主动侧向受荷桩桩周土的影像观测与数值模拟

在室内模型试验中对模型桩顶施加水平荷载,分别采用数字照相无标点变形量测系统及配套量测分析软件形象地再现了不同密实度砂土中桩周土体及地表土体水平位移分布规律。对双桩的地表水平位移分布情形进行观测分析,结合桩顶位移与水平荷载的关系研究了桩间距对桩与桩之间的相互作用的影响。应用颗粒流程序PFC2D模拟一定深度平面内桩周土体位移,揭示了主动桩桩周土的颗粒流动性状及桩间距对桩-土相互作用的影响。结果表明,主动受荷桩桩周砂土位移场呈两个纺锤体状;砂土密实度增加,桩前砂土变形范围增大;桩间距越小,相邻桩相互影响越明显。     

杭州湾浅层储气砂土应力路径试验研究

利用GDS非饱和三轴试验系统开展了杭州湾储气砂土主动压缩、被动压缩、主动伸长与被动伸长等4种应力路径试验研究,以论证应力路径对非饱和砂土的变形性状与强度特性影响。结果表明,在卸荷应力路径被动压缩与被动伸长下非饱和砂土的应力-应变曲线呈明显的应变软化性状,而加荷应力路径主动压缩与主动伸长则分别表现为轻度应变软化及显著应变硬化变形特征;非饱和砂土的强度参数在卸荷与加荷应力路径中也存在差异,前者的有效凝聚力高于后者,而内摩擦角则相反;但其表观凝聚力与基质吸力关系在不同应力路径下均可用乘幂函数 有效描述,而试验参数a、b值不同,公式 可合理地用于表述非饱和砂土的强度特性。     

冲击荷载下土体动力响应与加载速率效应研究

为揭示土体在冲击荷载作用下的动态响应特征,运用自主研发的附加激发力式平板动力载荷试验系统（flat dynamic load test,简称FDLT试验）对广州大学城区内两种典型土体（砂土和黏土）进行了不同荷载大小和加载速率的FDLT试验,获取了土体在冲击荷载下的荷载-时程曲线、位移-时程曲线、荷载-位移曲线的3种关系曲线。建立了动态变形模量与加载速率的经验公式,对比分析了两种土体在冲击荷载作用下的加载速率效应。研究表明：（1）砂土的FDLT试验存在一个充电量临界值,在该充电量冲击试验过程中,加载速率对砂土的动态强度及变形有较大的影响,而对黏土在本次试验条件下未有明显影响。（2）加载速率对黏土与砂土的位移响应的相同之处在于,最大荷载和最大位移均随加载速率的增大而提高;不同之处在于,黏土达到位移峰值时间会随加载速率增大而延长,而砂土达到位移峰值时间随加载速率增大呈现先增加后减小的规律。（3）土体的动态变形模量与加载速率曲线呈对数变化关系。本研究成果可为土体动力特性研究、土的动静参数换算和工程设计提供依据。     

软土蠕变固结特性研究

通过大量对比试验系统研究了广东典型软土的蠕变固结特性和计算模型。试验结果表明：软土的固结和次固结在变形中所占比例和发生受多种因素影响,包括初始荷载、加荷比、土体固结度、含水率、孔隙比;次固结系数与土体的应力历史、当前固结状态及加荷比有关,在预压荷载下会明显减小;次固结系数与压缩指数之比一般为常数,其值在0.025?0.10之间;剪切蠕变特性与土体所承受的固结压力有关,土样蠕变规律呈应变硬化特征;三轴蠕变特性与排水条件关系密切,固结作用可以削弱蠕变效应;同等加荷条件下,偏应力-轴向应变关系在排水剪切中呈线性关系。而在不排水剪切中呈非线性,并有明显的屈服特征;不排水剪切条件下持续加荷的加荷方式可以适当提高不排水强度。根据上述试验成果分别从考虑非线性本构关系和考虑排水条件分析了蠕变固结模型的建立路径。     

扁铲探头贯入干砂的位移特征试验研究

扁铲侧胀试验（DMT）已在国内外岩土工程勘察、地基加固效果评价等领域中得到广泛应用。DMT的测试过程在扁铲探头贯入到测试位置后进行,因此探头的贯入过程对土体造成的扰动在一定程度上将直接影响测试结果。目前关于扁铲探头的贯入机理,以及贯入过程可能引起的土体扰动及其对测试结果的影响尚未研究清楚。通过室内模型试验手段,进行扁铲探头贯入不同初始密实状态下均质干砂的试验研究,分析了探头贯入过程中产生的土体位移场分布特征。试验结果表明:扁铲探头的楔形部和膜片所在的侧胀部贯入产生的挤压作用是引起土体变形扰动的主要原因;探头楔形部的贯入过程表现为向下和向斜侧面挤压土体,竖向位移量很小,产生向两侧扩展为主的扁状位移场,而探头侧胀部的贯入过程主要表现为向两侧面水平向挤压土体,产生半椭圆状水平位移场且分布范围明显更大,同时探头侧面表现为一定的剪切作用而产生较窄范围的竖向位移场。另外,扁铲探头贯入干砂产生的位移场受砂土初始密实状态的影响较小,主要表现为探头楔形部周围的位移场分布范围随密实度增大而扩大。     

基于DFOS的排灌水条件下土体变形响应模型试验研究

黏土层和砂土层交替变化的多层土体在强烈开采地下水作用下极易产生压密固结而引发地面沉降灾害。本文针对含水层释水引起地面沉降问题,研制了地面沉降试验装置,进行了排灌水条件下含水层系统的沉降及回弹试验。采用分布式光纤感测技术对土体内部应变分布及含水率变化进行耦合监测,并分析了各分层对水位变化的响应特征。结果表明:黏土层和砂土层均表现出了排水压缩和灌水回弹特点,黏土层变形较砂土层明显。各层变形与含水率变化具有良好的对应关系,表现为砂土层变形和含水率变化基本同步,而黏土层变形略微滞后于含水率变化。黏性土压缩曲线具有明显的分段特征,排水时当含水率低于液限后迅速减小,黏土层压缩速率明显加快;回灌时当含水率高于液限后,回弹速率明显加快。试验结果对研究地面沉降机理、评价地面沉降潜力及地下水利用具有重要意义。     

饱和砂土局部变形带模拟的有限元数值实现

基于有限变形理论,推导了Newton-Raphson 迭代算法在k+1步增量表达的矩阵形式,实现了饱和砂土变形局部化的有限元数值计算,得到了饱和砂土发生局部化变形的准则。基于Galerkin 方法,得到了位移场和应力场的空间离散化矩阵方程;由土体局部变形带的连续性条件,引入第1切线算子,推导出了砂土等颗粒状媒介发生局部化变形的必要条件。基于此核心算法,编制了有限元计算程序,模拟了饱和砂土在不排水条件下平面压缩过程中剪切带的形成与发展;通过比较分析,研究了有限元网格粗细对于土体局部变形带的影响,结果表明,网格粗细的病态依赖只是微小的,它只与变形条带的宽度有关,对于土体所表现出来的其他力学特性没有影响。     

上拔扩底基础与地基土体承载特性差异性分析

工程中多采用基础上拔静载试验中基础顶部荷载-位移曲线获取基础的承载力,忽略了基础周围土体的变形破坏过程,而实际工程中均是基础周围地基土体发生破坏。为研究扩底基础与其周围土体在抗拔承载特性方面的差异,以黄土地基中的9个扩底基础为研究对象,通过现场全尺寸基础的上拔静载试验,分别获得基础顶部与地表的上拔荷载-位移曲线,并进一步对基顶与地表处的荷载-位移曲线变化特征、抗拔承载力取值进行对比分析。结果表明,两处的荷载-位移曲线变化特征相似,相同上拔荷载作用下地表处的位移量均小于基础处位移量,差异以初始弹性阶段变形最为突出;两者在弹性极限荷载QL1取值方面,相差较大,但随着地基基础由弹性向塑性发展,差异逐渐减小,两者塑性极限荷载QL2取值基本相同。结合上拔扩底基础的破坏模式,分析出上述差异主要由于基础与周围土体之间变形不协调所致,加载初期基础顶部的上拔位移包括基础拔出量和上部土体压缩量,当上部土体压密后压缩变形消失,地基基础成为一个整体,上拔基础与周围土体的变形趋于协调。     

圈围工程中高强有纺土工布加筋垫层变形试验研究

应用大刚度、长标距、大量程的SDW-100型位移传感器,采用500 kN/m高强有纺土工布进行室内试验和现场试验,研究高强土工布加筋垫层的变形情况。室内拉伸试验成果表明,位移传感器在每级加荷情形下的变形量与试验机上显示变形量具有较好的一致性,说明该类型传感器用于现场加筋高强土工布的变形测试是适用的,并因此得到高强有纺土工布的变形模量为8314.4 kN/m。现场试验表明,(1) 大堤底部的土工布位移曲线基本表现为盆形,中轴线下的土工布位移量最大;(2) 大堤下部土工布的位移量大小与外棱体的位移方向明显相关;(3) 现场试验中高强土工布的最大实测变形率为11.9%,按室内试验得到的变形模量计算出该计算高强有纺土工布的应力值为837.40 kN/m,表明按照现场实际加荷速率设计的高强有纺土工布强度值偏小;(4) 施工间歇期高强土工布的应力会出现重分布现象,具体表现为大堤轴线下变形量明显减小,现场实测成果与Plaxis有限元计算成果规律性吻合情况较好,试验成果符合一般规律;(5) 土工布的变形率与围堤上部现场施工加荷的速率关系很大,现场施工时设计单位应当提出一个加荷速率控制值;(6) 当高强有纺土工布的强度一定时,土工布的伸长率相对较大有利于快速加荷施工。     

竖向循环荷载作用下砂土中单桩承载特性模型试验研究

采用自主设计的竖向循环加载装置,通过室内模型试验研究竖向循环荷载作用下砂土中单桩承载特性和桩周土体变形机制。根据试验结果,桩体累积位移可以划分为不发展区域、渐变发展区域、破坏区域3种区域;滞回曲线的滞回圈包络面积随着循环次数的增加,呈现逐渐减小的趋势,滞回曲线由不闭合发展为闭合曲线,桩周土体由弹塑性变形逐渐转变为弹性变形。采用粒子图像测速（particle image velocimetry,简称PIV）技术对循环荷载作用下桩周土体变形进行实时量测,得到桩周土体完整的位移场和剪切应变场。结果表明：循环周期、幅值和密实度为桩周土体变形的主要影响因素,随着循环周期的增加,剪切破坏带在接近土体表面处呈现内敛趋势,剪切破坏面最终近乎平行于桩-土界面。循环荷载幅值越大,表层土体在循环荷载作用下越趋于密实,侧向土压力增大,位移影响区域减小,对应剪切应变场呈现“耳”状分布,幅值比循环周期更容易导致桩周土体出现沉陷。不同砂土密实度中的桩体累积位移随着循环周期呈现出不同的特征,松砂状态下桩周土体位移场呈现倒截锥形,密砂则呈现圆柱形。     

侧限压缩下砂土的细观力学特性及其形态分析

本文基于室内固结试验,自行设计加工了土体受到轴向压力和侧限条件时,对土的细观结构进行观测的细观结构观测固结仪.通过对中砂半模固结仪试验的宏观变形场分析选择了细观特征观测点,发现中砂的位移场类似于抛物线形,位移量最大区总是发生在上透水石的底面中心处;利用MiFas图像软件对中砂压缩过程中的显微图像进行处理,分析了中砂试样...     

软岩三轴加-卸载试验的破坏特征及抗压强度取值方法研究

软岩三轴加、卸载试验中的抗压强度参数取值是一个非常关键的问题,目前还没有比较确定的方法,通常根据经验或工程要求确定。基于此,结合一组砂质泥岩的三轴加、卸载试验进行了详细研究,试验结果表明:(1)当围压大于10 MPa时,不论是三轴加载试验还是卸载试验,砂质泥岩均表现出明显的应变硬化特性;(2)砂质泥岩在三轴压缩和三轴卸荷两种应力路径的力学响应差别明显,在卸荷条件下通常只存在一条完整的剪切破坏面,而压缩条件下岩样没有明显的控制破裂面,并且剪胀效应明显;(3)将半对数法引入到软岩三轴加、卸载试验数据分析中,可以比较方便地确定软岩三轴加、卸载试验的抗压强度;(4)基于三轴加、卸载试验过程中的应力、应变增量分析,将软岩变形破坏过程分为3个阶段:平滑阶段、规则跳跃阶段和急剧跳跃阶段,各阶段划分的意义明确,可以作为抗压强度确定时的重要参考,因此,在软岩三轴试验数据分析时,可以综合采用这两种方法。研究提出的抗压强度确定方法可操作性强,在其他软岩三轴试验数据分析中值得参考借鉴。     

DEM analysis of the onset of flow deformation of sands: linking monotonic and cyclic undrained behaviours

This study explores the link between the monotonic and cyclic undrained behaviour of sands using the discrete element method (DEM). It is shown that DEM can effectively capture the flow deformation of sands sheared under both monotonic and cyclic undrained loading conditions. When subjected to cyclic shearing, flow-type failure is observed for a loose sample, while cyclic mobility is observed for a dense sample. A strong correlation between the monotonic and cyclic loading behaviour that has been revealed experimentally is also confirmed in DEM simulations: (a) flow deformation occurs in the compressive loading direction when the cyclic stress path intersects the monotonic compression stress path prior to the monotonic extension stress path, and vice versa; (b) the onset of flow deformation in q–\(p^{\prime }\) space is located in the zone bounded by the critical state line and the instability line determined from monotonic simulations. Hill’s condition of instability is shown to be effective to describe the onset of flow failure. Micro-mechanical analyses reveal that flow deformation is initiated when the index of redundancy excluding floating particles drops to below 1.0 under both monotonic and cyclic loading conditions. Flow deformation induced by either monotonic or cyclic loading is characterized by an abrupt change of structural fabric which is highly anisotropic. The reason why the dense sample dilated during monotonic loading but showed cyclic mobility (temporary liquefaction) during cyclic loading is attributed to the repeating reversal of loading direction, which leads to the periodic change of microstructure.     

考虑组构变化效应的饱和密砂循环本构模型

为了真实地描述饱和密砂在循环加载过程中的变形行为,需要引入考虑剪胀阶段组构变化的宏观参量。在已有的基于状态参量的本构模型基础上,引入反映组构变化的剪胀内变量,简称组构-剪胀内变量z。以相变线PTL作为参考线,采用基于相变的状态参量判断砂土在初始时刻和任意时刻体积变形的变化趋势,并通过z对剪胀比d的影响,考虑反向加载过程中塑性变形的累积,建立了一个针对饱和密砂的循环加载的弹塑性本构模型。该模型根据试验现象将已有模型中的塑性剪切模量区分为首次加载模量与再加载模量,能较好地模拟排水情况下砂土循环加载的胀-缩变化过程。最后,针对密砂的三轴排水情况,利用文中模型进行预测,并把预测结果与试验结果进行比较,结果表明该模型能够总体反映砂土循环加载的变形行为。     

复合桩基重复加卸载过程中侧向约束桩变位规律试验研究

复合桩基上堆载可能引起侧向约束桩侧移,导致侧向约束桩和复合桩基失稳破坏。采用室内模型试验研究复合桩基重复加、卸载过程中侧向约束桩水平变位规律。结果表明：（1）复合桩基上加载时,侧向约束桩的桩身侧移沿深度先增大、后减小、存在峰值,峰值随加载增大而增大,出现在距离地面0.4倍地面以下桩长处,峰值位移与桩顶（或地面）处位移的比例系数和发生侧移的桩身长度随荷载增大而增大;（2）复合桩基上重复加、卸载时,侧向约束桩的桩顶侧移随桩间距增大而增大,弹性变形则变小。中桩侧移比边桩大。桩顶侧移增长率随重复加载次数增加而减小。若荷载超过首次加载的最大荷载,侧向复合地基上加载-桩水平位移曲线将回到首次加载曲线的延长线,具有记忆效应。第 次卸载曲线与第i次卸载曲线线型相似且相互平行。每次卸载的初、中期,荷载的减小不影响桩顶侧移,只有卸载到最后1～2级时,侧移才开始减小,直到永久塑性变形。侧向约束桩的顶部水平位移回弹曲线特征与岩石或土在垂直加、卸载作用下的回弹曲线相似。     

不同含水率条件下EPS颗粒轻量土蠕变特性试验研究

为了得到轻量土路基中央部位在长期荷载作用下的蠕变规律,通过单向固结蠕变试验,分析了不同含水率EPS颗粒轻量土、素土在不同轴向压力下的蠕变特性。研究表明:固定其他因素,轴向压力越大,含水率越高,土样蠕变变形越大。轻量土加载1d基本上可以达到总变形的93%～98%,蠕变变形具有明显的衰减特征。轻量土是一种结构性土体,与素土蠕变机理完全不同。当轴向压力小于压缩屈服应力时,轻量土蠕变变形主要是孔隙闭合、水分的排出、固体颗粒移动的结果;当压力大于压缩屈服应力时,轻量土土样原有结构被破坏,EPS颗粒自身会被压缩。基于土体衰减蠕变特征,本文依据双曲线模型建立了轻量土经验蠕变模型,基本上可以反映路基中央部位轻量土的蠕变规律,经验模型适用于轻量土条件为轴向压力小于土体压缩屈服应力。试验与理论计算分析表明,轻量土固结特性优于素土,路基沉降在施工过程中就可以达到稳定,运营期间的工后沉降基本可以忽略。     

粗粒土剪胀性大型三轴试验研究

剪胀性是土体显著区别于一般弹性材料的基本特性,与土体的强度和变形特性密切相关。通过4组不同初始密度的塔城砂砾石常规大型三轴试验,研究剪胀性对粗粒土强度和变形特性的影响。试验结果表明,（1）若体变速率（体变和轴向应变均以压缩为正）先从正值减小到负值并达到最小值,随后又有所增大但仍小于0,则应力-应变曲线为软化型,在比值为最小值时土体剪胀性最大,对应于峰值强度,若体变速率从某一正值单调减小并一直大于0,则应力-应变曲线为硬化型;（2）体变变化趋势取决于剪胀性和压缩性的大小,剪切后期若剪胀速率大于压缩速率,则体变先压缩后膨胀,应力-应变曲线呈软化型,反之若剪胀速率小于压缩速率,则体变一直是压缩的,应力-应变曲线呈硬化型。研究结果对于加深认识粗粒土的强度和变形特性具有重要意义。     

软黏土中吸力锚循环失稳过程的模型试验

开展了张紧式吸力锚在侧壁最优系泊点处遭受平均荷载和循环荷载共同作用下的模型试验,着重研究了软黏土中吸力锚在等幅及变幅循环荷载下的变形失稳过程。研究发现,循环累积位移过大是锚发生破坏的主要原因。对于等幅循环加载试验,由于竖向附加荷重的施加,锚在水平向的循环累积位移要明显大于竖向,表现为明显的水平破坏模式。在特定的平均荷载水平下,循环荷载水平越高,锚的累积位移发展得越快,达到破坏所需的循环次数就越少。循环位移随循环次数的增长变化不明显,但随循环荷载水平的增大而增大。对于变幅循环加载试验,系泊点各方向的循环累积位移与循环位移均与循环荷载水平成正比。不同的循环加载时程下,锚的竖向累积位移均比水平累积位移大,表现为偏向于竖向破坏的中间破坏模式。锚前期的循环加载历史对后续加载产生的累积变形有明显影响。与静力加载相比,循环加载时锚的运动方向角有所增大,这可能是由于锚底孔压的累积要大于锚侧孔压的累积,从有效应力的角度分析,锚底有效应力的减少相对锚侧明显,进而使得锚竖向承载力减小得更多,导致锚的竖向运动更明显。     

无加筋、加筋砂土蠕变特征的有限元分析

根据分级加载条件下的蠕变试验,分析研究了无加筋砂土和土工格栅加筋砂土的蠕变特征,发现蠕变变形与分级加载时的应力水平、初始蠕变应变速率有很大关系,且蠕变后以恒定应变速率重新加载时呈现出刚度很大、近似弹性的行为。针对无加筋砂土和土工格栅加筋砂土提出一种弹黏塑性有限元计算方法。有限元计算过程中,砂土和土工格栅均采用统一的3要素弹黏塑性本构模型。该方法能够对含多个蠕变段的恒定应变速率加载全过程进行模拟。通过试验结果与有限元计算结果的比较,表明所提出的弹黏塑性有限元计算方法能较好地模拟无加筋砂土和土工格栅加筋砂土的蠕变特征,特别是蠕变后重新加载时的刚度很大、近似弹性的行为。