基于DIC技术的砂土中圆形锚板上拔土体变形特性试验研究

针对福建标准砂,采用非接触式数字图像相关技术(digital image correlation, DIC),通过一系列室内模型试验研究了圆形锚板上拔时锚周土体的变形特性,重点分析了盘径、埋深比和砂土相对密实度的影响。试验结果表明,随着盘径的增加,同一埋深比条件下,上拔力峰值和出现上拔力峰值时的位移水平均明显增大,而上拔承载力系数N_γ则随着盘径的增加而减小,但盘径变化不影响上拔时锚周土体位移影响区的形状,且以上规律不受砂土相对密实度变化的影响。对于密砂,锚周土体位移影响区形状随着埋深比的增加由倒梯形向U字形发展,土体剪切破坏面为沿锚板边缘向外侧斜上方演进的直线型破坏面,且与竖直方向的夹角约为1/4φ_p(φ_p为土的峰值摩擦角);随着锚板的上拔,锚板上方土体出现较为明显的体积膨胀。对于松砂,随着埋深比的增加,锚周土体位移影响区形状由延伸至土体表面的矩形向内置于土体的贝壳形发展;浅埋时,土体剪切破坏面沿锚板边缘垂直向土体表面开展;深埋时,土体剪切破坏面沿锚板边缘向内侧斜上方发展,与水平方向的夹角约为45°+1/2φ_p。无论何种埋深比,锚板正上方均观测到小范围的体积膨胀区,其上为体积收缩区,且随着埋深比的增加体积收缩量逐渐增加。     

基于DIC技术的砂土中圆形锚板上拔土体变形特性的试验研究

针对福建标准砂,采用非接触式数字图像相关技术（Digital Image Correlation, DIC）,通过一系列室内模型试验研究了圆形锚板上拔时锚周土体的变形特性,重点分析了盘径、埋深比和砂土相对密度的影响。试验结果表明,随着盘径的增加,同一埋深比条件下,上拔力峰值和出现上拔力峰值时的位移水平均明显增大,而上拔承载力系数N_(γ)则随着盘径的增加而减小,但盘径变化不影响上拔时锚周土体位移影响区的形状,且以上规律不受砂土相对密度变化的影响。对于密砂,锚周土体位移影响区形状随着埋深比的增加由倒梯形向U字形发展,土体剪切破坏面为沿锚板边缘向外侧斜上方演进的直线型破坏面,且与竖直方向的夹角约为1/4φ_(p)（φ_(p)为土的峰值摩擦角）;随着锚板的上拔,锚板上方土体出现较为明显的体积膨胀。对于松砂,随着埋深比的增加,锚周土体位移影响区形状由延伸至土体表面的矩形向内置于土体的贝壳形发展;浅埋时,土体剪切破坏面沿锚板边缘垂直向土体表面开展;深埋时,土体剪切破坏面沿锚板边缘向内侧斜上方发展,与水平方向的夹角约为45°+1/2φ_(p);无论何种埋深比,锚板正上方均观测到小范围的体积膨胀区,其上为体积收缩区,且随着埋深比的增加体积收缩量逐渐增加。     

砂土中群锚锚周土体变形特性模型试验研究

群锚是常见的基础形式应用较为广泛,由于群锚之间的相互作用,群锚上拔过程中锚周土体的变形破坏机制比较复杂。采用非接触式数字图像相关方法（DIC）对群锚上拔过程开展模型试验研究,分析了群锚上拔过程中上拔力-位移关系曲线特征和锚周土体变形破坏机制。试验结果表明,密实度和埋深对群锚上拔力-位移关系曲线特征具有显著影响,在相同密实度、相同埋深率下浅埋与深埋群锚与同条件下的单锚具有相似的上拔力-位移关系曲线特征;群锚抗拔承载力具有明显的叠加效应,且砂土密实度、埋深和锚间距等参数因素对群锚效应具有显著影响。通过变形场的研究,得出了砂土密实度、埋深以及锚间距对群锚效应的影响规律。     

基于数字图像测量系统的饱和细砂渐进破坏特性研究

基于亚像素角点检测的数字图像测量系统能够记录三轴试样表面方块角点的位移,从而获得试样表面每一时刻的局部应变及应变场。分析了试样不同位置的局部径向应变在剪切过程中的变化,获得了以不同初始成样含水率制备的松砂和密砂试样在不同特征时刻的应力与应变的特征值。通过轴向应变场的变化分析了从应变局部化出现到剪切带发育、形成的这一完整的渐进破坏过程,总结了剪切带形成时的局部最大轴向应变特征值,并定性地分析了剪切带内、外土体在渐进破坏过程中不同的轴向应变增长率。试验结果表明：在应变场中试样应变局部化明显,并可以依此确定应变局部化的出现、剪切带的形成;对于密砂及初始含水率为0%制备的松砂试样,应力在应变局部化出现之初即达到峰值,剪切带形成时应力已经开始下降,进入应变软化阶段;以初始含水率为6%和12%制备的松砂试样在达到应力峰值时剪切带已经形成;剪切带内土体的局部轴向应变增长幅度比剪切带外的土体大得多。试样整体轴向应变的增大主要是由剪切带内土体剪切破坏产生的较大轴向应变所致。     

单轴压类岩石试件应变局部化位置、方向及预警应用研究

应变局部化是岩石破坏的先兆,为揭示单轴压缩条件下控制变形局部化带出现时间、位置和生长方向的主要因素。以白光数字散斑相关方法作为观测手段,获取实验过程中变形局部化的时间演变全过程数据,计算最大主应变场、最小主应变场、位移场,并结合轴力-位移关系曲线对多个试件的局部化演变特征进行了综合对比分析,发现类岩石脆性材料在单轴压受力条件下局部化带的发展沿最大主应变(最大压应变)方向,并随着最大主应变方向的偏转而发生偏转;局部化带的出现位置受最小主应变控制;短时位移场显示脆性类岩石材料局部化带内以张拉破坏为主,并非剪切破坏;局部化带不仅可在接近峰值载荷的高荷载条件下出现,还可能出现在荷载值较低的变形加速拐点处;局部化启动、局部化带两侧观测点水平位移分量反向是较好的构件破坏预警指标。     

离心场中土体图像采集与位移测量系统的研制与应用

以存储前移为主要思路,开发了离心场中高质量图像高速采集与位移非接触测量系统。该系统由图像采集、数据存储、通讯控制、分析处理和辅助制样5个子系统组成,能够克服高速旋转的离心场的干扰,在离心模型试验过程中高速采集高质量图像。该系统能够对多点同时进行测量,从而得到土体表面任意时刻、任意区域的位移场,并具有对土体无干扰、测量精度高、前期准备工作量小、自动化程度高等优点。使用该系统对土坡破坏离心模型试验中的土坡变形过程进行了测量,结果表明,土坡的破坏过程可分为均匀变形、应变局部化和破坏后变形3个阶段,加载过程中首先在坡顶和坡脚产生应变局部化。     

土工格栅加筋砂土中水平锚板抗拔特性试验研究

土工格栅加筋能够有效改善锚板的抗拔承载力,然而锚板在上拔过程中的破坏机制及其影响因素尚需进一步研究。针对砂土中水平锚板的抗拔特性,开展了多组锚板上拔试验,分析了砂土密实度、锚板埋深、土工格栅布设层数和位置等因素的影响,结合粒子图像测速（particle image velocimetry,简称PIV）技术探究了锚板周边土体的变形破坏机制。研究结果表明：单层接触式格栅加筋对锚板的抗拔承载力有明显的提升,且其对土体性能的改善优于非接触式格栅加筋情况,其原因与土工格栅变形量和上覆土体重力有关;当采用双层土工格栅加筋时,下层格栅可充分发挥限制土体侧向变形和均化应力分布的作用,上层格栅相对而言贡献不大;采用土工格栅加筋后,锚-土界面附近土体的变形模式发生了明显的变化,其破坏面相比未加筋前向内侧收敛,且剪应变分布更为均匀。     

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。     

基于耦合欧拉-拉格朗日法的锚板在黏土中的极限承载力数值分析

当结构在土体中运动时,往往导致土体发生较大的变形,此类问题采用大变形数值分析方法更为恰当。耦合欧拉-拉格朗日（Coupled Eulerian-Lagrangian, 简称CEL）法是大变形数值分析方法中的一种,在分析大变形问题时具有很强的适用性,但在国内尚未开展CEL法分析锚板承载力的研究。以方形锚板在均质土及线性土中的拔出试验为原型,基于CEL法建立数值模型,对锚板的极限承载力及破坏机制进行研究,并通过用户自定义子程序,实现了线性土的强度分布随锚板拔出而变化。计算结果表明,土体杨氏模量越大,锚板的极限承载力越大;随着位移增大,锚板的抗拔力先增大,后降低;当埋深小于临界埋深时,土体发生整体破坏;当埋深大于等于临界埋深时,土体发生局部破坏。数值计算反映的规律与试验结果基本吻合,体现了CEL法模拟锚板在海床中大位移响应的出色能力。     

考虑变形协调的土体剪切位移分布式测试研究

岩土体的剪切破坏是地质工程领域较为常见的诱灾机制,岩土剪切变形的监测对于岩土工程防灾减灾至关重要。光纤传感技术因其可实现高灵敏度的分布式应变监测,成为获取岩土剪切位移信息的潜在手段之一。本文利用全分布式光频域反射(OFDR)技术及粒子图像测速(PIV)技术,开展了土体剪切位移监测可行性的试验研究。在充分考虑直埋式应变传感光缆和周围土体变形协调的基础上,探究了剪切试验中光缆应变测值与土体剪切位移之间的关联,并提出了实现两者转换的光纤应变积分法。试验结果显示:在光缆和土体耦合良好的阶段,光缆伸长计算值与土体剪切位移之间存在线性关系,使用高精度、高空间分辨率的OFDR技术监测土体剪切位移具备可行性;在光缆上布设管式锚固点或提高围压可以增加光缆和土体的耦合性能,进而获得更好的剪切位移监测效果。     

低围压下锚固点应变传感光缆与土体变形耦合性试验研究

应变传感光缆与被测土体之间的耦合性是决定分布式光纤监测准确性的关键。为解决土工模型试验中传感光缆与被测松填砂土间的变形耦合性问题,本文研制了一种锚固点应变传感光缆,并利用自制的光缆-土体耦合性试验装置,开展了相关的光缆拉拔试验,探究了低围压下锚固点对应变传感光缆与砂土之间耦合性的影响及作用机理。研究结果表明:光缆的轴向应变随拉拔位移的增大而增大,但应变传递被限制在0.35 m以内;相同拉拔位移下,锚固点应变传感光缆比普通传感光缆需要更大的拉拔力;锚固点大大降低了应变梯度,使应变在一定范围内呈现出平均化的特征,影响范围为锚固点前后0.05~0.075 m以内。提出了耦合性的提升率指标,以此定量评价锚固点对增强光缆与土体耦合性的作用效果。本次试验中锚固点的提升率为97.41%,表明锚固点可有效增强光缆与土体的耦合性;同时,提出了一个力学模型来模拟锚固点应变传感光缆在松填砂土中的拉拔过程,准确地描述了光缆拉拔力与锚固点受力和光缆表面摩擦力之间的关系。研究成果对于土工模型试验中分布式光纤测试技术的应用提供了科学依据。     

自由段先注浆对预应力锚索抗拔试验结果影响研究

为了解决无法采用已注浆锚索进行抗拔试验问题,基于界面脱黏剪切模型,利用荷载传递和弹性变形理论,考虑锚索锚固段与自由段长度比Lb /La的影响,建立了采用自由段已注浆锚索抗拔试验结果评价锚索抗拔性能的方法。结果表明：自由段注浆对锚索抗拔力有较大幅度的提高,尤其是当界面剪切阶段由弹性向脱黏过渡时,提高比例快速增加,并在脱黏后逐渐趋于稳定。其次,锚索自由段与锚固段交界面处剪切位移和轴力最大,并向两端逐渐降低。随着拉拔力的提高,界面剪切位移和轴力都不断增大,同时向锚索两端的衰减速度也加快。此外,弹性阶段时剪应力曲线为山峰型,而脱黏阶段为马鞍型,并随抗拔力的提高,马鞍开口逐渐扩大。最后,锚固段与自由段长度比Lb /La对锚索极限抗拔力的影响较小,其极限抗拔力折减系数?Q取值介于0.81～0.83之间,且Lb /La =2.5时,?Q计算值仅比实测结果小6.02%,验证了本文方法的可行性。     

传感光纤-砂土界面力学性质的试验研究

近年来分布式光纤感测技术在岩土与地质工程领域的应用研究已成为一个研究热点,但工程实践表明,埋入式传感光纤与被测岩土体之间的变形协调性会对监测结果产生显著的影响,该问题一直制约着光纤感测技术在工程监测中的推广。本文通过一系列室内拉拔试验,对比了3种预埋于砂土中的单模光纤在不同上覆压力的作用下的拉拔力-拉拔位移曲线,并建立了一个用于描述光纤-砂土界面力学性质的三段式的拉拔模型,分析峰值拉拔力、残余拉拔力、有效拉拔位移和残余拉拔位移4个参数在不同上覆压力作用下的变化情况。分析结果揭示传感光纤-砂土界面的力学特性和应力传递规律,为分布式光纤传感技术在岩土体变形监测中的应用,尤其在变形监测光纤的选用标准方面,提供了参考依据。     

斜坡浅埋水平条形锚板抗拔承载力的极限分析

针对山区和丘陵等复杂地形下浅埋锚板抗拔承载力计算问题,基于极限分析上限定理、非线性Mohr-Coulomb强度准则及其关联流动法则,构造了斜坡浅埋水平条形锚板的曲线型破裂机制和机动许可速度场,采用变分极值原理获得了其上方土体破裂面方程和抗拔承载力的上限解,分析了斜坡倾角和锚板埋深对锚板抗拔承载力的影响。结果表明:随着斜坡倾角的增大,锚板抗拔承载力逐渐减小,此时其上方两侧土体破裂面不再对称且整体向下坡侧偏移;锚板抗拔承载力及其上方两侧土体破裂面宽度均随着埋深增大而增加;锚板埋深越小,斜坡倾角对其抗拔承载力的影响越大,应在计算中予以考虑,以更合理地反映斜坡浅埋水平条形锚板的抗拔承载特性。     

非均质地基浅埋水平条形锚板承载力上限分析

考虑地基土体的非均质特性,采用非线性Mohr-Coulomb强度准则及其关联流动法则构造了浅埋水平条形锚板的曲线型破裂机制与机动许可速度场,根据极限分析上限定理推导了条形锚板抗拔承载力的表达式。利用变分极值原理求得了锚板抗拔承载力及其上方土体破裂面的上限解,分析了锚板埋深、土体非均质和非线性强度特性对锚板抗拔承载特性的影响,并将该上限解与已有计算方法进行了对比。结果表明:锚板埋深、土体非均质和非线性强度特性对其抗拔承载力与破裂面特征具有明显的影响。锚板埋深和土体非均质系数越大以及土体非线性强度系数越小,锚板抗拔承载力和土体破裂面深度、宽度均是越大。该上限解与极限平衡和极限分析有限元方法的计算结果基本一致,验证了所采用的曲线型破裂机制和地基非均质变化规律有效性,为条形锚板设计提供了一定的参考。     

充气锚杆极限承载力计算方法

为研究充气锚杆极限承载力计算方法,在模型试验基础上,探讨充气锚杆抗拔过程中的受力特征与破坏形式,分析锚杆荷载-位移曲线变化特征。基于圆孔扩张理论,通过简化力学模型,推导充气锚杆侧阻力与端阻力计算公式,将理论公式计算值与试验成果进行比较。研究结果表明：(1) 采用球孔扩张理论可以较好地描述膨胀体端部对土体产生的弹性、塑性变形力学机制,估算端阻力值。充气膨胀压力对土体的挤压膨胀作用大大增加了锚杆的侧阻力。(2) 极限承载力理论公式计算值与抗拔试验值基本吻合,验证了极限承载理论计算公式的正确性。(3) 通过与螺旋锚杆相比,充气锚杆的承载力约为单锚片螺旋锚杆的4.3倍,约为双锚片螺旋锚杆的1.9倍,充气锚杆的承载能力优势明显。     

砂土中扩体锚杆承载特性模型试验研究

在25个室内模型试验基础上,研究了均质砂土中竖向拉拔扩体锚杆的几何尺寸及埋深对其承载特性的影响。试验结果表明,根据深径比的不同,扩体锚杆可以分为浅埋与深埋扩体锚杆2种形式,它们在拉拔过程中均经历了土体弹性变形阶段、非扩体锚固段-土界面剪切破坏阶段、土体弹塑性变形阶段以及剪切破坏阶段,破坏特征分别表现为整体剪切破坏与局部剪切破坏。通过扩体锚杆与普通拉力型锚杆模型试验对比发现：与普通拉力型锚杆相比,扩体锚杆极限承载力、承载比与安全性均有大幅度提高。而通过增大扩体锚固段直径的方式提高扩体锚杆承载力的优势较为明显。此外,根据承载比分析,扩体锚杆存在最优扩体锚固段直径,因此,在实际工程中应寻找一个满足需要的最优扩体锚固段尺寸以取得较好的经济效益。