型,模拟了自钻式原位剪切旁压试验加载过程,通过与SBISP试验曲线对比,验证了数值模型的有效性,分析了复杂加载条件下探头周围土体的位移发展模式和细观力学响应。数值试验结果表明,随着剪切应力的逐级施加,中间区域颗粒的位移量不断增大,并且位移矢量的方向性也更加显著,在第五级剪切应力作用下,受影响区域位移矢量形状为一倒锥形; 而且剪切应力变化与探头摩擦系数有关,当摩擦系数达到某一值时,剪切应力-位移曲线不再发生变化。     

软土基坑土压力计算抗剪强度参数的分析

根据上海某软土工程试验资料,对比分析了不同试验方法抗剪强度指标计算基坑土压力的变化。参考国家标准、行业标准和地方规范,同时结合实际工程经验和地方经验,论证了不同试验方法抗剪强度指标的适用性。建议在基坑支护结构设计中土压力计算应采用固结不排水强度指标,当有可靠工程经验时,也可采用直剪固快强度指标。     

中主应力对砂土抗剪强度影响的分析

土的抗剪强度参数一般通过三轴压缩试验确定。而三轴压缩试验中土的应力状态是轴对称的,这往往与实际工程中土体的受力情况不相同。因此,探讨一般应力条件下与三轴应力条件下强度指标之间的相互关系是至关重要的。基于砂土的空间滑动面强度准则即SMP准则,针对不同中主应力系数,通过数值分析探讨了中主应力系数对砂土抗剪强度指标的影响。分析结果表明,中主应力对土的抗剪强度指标具有显著的影响,一般地在平面应变条件下这种影响最大。     

Essential Findings in Pressuremeter Theories

The pressuremeter, used for in situ soil testing, has undergone significant development both in its technical applications and in the interpretation methods employed for a range of parameters. Several methods have been developed to evaluate the undrained strength of a soil using a pressuremeter. Test results based on these methods show distinctive discrepancies. Different methods for evaluating the limit pressure are also presented. The values of these limit pressure evaluations vary based on the evaluation method used. In any given test, the limit pressure results also affect the values deduced for undrained shear strength. The discrepancies in the undrained shear strength values exceeded 80 % for the same test when evaluations were made with different interpretation methods. Because of the large discrepancies in the results of the undrained shear strength when using different analysis methods, the Gibson and Anderson method is recommended as being most reliable in deducing undrained shear strength values from pressuremeter tests, particularly for use in the design of foundations.