循环荷载下软黏土不排水强度弱化分析的动力有限元ABAQUS实现

在波浪循环荷载作用下饱和软黏土地基出现孔隙水压力升高,并导致不排水强度弱化,严重影响防波堤的承载性能。考虑静偏应力影响,基于最大孔隙水压力发展模型和正常固结软黏土不排水强度公式,推导出软黏土不排水强度随循环荷载作用次数和应力水平变化的动态折减规律。结合软黏土不排水强度动态折减规律和M-C屈服准则,在有限元软件ABAQUS上实现软黏土不排水强度循环弱化分析的数值开发和动力运算过程。运用该动力有限元方法对天津港防波堤地基软黏土的动、静三轴试验进行数值模拟运算。结果表明,最大孔隙水压力发展曲线以及循环荷载作用后不排水强度的数值预测结果与动三轴试验结果吻合良好。另外,动力有限元方法（DFEM）能够表示土体强度在循环荷载作用下的具体弱化过程。     

考虑软基不排水强度循环弱化的格型钢板桩防波堤动力有限元分析

波浪循环荷载通过堤身和砂质土置换层传递给软土地基,在软土地基中产生循环动应力,使软黏土发生不排水强度弱化现象,严重影响格型钢板桩防波堤承载性能。结合工程算例,基于动力有限元法建立考虑软土循环弱化效应的格型钢板桩防波堤三维弹塑性动力分析模型,对软土地基在循环荷载作用下最大孔压增长规律以及不排水强度弱化特性进行研究。建立格型钢板桩-软土地基系统动力稳定性分析方法,对格型钢板桩-软土地基系统的破坏模式、稳定性以及沉降变形特性进行分析。结果表明:最大孔隙水压力主要分布在格体周围软土层,主、副格仓底部及部分桩-土接触部位的不排水强度发生明显弱化。考虑软土地基循环弱化效应时,格型钢板桩-软土地基系统的稳定性安全系数显著降低。建议在实际工程中应考虑软土地基循环弱化效应对格型钢板桩防波堤稳定性的影响。     

静偏应力下湛江结构性黏土的动力特性

针对天然强结构性湛江黏土,通过开展不同静偏应力影响下的不排水循环加载三轴试验,对循环荷载作用下的动变形、动强度和动孔隙水压力特性以及与土结构性间的内在联系进行系统性的试验研究。结果表明,结构性黏土在循环荷载作用下的突然破坏,具有脆性破坏特征,静偏应力越大,土体破坏应变越小。湛江黏土的临界动应力随静偏应力呈先增大、后减小的变化规律,在静偏应力较小时存在峰值。分析认为,静偏应力对结构性黏土动力特性的影响存在分界值,小于该值时静偏应力对土体的压密作用提高了土体的临界动应力和动强度,抑制了土的变形发展;当静偏应力继续增大,则土体结构损伤,动荷载下的临界动应力和动强度均呈下降趋势。结构性土的动孔隙水压力低于一般黏土,静偏应力的存在导致孔压在土体破坏后出现负增长,初始剪应力使结构性土体产生剪胀势。     

循环荷载作用下竖向排水板加固软黏土的孔隙水压力累积特性研究

采用大型动三轴试验仪进行重塑高岭土试样的循环三轴试验,试样直径为300 mm,高度为600 mm。圆柱体试样中心放置了一块竖向排水板,在循环加载试验进行时和结束后都可进行径向排水。试验结果验证了径向排水可以有效地消散循环荷载引起的孔隙水压力。通过结合径向固结理论与不排水循环加载土体模型,提出了一个循环荷载作用下径向固结模型,用来描述在允许径向排水的情况下软黏土在循环荷载作用下的孔压累积特性。模型中考虑了应力历史和孔隙水压力消散对孔隙水压力生成的影响,并用大型循环三轴试验结果进行验证。研究发现,当施加较大循环荷载时,径向排水减缓了孔隙水压力累积到临界值的速率,因而土体在破坏前可以经历更多次的循环荷载;当施加中等循环荷载时,径向排水可有效阻止孔隙水压力增长至临界值。除此之外,还研究了加载间歇期对孔压累积特性的影响,结果显示3组循环加载结束后,累积孔隙水压力开始减小,表明之后更多的循环加载并不会引起孔隙水压力的累积增长。     

饱和软黏土动力学特性循环扭剪试验研究

以饱和软黏土的循环扭剪试验研究为基础,阐明不固结不排水条件下饱和软黏土的动力学特性。在循环扭剪和循环三轴两种不同试验应力状态下,通过研究不同围压和不同静、动应力组合下饱和软黏土的应力等效破坏关系和应变等效破坏关系,提出在循环荷载作用下饱和软黏土的循环破坏同样遵循Mises屈服准则,且在Mises屈服准则下,饱和软黏土的循环强度趋于不变量。循环破坏的过程可以等效为一种拟静力弹塑性循环蠕变,建立了饱和软黏土循环累积变形随静荷载、循环荷载以及循环破坏振次之间的关系式。上述结论分别从应力和变形两个方面阐述饱和软黏土的动力学特性,与试验应力状态和围压无关,可以推广到一般应力状态下。     

长期循环荷载作用下排水条件对饱和软黏土动力特性影响

由于软黏土渗透系数很小,目前针对饱和软黏土的循环荷载试验绝大多数都是在不排水条件下进行的。但对交通荷载而言,软黏土承受经年累月的长期循环荷载作用,实际的排水条件应该是部分排水的。基于此,通过对温州原状饱和软黏土进行不同循环应力比下的不排水和部分排水大周数（50 000次）循环三轴试验,分析了长期循环荷载作用下排水条件对饱和软黏土动力特性的影响。研究结果表明与不排水条件相比,部分排水条件下软黏土试样的动力特性表现出很大的不同。随着循环次数的增加,部分排水条件下的孔压随先增加后降低,存在一个峰值;经过较大的循环次数后,回弹应变逐渐减小,应力-应变滞回圈逐渐缩短,面积也明显减小。为了准确预测交通荷载作用下的长期沉降,采用部分排水条件进行试验是十分必要的。     

武汉鹏湖湾地区老黏土动力响应特性及强度弱化规律研究

岩溶区老黏土在人类工程活动所引起的动荷载作用下,会产生动力变形特性的改变,强度参数也会发生相应的弱化,最终导致土洞上覆盖层结构性的破坏。以武汉市鹏湖湾地区的老黏土为研究对象,结合该岩溶塌陷场地的工程地质条件,开展相应的室内动三轴试验,研究老黏土在围压、动应力比和循环次数等因素变化时的动力响应特性和强度弱化规律,提出其在循环荷载作用下的强度弱化模型。结果表明,随着围压、动应力比及循环次数的增加,老黏土的孔隙水压力有所提高。当其它因素保持不变,且动应力比与循环次数不超过某一临界值时,土体的强度随着动应力比、循环次数的增加而降低,即超孔压的增长引起老黏土强度的衰减。而在围压增长的初期,土体的强度与围压成正比,当围压增大到某一临界值时,老黏土的抗剪强度显著降低。强度折减率随围压、动应力比、循环次数的增加均有不同程度的降低,提取出经验公式,得到的老黏土强度弱化模型具有较高的相关性,进一步得出老黏土的强度弱化机理。     

软土中桶型基础水平循环承载力的模型试验

利用真空预压方法制备了一个大尺寸软黏土模型试验土池,进行了不同竖向静荷载与水平循环荷载共同作用下软土中单桶基础承载力的模型试验,研究了竖向静荷载与水平循环荷载对基础承载力的影响。结果表明,基础的水平循环承载力小于静承载力;导致基础破坏的循环荷载与循环次数取决于竖向静荷载。竖向静荷载越大,与同一循环破坏次数对应的循环荷载就越小。依据模型试验土的循环强度变化关系,采用弹塑性有限元计算方法对模型试验进行了数值模拟,计算与试验结果基本吻合,表明可以依据软黏土的循环强度变化关系,通过弹塑性有限元数值计算评价软土地基中桶型基础的水平循环承载力。     

循环荷载下饱和软黏土的累积塑性应变试验研究

通过以交通荷载为背景的饱和重塑软黏土室内不排水动三轴试验,研究了循环荷载作用下饱和重塑软黏土的累积塑性应变发展形态,可分为3种类型：稳定型、破坏型和临界型。根据稳定型累积塑性应变发展曲线特点,提出了饱和软黏土的稳定累积塑性应变方程,并通过试验结果分析了该方程中各拟合参数与动应力幅值、固结围压和静偏应力的变化规律,同时提出了求解无静偏应力条件下软黏土临界动应力的解析方法。通过动三轴试验结果,提出了含动应力幅值、固结围压、静偏应力和循环周次等影响因素的累积塑性应变拟合模型。     

部分排水条件下饱和黏性土渐近状态本构模型研究

为研究排水边界条件对饱和软黏土强度特性的影响,利用GDS-DYNTTS动三轴仪开展了饱和软黏土的不排水试验和自由排水试验。采用控制体应变与轴向应变增量比ξ的方法进行了部分排水条件下饱和软黏土的强度特性试验,从孔隙水压力、p-q平面的有效应力路径和渐近状态特性等方面研究了排水边界条件对饱和软黏土力学特性的影响。基于渐近状态特性和剪胀特性,将应变增量比ξ引入应力路径本构模型,建立了饱和黏性土渐近状态本构方程。通过与孔压、有效应力路径实验结果的对比验证了模型的合理性。试验结果表明饱和黏性土的应变增量比ξ应小于0.3;排水条件影响正常固结黏土剪胀性的发挥程度、有效应力路径以及土的抗剪强度大小。随着应变增量比ξ的增大,饱和黏性土的孔隙水压和有效应力比减小而强度增大。试验后期,饱和黏性土试样长期处于临界状态,改变排水条件可抑制或加速土体的破坏。     

原状和重塑海洋粘土经历动载后的静强度衰减

根据海洋粉质粘土原状和重塑土样的动三轴试验结果, 比较和分析了两种土样应力、应变、孔隙水压力和不排水抗剪强度行为, 得到了土样的静不排水抗剪强度衰减与波浪荷载作用下土样产生的动应变以及平均累积孔压之间的关系。 并将波浪荷载作用使土样内孔压升高, 有效应力降低, 形成拟超固结现象的理论, 应用到土样不排水抗剪强度衰减与平均累积孔压之间关系的分析;同时与重塑土样的超固结静态剪切试验结果进行比较, 得到了土样在波浪荷载作用后的归一化不排水抗剪强度与拟超固结比之间的关系式。 建议以少量原状土样, 配合大量重塑土样的动三轴试验结果, 实现对实际海洋粘土地基在波浪荷载作用后的静不排水抗剪强度衰化规律的评估。     

部分排水条件下饱和黏性土渐近状态本构模型研究

为研究排水边界条件对饱和软黏土强度特性的影响,利用GDS-DYNTTS动三轴仪开展了饱和软黏土的不排水试验和自由排水试验。采用控制体应变与轴向应变增量比ξ的方法进行了部分排水条件下饱和软黏土的强度特性试验,从孔隙水压力、p-q平面的有效应力路径和渐近状态特性等方面研究了排水边界条件对饱和软黏土力学特性的影响。基于渐近状态特性和剪胀特性,将应变增量比ξ引入应力路径本构模型,建立了饱和黏性土渐近状态本构方程。通过与孔压、有效应力路径实验结果的对比验证了模型的合理性。试验结果表明饱和黏性土的应变增量比ξ应小于0.3;排水条件影响正常固结黏土剪胀性的发挥程度、有效应力路径以及土的抗剪强度大小。随着应变增量比ξ的增大,饱和黏性土的孔隙水压和有效应力比减小而强度增大。试验后期,饱和黏性土试样长期处于临界状态,改变排水条件可抑制或加速土体的破坏。     

冲击荷载作用下结构性软黏土力学特性试验研究

冲击荷载作用对土体力学特性影响较大,为了研究此特性,基于天津滨海结构性软黏土,以空心圆柱扭剪仪模拟冲击荷载作用,并在冲击荷载作用前后对土体进行不固结不排水三轴试验,对比研究不同试验条件下结构性软黏土力学特性。试验结果表明:低围压常规三轴剪切试验状态下,土体表现出弱应变软化现象,且土体抗剪强度包线不能用直线表示,而是可由两条直线近似拟合而成;冲击荷载作用时,在一定应力范围内,冲击荷载越大,土体轴向应变、孔隙压力以及主应力差峰值也越大;冲击荷载作用后三轴剪切试验各围压下土体都呈应变硬化型,主应力差峰值均大幅减小,且土体抗剪强度包线均可用直线表示,c、φ值也远小于未受冲击荷载时三轴剪切试验相应数值。最后,总结分析冲击荷载作用对软黏土强度的影响,并拟合得到强度折减与围压、冲击荷载的关系,为实际工程中承受冲击荷载的结构性软黏土强度确定提供参考。     

不同应力路径下饱和黏土耦合循环剪切特性

地基土单元体在波浪荷载的作用下将发生主应力轴连续旋转,这对土的强度和变形特性会产生显著的影响。针对饱和黏土,利用土工静力－动力液压三轴－扭转多功能扭剪仪进行了均等固结下的耦合循环剪切试验,着重研究了不同循环应力路径对应力-应变关系和强度特性的影响。试验结果表明,耦合循环荷载下黏土扭转剪切分量和正向偏差分量的应力-应变关系曲线与应力路径有关,且随着振动次数的增加逐渐疏松,割线模量 和 不断衰减,这与不固结不排水条件下的应力-应变关系曲线的变化规律明显不同;扭转剪切分量大的椭圆应力路径的动强度略小于正向偏差分量大的动强度。饱和黏土在不同应力路径下的力学特性的试验研究可以为建立复杂应力路径下的本构模型提供试验依据。     

动力荷载作用下软粘土的残余变形计算模式

在试验结果的基础上，提出了动力荷载作用下计算软粘土残余变形的模式。并将计算结果与不排水和部分排水情况下观测到的孔隙水压力及残余应变进行比较，两者具有较好的吻合性。本文所提出的计算模式可用来估算动力荷载（例如地震荷载、交通荷载）作用下建于软粘土地基上的建筑物及其它设施所产生的附加沉降。     

软黏土强度非均质性对复合加载模式下桶形基础破坏包络面的作用分析

针对非均质软黏土地基上复合加载模式下桶形基础的破坏包络面,运用大型有限元分析软件ABAQUS进行了三维非线性数值分析。通过比较系统的数值计算与分析,考察了软黏土非均质性对复合加载模式下桶形基础破坏包络面形状的作用及影响。结果表明：软黏土地基的不排水抗剪强度对于力矩为0的平面内,其应力归一化的破坏包络面影响不大,而在水平荷载与竖向荷载为0的平面内,其应力归一化的破坏包络面具有一定影响。通过与有关模型试验的对比分析,在一定程度上验证了有限元计算模型与数值分析结果的合理性。     

饱和软粘土在冲击荷载下的动力特性研究

通过对淤泥质饱和软粘土施加冲击荷载进行室内动力固结试验,研究了软粘土在冲击荷载作用下的应力、孔隙水压力、轴向变形等动态响应特征,并通过三轴剪切试验结果,分析冲击荷载对淤泥质饱和软粘土的加固效应。试验结论对于动力固结理论的完善和现场施工具有指导意义。     

海上风电桩基水平承载力循环衰减二维简化分析

海上风电的桩基在长期循环荷载作用下会引起承载力的衰减。针对软黏土中水平受荷单桩,通过引入累积塑性应变以考虑土体不排水强度的循环弱化,建立二维有限元数值模拟和简化p-y曲线简化方法,以分析水平循环荷载作用后单桩桩侧侧向抗力的衰减弱化。在小数目循环荷载下简化方法与有限元计算结果比较吻合,在此基础上,采用二维简化分析方法得到长期大数目循环荷载下桩侧水平抗力的衰减规律,发现如荷载幅值与初始极限抗力的比值小于土体灵敏度的倒数,单桩在长期水平循环荷载作用下承载力虽有所衰减,但桩基趋于稳定,不会发生破坏。     

吸力式沉箱底部土体循环特性及其等效循环蠕变模型研究

吸力式沉箱基础作为张力腿平台(TLP)的锚固基础,其底部土体不仅存在轴向卸荷作用,而且还存在循环荷载作用。现有研究很少涉及在卸荷条件下进行的软黏土循环累积变形研究。因此,通过循环三轴试验研究了轴向卸荷条件下软黏土的应变累积变形及应变软化特性。试验结果表明:在低静偏应力以及动偏应力条件下,土体应变累积及软化程度较低;随着动偏应力增加,循环累积变形逐渐变大且前期发展较快后期趋于稳定,同时应变软化程度逐渐增大;土体循环累积变形随动偏应力提高而增大,其循环累积应变曲线呈衰减-稳定的蠕变特性。在试验基础上,提出与静偏应力和动偏应力有关的软化系数公式。构建了考虑软化系数与静偏应力、动偏应力等条件下软黏土等效循环蠕变模型。将该模型推广至三维,并开发了有限元子程序。建立了循环荷载作用下吸力式沉箱基础循环抗拔承载力有限元分析法,将其用于吸力式沉箱基础循环累积变形分析中,并与沉箱模型循环试验结果进行了对比验证。     

两种粉质黏土的动、静强度特性对比研究

以京津高铁和杭州地铁沿线的两种典型粉质黏土为研究对象,并采用英国GDS多功能三轴仪完成了静、动力强度测试,研究了两种土的静力不排水抗剪强度和在交通荷载高振次循环下的动强度、临界动应力比、应变发展模式以及振后抗剪强度等方面的差异。对比发现,长期循环荷载作用下两种土的应变发展和振后强度均有很大不同。与京津地区粉质黏土相比,杭州地铁沿线土含水率高、孔隙比大、密度低、灵敏度高、强度低。两种原状土在小幅振动后土体强度略有增大,而随振幅增大,振后强度将低于未经历振动时的不排水强度值;而重塑土振后强度均低于静剪强度。