改进切线模量的非线性弹性模型

为了更好的反映基坑开挖后土体的变形非线性特性,采用幂函数描述土体剪切过程中切线模量随主应力差值增大而衰减的过程。积分得到主应力差值和应变的数学表达式,其反映的数学规律符合一般土力学模型的要求。对应于不同的幂指数,该表达式可以很好拟合三轴试验应力-应变曲线。基于Duncan-Chang模型参数确定的方法,提出了本文模型参数的确定方法。在通用有限元软件基础上二次开发了模型的计算程序。应用于某基坑变形的计算结果表明,本文提出的模型比Duncan-Chang模型能更好的预测围护结构的变形。     

上海地区基坑开挖数值分析中土体 HS-Small模型参数的研究

数值分析方法已成为分析敏感环境下基坑开挖对环境影响的最重要手段,其关键是选择合适的土体本构模型和计算参数。HS-Small模型可以同时考虑土体剪切硬化和压缩硬化,而且还可以考虑土体剪切模量在微小应变范围内随应变衰减的行为,因此,HS-Small模型在基坑开挖数值分析中具有很好的适用性。但HS-Small模型的参数较多,不仅包含了HS模型的参数,还包含了小应变参数,因此,获取完整的HS-Small模型参数存在一定困难。通过上海地区5个基坑开挖数值分析的实例对基于室内试验得出的上海典型土层HS模型参数进行了检验。通过参数的敏感性分析,对HS-Small模型的部分参数的确定方法进行了修正。在此基础上,采用反分析法确定了敏感性最强的小应变参数,从而初步完整地获取了上海典型土层土体HS-Small模型参数。采用文中确定的上海典型土层HS-Small模型参数对该地区若干典型基坑工程实例进行计算,结果表明,计算值与实测值吻合得较好,从而验证了确定的上海典型土层HS-Small模型参数的适用性。     

基坑开挖对邻近隧道影响的耦合分析方法

为了更合理和快捷地评估基坑施工对邻近已建地铁隧道的影响,将隧道视为弹性的地下连续梁来分析隧道本身的受力和变形,推导了隧道与周围土体相互作用的有限元耦合平衡方程,并引入弹性半空间层状模型来分析基坑卸载对土体和隧道变形性能的影响,建立了层状地基中基坑开挖对邻近隧道影响的耦合分析方法;然后,将提出方法与两阶段方法进行了算例对比,并结合离心机试验结果和工程实测数据进行了验证。研究发现,与两阶段方法相比,耦合方法在能反映出非均质层状地基土体的应力和应变集中（或扩散）现象,不仅具有更好的计算精度,而且减少了计算参数的数量;提出方法的理论计算值与离心试验结果基本一致,与工程实测变形数据基本吻合,验证了方法的有效性;通过工程实际应用得出的一些有益结论,可为合理制定城市基坑施工对邻近隧道影响的保护措施提供一定的理论依据。     

上海土体小应变硬化模型整套参数取值方法及工程验证

小应变硬化(HSS)模型能较合理考虑土体小应变阶段的非线性、应力相关等特性,在隧道和基坑开挖等变形数值计算中得到了广泛的应用,但目前对模型整套参数的合理取值尚缺乏系统地研究。剖析了HSS模型各参数的意义和对应的试验方法,并基于大量室内和现场试验数据建立了上海土体HSS模型主要参数与土体孔隙比的经验关系,为实际工程利用勘察报告方便且较准确地确定HSS模型参数提供了合理途径。通过多个深基坑工程的数值分析表明,采用现场试验确定的小应变初始剪切模量时,围护墙水平位移计算值和实测值基本吻合,表明提出的上海土体HSS模型整套参数取值方法有很好的普适性和工程实用价值,也为其他地区建立类似的HSS模型参数取值方法提供了借鉴。     

基坑开挖对邻近隧道影响的耦合分析方法

为了更合理和快捷地评估基坑施工对邻近已建地铁隧道的影响,将隧道视为弹性的地下连续梁来分析隧道本身的受力和变形,推导了隧道与周围土体相互作用的有限元耦合平衡方程,并引入弹性半空间层状模型来分析基坑卸载对土体和隧道变形性能的影响,建立了层状地基中基坑开挖对邻近隧道影响的耦合分析方法;然后,将提出方法与两阶段方法进行了算例对比,并结合离心机试验结果和工程实测数据进行了验证。研究发现,与两阶段方法相比,耦合方法在能反映出非均质层状地基土体的应力和应变集中(或扩散)现象,不仅具有更好的计算精度,而且减少了计算参数的数量;提出方法的理论计算值与离心试验结果基本一致,与工程实测变形数据基本吻合,验证了方法的有效性;通过工程实际应用得出的一些有益结论可为合理制定城市基坑施工对邻近隧道影响的保护措施提供一定的理论依据。     

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。     

筑坝土石料的变参数Ramberg-Osgood 模型及其适应性研究

被广泛采用的等价线性黏弹性模型不寻求土体动应力-应变的具体表达式,无法给出能量耗散函数,为深入研究筑坝土石料动力变形机制带来不便。变参数Ramberg-Osgood模型（简称R-O模型）通过变动两个参数以适应土体动模量衰减和阻尼增长,并给出滞回圈的数学表达式。研究中讨论了变参数R-O模型的适应范围,发现该模型不适合描述土体的小应变动力特性,给出了筑坝土石料变参数表达式,绘制了与试验曲线相协调的应力应变滞回圈。可以看出变参数R-O模型能够较好地描述筑坝土石料的动力特性,为进一步研究筑坝土石料的动力耗散与变形机制奠定了基础。     

基于Mindlin解的基坑分层卸荷附加应力计算及回弹变形的多因素影响分析

基于Mindlin应力解提出分层开挖条件下深大基坑底部土体卸荷附加应力计算方法,并在分层总和法计算回弹变形时考虑了基坑开挖过程中土体回弹模量与附加应力的非线性关系。计算结果表明:受分层卸荷作用深度的影响,大部分深度范围内分层开挖下土体卸荷附加应力小于一次性开挖,且在坑底以下3倍基坑深度范围内两者差值较为明显;基坑面积相同时,长条形基坑坑底卸荷附加应力小于正方形基坑;该方法结合当层法后可用于分析坑底加固对土体卸荷附加应力及回弹变形的影响,即随着加固体回弹模量或厚度增大,卸荷附加应力与回弹变形均减小,且回弹变形减小的幅度也相应递减。通过对杭州火车东站西广场项目的分析,验证了该方法的合理性,并基于参数分析提出了加固体回弹模量与厚度的等效设计方法,对实际工程具有指导意义。     

基于Duncan-Chang本构的非线性土压力模型

假设基坑工程中挡土结构的变形和土压力服从双曲线模型,类比Duncan-Chang本构建模思想,在前人关于基坑主动区和被动区变形假设的基础上,建立了可以考虑位移变化的非线性土压力模型。把非线性土压力模型和Duncan-Chang本构模型联系起来,使得本文非线性土压力模型参数确定有根据。把弹性地基梁模型和该非线性土压力联系起来,使得弹性抗力系数的概念更加明确。以m法为例,深入分析了m法的影响因素。      

基坑装配式可回收支护和桩锚支护结构的受力与变形分析

基坑支护工程在我国城市化建设过程中具有重要的作用,一些新型支护形式的出现极大丰富了基坑支护的多样性。本文以衡水市现场基坑支护实验工程为背景,工程将装配式可回收支护结构和桩锚支护结构作为研究对象,通过室内土工试验数据确定本构模型参数,利用有限元软件PLAXIS3D建立三维有限元模型,模拟基坑开挖和支护的全过程,并分析基坑土体和支护结构的受力、变形特征。对比相同土体和开挖条件下装配式可回收支护结构和桩锚支护结构的稳定性,结果表明：装配式可回收深基坑支护形式能更好地控制土体隆起变形,更利于限制深层土体的位移,也可以更好地控制坑顶水平位移。装配式支护结构施工简单速度快,且能回收利用,符合我国绿色建筑理念。     

考虑基质吸力的非饱和土邓肯-张统计损伤修正模型

为反映非饱和地基土变形全过程,以某基础工程非饱和土为研究对象,开展固结排水三轴压缩试验。研究发现,非饱和土的偏应力-应变曲线形态近似双曲线,基质吸力对土体力学行为影响十分明显,基质吸力越大,土体偏应力越高。根据非饱和土变形特性及工程特点,选取邓肯-张双曲线模型作为基础模型,引入统计损伤理论,假设非饱和土微元强度服从Weibull概率密度分布,建立邓肯-张统计损伤模型。通过搭建初始切线模量与基质吸力的联系,建立一种新的考虑基质吸力的非饱和土邓肯-张统计损伤模型。给出参数解析方法,得到Weibull分布参数经验表达式,从而修正模型。分析不同基质吸力条件下非饱和土损伤累积规律,采用所建模型和传统邓肯-张模型对比验证非饱和土偏应力-应变试验曲线,证明所建模型的可行性和合理性。研究成果为非饱和土的力学特性研究及辨识模拟提供一定参考。     

考虑降解效应的城市固体废弃物非线性本构模型

基于城市固体废弃物(MSW)的降解及土力学特征,在应力降解模型、等向压缩特性和邓肯-张模型的理论基础上,建立了一个能够描述MSW应力和降解耦合作用的全量非线性本构模型。给出了不同应力状态下单元体体积和轴向变形随时间变化的数学表达,同时给出了所有参数的确定方法。采用该模型对不同龄期和不同围压条件下填埋场现场试样的三轴CD应力-应变曲线以及室内长期一维降解压缩试验进行了模拟。结果表明,模型概念合理、参数明确,能够较全面地描述不同降解龄期垃圾的本构关系,可用于分析填埋场的长期变形。     

含水率对滑带土强度及变形影响试验研究

为了研究含水率对滑带土强度及变形特性的影响,选取某大型滑坡滑带土进行不同初始饱和度的常规三轴固结排水（气）剪切试验,采用了一种新型气水转换的外体变测试装置来研究非饱和土体变。研究成果表明,含水率对滑带土强度有很大的影响,初始饱和度越高,强度值越低,凝聚力c与饱和度呈阶梯状陡降关系,内摩擦角? 可以与初始饱和度建立线性关系式;含水率越高,土样体变越小,Duncan-Chang模型参数K、Kb、G受含水率影响较大,与初始饱和度呈线性变化关系;n、m、F、Rf、D受含水率的影响较小,不同初始饱和度下的参数值相差不大,可取平均值作为不同饱和度下的模型参数。     

基于图像测量的饱和细砂排水剪切试验研究

将计算机数字图像测量技术应用于土工静力三轴试验的土样变形测量,实现了土样变形的非接触测量。针对南宁饱和细砂,采用干装敲击法和控制不同初始成样含水率的湿装夯实法制备松砂和密砂试样,联合采用数字图像测量技术与常规三轴变形量测方法,在不同围压下进行了固结排水剪切试验。着重探讨了成样方法、初始成样含水率、密实程度、固结围压对两种量测方法所获得的应力-应变关系与邓肯-张模型中的切线模量5参数的影响。试验结果表明：成样方法、初始成样含水率、密实程度和围压决定土样的剪切破坏形式,影响应力-应变关系;剪切破坏的形式以及剪切带位置的不同,导致图像测量和常规三轴试验获得的轴向应变和偏应力数值均存在不同程度的差异;邓肯-张模型5参数不仅受到试样的成样方法、初始成样含水率、密实程度的影响,而且受到量测方法的影响。     

真三轴应力条件下修正邓肯-张模型的试验研究

邓肯-张非线性模型已经被广泛的应用于工程实践的应力-应变数值分析中。考虑轴对称应力条件下邓肯-张模型应用于复杂应力时存在的不足,依据原状土的真三轴试验数据对邓肯-张模型预测结果与实测结果进行比较,论证了复杂应力条件下邓肯-张模型的适用性。通过考虑真三轴试验应力条件下中主应力对大主应变的影响,邓肯-张E-B模型大主应变叠加中、小主应力差作用产生的变形,提出了不同中主应力比的邓肯-张E-B模型参数确定方法,建立了复杂应力路径条件下修正的邓肯-张E-B模型。经与西安原状土真三轴试验结果进行比较,验证了修正邓肯-张E-B模型的正确性,为邓肯-张模型在复杂应力条件下的应用提供了途径。     

含盐冻结粉质黏土应力-应变关系及强度特性研究

通过对含盐冻结粉质黏土进行三轴压缩试验,分析了该土质在加载至破坏过程中的应力-应变行为,并利用Duncan-Chang双曲线模型求得冻结盐渍粉质黏土的初始弹性模量和偏主应力的最大值。结果表明,初始弹性模量和偏应力最大值随着含盐量的减小和温度的降低而增加。为了分析含盐量对土体强度的作用机制,提出了“相对温度”这一概念,给出相对温度和抗压强度间的线性关系。以一综合指标“相对温度”来考虑盐分、试验温度等多种因素对冻土特性的影响,建立盐渍土和非盐渍土的关系,从而用非盐渍土的力学性质研究盐渍土的力学性质。     

单剪条件下主应力大小及主应力轴方向

对单剪条件下的应力莫尔圆变化过程进行详细分析,将莫尔圆从初始状态到破坏状态的大、小主应力变化过程看做由若干个等增量步组成,从而推导出任意剪应力状态与初始状态对应的小主应力差值与两者大主应力差值的比为一常数,该常数可以根据初始状态莫尔圆和破坏时对应的莫尔圆确定。推导出单剪条件下任意剪应力对应的大、小主应力及主应力轴方向的表达式。讨论了土体材料参数及法向应力对主应力轴偏转过程的影响以及大、小主应力与剪应力的关系。结果表明：在土体材料参数一定的条件下,主应力轴方向由应力比唯一确定;法向应力一定,土体的摩擦角越小,相同剪应力对应的主应力偏转角越大;剪切起始阶段,主应力变化缓慢,随着剪应力增大,主应力急剧变化至土样破坏时保持不变。     

K0应力路径试验在上海地区工程勘察中的应用

上海地区在进行软粘性土的变形特性试验时,勘察过程中极少进行对原状土在不同应力路径下的变形及强度试验研究,这使得报告中提供的参数不能很好地和基坑开挖卸荷过程中土体地层的实际相吻合。本文以上海市徐家汇某深大基坑项目为例,在勘察阶段进行K0应力路径三轴试验,试验内容为对选取的代表性土样进行加荷、卸荷及再加荷,并记录各阶段的应力应变及变形模量。对试验结果的分析表明,应力路径对软粘性土的影响较明显,K0应力路径可以较为真实地反映土体在天然状态下进行基坑开挖过程中的变形特性。建议以后在对变形敏感的深大基坑工程中加强推广应用。     

垃圾土力学性质的室内试验研究

对室内配制的不同成份的垃圾土分别进行了固结不排水和固结排水三轴压缩试验。结果表明,垃圾土的本构关系基本符合邓肯-张双曲线模型。垃圾土中有机质及土粒的含量是影响垃圾土强度参数c,φ值的重要因素。对于有机质含量较高而土粒含量较低的垃圾土,c宜取低值,φ宜取高值。给出了c,φ值的取值范围及其变化规律。随着时间的变化,c值会有所增加,而φ值会有所降低。观察到垃圾土的轴向应变超过30 %而其主应力差仍然在增长。垃圾土在固结过程中,存在滞留孔隙水压力,其渗透系数k值的变化与应力、时间、垃圾土的成分等因素有关。在固结排水三轴压缩试验的剪切过程中,孔隙水压力会随轴向应力的增加而增加,试验所得到的总应力强度参数并不就是有效应力强度参数。     

乌东德水电站地下厂房层状岩体稳定性及变形机制

乌东德水电站右岸地下厂房洞室群密集、开挖规模大、地质条件复杂,开挖期间变形破坏问题突出。在地应力实测资料、工程地质特性、开挖过程分析的基础上,利用离散元程序对右岸地下厂房开挖过程进行数值模拟,再现不同模型的应力场、位移场演化过程,分析陡倾角层面对于主厂房变形的影响作用。同时,构建高精度微震监测系统,对开挖诱发的微震活动实时在线监测;分析微震事件聚集规律、S波及P波能量比值Es /Ep分布特征,识别和圈定潜在风险区域,揭示围岩变形机制。微震监测与数值模拟结果表明：在开挖卸荷作用下,陡倾角层面附近岩石破裂,微震事件聚集,能量释放,引起围岩变形破坏。围岩以结构面控制的应力驱动型张拉破坏为主,并伴随少量重力驱动型变形。该研究结果为乌东德水电站地下厂房的开挖和支护设计方案提供重要依据。