离心力场中微型土压力传感器非线性响应分析

为掌握离心力场环境下微型土压力传感器与土介质相互作用引起的匹配误差特性,结合匹配误差理论,通过液体标定试验和离心力场中土介质标定试验,讨论了微型土压力传感器在模量相对较大土介质中的非线性响应特征及其主要影响因素。试验分析表明：在液压条件下微型土压力传感器具有良好的线性响应特性;在离心力场环境中微型土压力传感器表现出的显著非线性响应特性是由加载过程中土介质模量的改变引起;基于建立的匹配误差随土介质模量变化的关系曲线对测试数据进行非线性修正,可明显提高微型土压力传感器在模量相对较大土介质中的测试精度。     

微型FBG土压力传感器的优化设计及其模型试验应用研究

本文针对地质力学模型试验,特别是针对含水地质结构的模型试验中土压力测量的不足,利用光纤光栅体积小、易封装、防水抗腐蚀、防电磁干扰等特点,基于短栅距光纤布拉光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)设计了适用于地质力学模型试验的微型FBG土压力传感器。采用有限元力学仿真对传感器的膜片尺寸、传感器厚径比进行优化,得到传感器在0~1MPa土压力测量范围内,直径20mm、高度为0.2mm的圆平膜片灵敏度高且不易造成FBG光谱畸变,厚径比为0.16(H:4mm/D:25mm)的传感器测量结果更可靠且对被测岩土介质影响较小。标定试验表明,传感器在0~1MPa压力范围内具有很好的重复性与一致性。将该传感器应用于海底隧道模型试验,监测隧道开挖过程的围岩应力释放规律,该传感器很好地监测了隧道从迅速失稳到逐渐稳定的变化过程,从而证明了设计的微型FBG应用于模型试验的可行性。     

孔隙水压力量测的延迟效应分析

从理论上考虑，用压力传感器量测土中变化的孔隙水压力会存在延迟效应，本文阐明了延迟效应的机理，并以饱和土孔压消散试验为例进行了深入的分析，研究表明，延迟效应的主要影响因素是体积压缩系数和传感器敏感元件的刚度因数，从计算结果看出，除硬粘性土外，延迟效应对孔压量测结果影响甚小。     

离心模型试验中微型土压力盒土压力测定

土压力作为离心模型试验中重要的测试参数,受土压力盒的性能、离心机数据采集系统稳定性及外部环境等诸多因素的影响,准确地测量土压力较为困难。土压力盒作为土压力测试元件,其性能对土压力测量准确性有直接影响。为获得较为准确的土压力测试数据,结合离心机数据采集系统,选择两种常见的电阻应变式土压力盒。通过标定试验得出两种土压力盒砂标系数均小于出厂标定系数,Ⅰ型偏小64.75%,Ⅱ型偏小18.77%,Ⅱ型土压力盒与出厂数据的重合度比Ⅰ型好;在研究墙高10～30 m类扶壁式挡墙侧向土压力分布的离心模型试验中,与Ⅱ型土压力盒相比,Ⅰ型存在按出厂系数测得数据失真、灵敏度低和稳定性差的缺点。标定试验和离心试验结果表明,接入自行组建的数据采集系统的Ⅱ型土压力盒比接入静态应变数据采集系统的Ⅰ型土压力盒性能更佳。     

非饱和膨胀土SWCC研究

研究土体吸力与含水量关系,对于非饱和土的变形和强度问题,有重要的应用价值。利用非饱和土三轴仪对膨胀土进行试验研究,比较系统地分析了矿物成分、孔隙结构、土体应力状态、应力历史等因素对土-水特征曲线的影响。尤其土的矿物成分和孔隙结构是主要的影响因素。综合考虑各种因素的影响,通过室内和野外吸力量测,对土-水特征曲线进行拟合、比较,建立了幂函数模型。由土-水特征曲线可知,室内干湿循环土-水特征曲线具有明显的差异性,野外土-水特征曲线的差异性不明显,并与室内浸湿曲线相似。将野外曲线和浸湿曲线结合起来,推算非饱和状态下土的渗透性、抗剪强度等指标,可以较好地解决岩土力学问题。     

双膜式光纤Bragg光栅土压力传感器的研究

采用双膜油腔结构研制了一种双膜式光纤Bragg光栅土压力传感器,偏压试验表明,此土压力传感器有效改善了与土压力传感器接触部分土压力分布不均的问题。在土压力的作用下,一次膜片变形产生的压力经传压油传递给二次膜片,传压杆与等强度悬臂梁刚性连接,二次膜片中心发生的挠度变化推动传压杆,使等强度悬臂梁的自由端发生同样大小的挠度变化。通过检测粘贴于等强度悬臂梁表面中心轴线上的光纤Bragg光栅的波长移位可获得土压力。载荷试验表明,传感器的灵敏度为 412.7 pm/MPa,非线性误差为1.97%FS,重复性误差为3.68%FS。     

垃圾土渗透性和持水性的试验研究

通过室内常水头试验测定了垃圾土的饱和渗透系数,通过室内压力板仪试验测得垃圾土的土-水特征曲线。基于土-水特征曲线预测了垃圾土的非饱和渗透系数,并通过室内入渗试验进行了初步验证。常水头试验得到深层、中层和浅层垃圾土的饱和渗透系数分别为3.56×10-4、3.50×10-3、4.81×10-2 cm/s。土-水特征曲线试验表明,垃圾土饱和含水率和残余含水率较高,进气值很小,土-水特征曲线在低基质吸力时存在陡降段,其中浅层垃圾土的陡于深层垃圾。验证试验表明,预测得到的非饱和渗透系数与实测结果接近,基于土-水特征曲线预测垃圾土非饱和渗透系数的方法基本可行。     

土的量化记忆模型及其参数确定

土的真非线性分析要求追踪应力-应变历史,寻求滞回圈上应力-应变的瞬时切线模量。由于地震荷载的随机性,实际土体的应力-应变历史轨迹非常复杂。基于传统模型的骨架曲线和滞回圈表达式进行这类分析的难度很大。作者介绍的量化记忆模型是为土的动力真非线性分析提出的,它是将单调加载情况下呈非线性变化的切线模量量化,记忆为一种分段线性分布的几何结构,并通过对这种结构加以变换,以描述循环加载情况下具有滞回特性土料的动应力-应变关系。在试验的基础上,运用非线性最小二乘法,确定了量化记忆模型中的 , , , , , 6个参数,并将量化记忆模型生成的应力-应变关系曲线与试验曲线进行了比较。结果表明,量化记忆模型是有效可行的。     

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     

基于标准压缩模量和液限推求地基土全压力段压缩模量的分析方法

以京沪高铁深厚地层细粒土固结试验数据为基础,以e-lgp曲线包含分式函数的复合函数表达和土体液限与压缩指数的线性关系为依据,提出了基于土体基本物性指标标准压缩模量E1?2和液限wL推求正常固结原状地基土全压力段压缩模量的简化方法,其适用性得到了京津城际铁路试验数据的验证。结果表明,Harris函数能较好地描述土体压缩的e-lgp曲线特征,E1?2和wL能分别反映曲线低压力段割线斜率和高压力点切线斜率,建立的地基土压缩模量估算方法具有良好精度,其中,100～1 000 kPa常压力段的误差均值仅为7.89%,高压力段约为13.70%,只在低压力段变异性较大;研究成果提供了缺少e-lgp曲线情况下简便快速获取土体压缩模量的新途径。     

季冻区草炭土非线性K-G模型试验研究

季冻区草炭土是沼泽环境中植物残体在氧化分解作用下,堆积形成的含有大量未分解纤维残体的特殊土。草炭土纤维及其含量对其强度和变形特性具有重要影响,目前考虑纤维含量对草炭土强度和变形特性影响的本构关系研究还相对匮乏。K-G本构模型因其模型参数与土的体积模量和剪切模量能建立直接联系,因此在岩土工程非线性理论和数值计算分析方面广泛应用。以不同纤维含量的草炭土为研究对象,进行三轴剪切试验,研究了草炭土的应力应变曲线,得到了草炭土非线性K-G模型参数,分析了各模型参数随纤维含量的变化规律,建立了模型参数与纤维含量之间的线性函数关系。     

考虑饱和土的地铁车站结构非线性地震反应研究

饱和土广泛存在于自然界之中,将土体视为固－液二相介质,基于biot饱和土介质动力方程的u-p形式研究了反映饱和土无约束域能量辐射效应影响的等效黏弹性人工边界单元,基于地震波转化为作用于人工边界节点上等效荷载的方法实现了波动输入。采用算例验证了等效人工单元的精度。建立饱和土-地铁车站非线性有限元整体模型,分析了考虑双相介质饱和土的波动传播,对比了饱和土及单相土在地震作用下地铁车站的地震反应,并与振动台试验结果进行了比较,研究表明：地震作用下采用考虑多孔介质的特性分析地基土与单相固体介质相比更加合理。通过对车站结构关键构件的加速度、位移和内力等进行分析,研究了饱和土－地下结构相互作用体系的地震反应。     

固结比对石灰土动力特性的影响试验研究

以石灰改性膨胀土为研究对象,结合铁路路基实际的非等向固结状态,考虑了不同固结比或偏应力对石灰改性膨胀土动力特性的影响。通过循环振动三轴试验,对掺灰比为3 %石灰改性膨胀土,在选定的6组固结比下表现出的动力特性进行了研究,得出了固结比或偏应力的变化对其产生的影响。在研究的固结比范围内,随着固结比和偏应力的增大,石灰土的动弹模量显著地增大;阻尼比则相应地表现出减小的趋势,但所受影响程度较之动弹模量略小。     

膨胀土卸荷蠕变特性及其非线性蠕变模型

鉴于膨胀土滑坡往往表现为长期性、渐进性等与时间相关的特性,利用GDS应力路径三轴仪对膨胀土进行了三轴卸荷蠕变试验。试验结果表明：当偏应力较小时,膨胀土的蠕变曲线仅出现瞬时变形和衰减蠕变;当偏应力达到一定值时,其蠕变曲线也呈现衰减蠕变、稳态蠕变和加速蠕变3个阶段,但其加速蠕变阶段的特征与一般岩土体不同,其蠕变速度近乎常数。膨胀土的应力?应变等时曲线显示,膨胀土卸荷蠕变具有非线性特征,且其非线性程度与蠕变时间和应力水平相关,蠕变时间越长、应力水平越高,其非线性程度越高。基于非线性流变力学理论,提出了一种非线性四元件蠕变模型,将标准线性体与一个非线性黏壶串联,该模型可描述等围压三轴压缩应力状态下膨胀土轴向应变随时间的演变规律。根据膨胀土卸荷蠕变试验结果,采用曲线拟合法对三维非线性模型的参数进行反演识别。拟合曲线和试验曲线对比显示,两者吻合良好,说明该模型可以很好地描述膨胀土的蠕变特性。此外,基于该蠕变模型获取了膨胀土的临界破坏应力,其与常规剪切破坏应力的比值随着固结压力的减小而减小,表明越接近坡面的土层越容易发生蠕变破坏。     

固结压力相关的黏土动力特性模型研究及应用

对一种粉质黏土进行了不同固结压力下的循环单剪试验,得到了相应各固结压力下的动剪模量和阻尼比随动剪应变幅值非线性变化的 曲线和 曲线,并对其进行了归一化。试验结果表明,即使是归一化以后的动力特性曲线,仍然因固结压力不同而出现差异;固结压力越大, 曲线衰减越慢,而 曲线增加也越缓。通过建立最大动剪模量、最大阻尼比和参考剪应变与固结压力之间的试验关系式,建议了一种实用的固结压力相关的黏土动力特性模型。最后,通过算例表明,场地土体动力特性随固结压力而变化的特征不但会影响场地地震反应的幅值,而且将影响其频谱特性,且场地覆盖层厚度越大,影响越强烈。     

抛物线型屈服面人工冻土蠕变本构模型研究

利用自行研制的W3Z-200型冻土三轴压缩蠕变仪,对淮南地区深表土冻土进行了三轴蠕变试验。根据试验结果,提出以标准黏弹塑性模型为基础,并耦合温度自由度,应用抛物线型屈服准则对模型中的黏塑性项进行改进,建立了新的本构模型来描述高围压复杂应力状态下冻土的蠕变变形特征。基于ADINA有限元软件平台,开发了冻土本构子程序。对淮南某冻结井筒开挖过程进行了数值模拟,计算结果验证了冻土抛物线型黏弹塑本构模型的正确性和合理性。     

柔性基础下复合地基下卧层沉降特性的数值分析

采用复合本构有限元和传统有限元两种计算模型,通过不同桩土模量比和置换率条件下复合地基、双层地基、人工均质地基下卧层沉降与天然地基相应计算结果的比较,系统地研究了复合地基下卧层的沉降特性,并在此基础上建立了相应的计算方法。     

基于弹性模量退化的冻土动力损伤特性研究

为研究冻土在不同温度下的弹性模量退化与动力特佂,通过对不同负温条件下冻土试样进行循环加、卸载试验,获得其在动荷载作用下的应力-应变滞回曲线与疲劳损伤寿命。按照疲劳寿命与应力幅之间的关系确定了冻土在不同温度下的疲劳损伤参数。根据冻土的弹性模量退化规律提出了动弹模衰减控制方程并建立了冻土唯象疲劳损伤模型。根据冻土实测的循环加卸载滞回曲线特征,提出了理想和非理想滞回圈情况下阻尼比联合分析方法;基于Kelvin模型建立了滞回圈演化规律与弹性模量退化及加载时间的数学联系。研究发现：考虑了动弹模衰减影响的唯象疲劳损伤模型描述了冻土的加速疲劳损伤特征;理想滞回与非理想滞回阻尼比联合分析方法考虑滞回圈的实际演化特征;基于弹性模量退化的Kelvin流变模型建立了滞回圈曲线与加、卸载时间的数学联系。     

粗粒土卸载－再加载力学特性试验研究

进行了3种不同粗粒土的常规三轴加载－卸载－再加载的剪切试验,对粗粒土的卸载－再加载的力学特性进行了分析。结果表明：粗粒土存在卸载体缩现象,且随着应力水平的增加,卸载体缩量增加;随着围压的增加,卸载体缩量减小。根据试验数据总结了卸载体缩量与应力水平、围压之间关系式。回弹模量随应力水平的增加呈驼峰型曲线,即应力水平在0.7左右时最大,小于或大于0.7时的弹性模量均较小。平均回弹模量与单调加载时的初始弹性模量的比值随围压呈幂函数降低,母岩硬度大的土料,该比值较大,相反,母岩较软的土料,该比值较小。由单调加载得出的邓肯模型参数k、n和卸载回弹确定的kur、nur的大致关系为kur=(2.64～4.60) 、nur =(0.540～0.885) n。