岩土材料在非关联流动法则下剪胀角选取探讨

岩土材料属于摩擦型材料,其强度特性时参数指标的选取至关重要。当前对剪胀角存在模糊认识,导致在理论分析和数值模拟分析中常会产生较大误差。在分析传统的滑移线场理论的基础上,采用广义塑性理论,证明了岩土材料在非关联流动法则条件下的剪胀角应取? /2,且此时体变必为0。通过对具有精确理论解的经典Prandtl地基承载力课题的数值模拟分析,分别对关联流动法则、非关联流动法则剪胀角取? /2及非关联流动法则剪胀角取0三种情况下地基的承载力进行了计算。结果表明,上述3种情况下得到的极限荷载的误差为2 %,但滑移线场与理论解有较大差异。其中,在非关联流动法则条件下,采用剪胀角? =? /2所得到的滑移线场与Prandtl理论解一致,而采用? =0所得到的滑移线场与理论解有较大的偏差。这说明目前在非关联流动法则条件下采用? = 0虽然可得到相应的正确的极限荷载,但是相应的滑移线场具有较大的误差,同时也证明了岩土材料在非关联流动法则条件下的剪胀角应该选取? /2,而不是目前通常采用的0。     

剪胀角对求解边坡稳定的安全系数的影响

分析了目前用有限元方法求解安全系数时所存在的问题,同时,对于岩土边坡采用平面应变条件下基于非关联流动法则的D-P屈服准则,充分考虑岩土的剪胀性对边坡稳定安全系数的影响,修正了对于剪胀性的传统处理方法：过大的考虑材料的剪胀性的特点（ ）和完全不考虑材料的剪胀性的特点（ ）。算例结果分析表明,安全系数随剪胀角的增大而增大,在考虑剪胀性时,采用不同的屈服准则对边坡的安全系数是有很显著的影响的,误差可达30 %左右。     

砂-黏土双层地基极限承载力的数值研究

在实际工程中,常见天然的或通过人工换填形成的上部砂土、下部黏土的层状地基,目前关于这种双层地基极限承载力和破坏机制研究还不够深入。通过有限差分法建立双层地基数值模型,分析基底粗糙程度、砂土剪胀角和超载对地基破坏模式及极限承载力的影响,并根据有限差分法计算结果对强度加权平均法、应力扩散法和冲剪破坏法等现有实用计算方法的估算正确性进行评价。研究结果表明,基底粗糙程度对极限承载力的影响随着砂土内摩擦角的增大而减小;当剪胀角较小时,剪胀角变化对承载力的影响更为明显;当下层黏土强度较小时,超载的作用更明显。强度加权平均法由于低估破坏面影响深度导致砂土层权重较大,计算结果偏大;应力扩散法忽略了砂土剪切强度,在砂土层较厚时出现低估;冲剪破坏法由于可较为精确地计算砂土破坏面上抗剪强度和被动土压力,是3种实用方法中计算最准确的,当砂土厚度和黏土强度较大时,建议按太沙基经验公式对下卧黏土进行局部剪切破坏修正后确定极限承载力。     

香港全风化花岗岩饱和直剪试验中的剪胀问题

通过对全风化花岗岩的慢剪试验,指出了在直剪试验中出现的两种垂直位移变化形式,其对土体的剪胀剪缩性质的 反映与三轴试验是一致的。剪胀的发生与土体的密实程度密切相关;随垂直压力的增大,剪胀发生所需剪应力也增大;剪应 力达到峰值所需要剪位移总是比剪胀发生时所需的剪位移大。     

非饱和土条形地基太沙基极限承载力三剪统一解

基于三剪统一强度准则和非饱和土双应力状态变量抗剪强度,考虑中间主应力效应、材料拉压不等特性和强度准则差异的影响,建立了非饱和土抗剪强度三剪统一解,并在此基础上推导了非饱和土条形地基太沙基极限承载力的计算公式。通过可行性分析及算例论证,验证了所推公式的正确性,探讨了中间主应力效应、强度准则、基质吸力、有效内摩擦角和有效黏聚力等参数对非饱和土条形地基极限承载力的影响规律。研究结果表明:中间主应力效应和强度准则对非饱和土条形地基太沙基极限承载力具有显著影响,中间主应力效应越显著,极限承载力越高,说明考虑中间主应力效应可以更加充分发挥材料的强度潜能,也说明强度准则差异对地基极限承载力的预测具有重要作用。基质吸力对非饱和土条形地基太沙基极限承载力具有双重影响:在低基质吸力范围内,极限承载力随基质吸力的增大线性提高;当基质吸力增大到进气值时,极限承载力达到峰值;在高基质吸力范围内,极限承载力随基质吸力的增大逐渐降低,最终趋于稳定。非饱和土条形地基太沙基极限承载力随有效内摩擦角和有效黏聚力的增大显著提高。非饱和土太沙基极限承载力三剪统一解包含了多种屈服准则下地基承载力的计算公式,具有较广泛的适用性,可为实际工程应用提供参考。     

土的可恢复剪胀的一种解释

从土的各向异怀角度对土的可恢复剪胀现象进行了解释。基于各向异性情况下的土体弹性本构关系理论分析，认为土的可恢复剪胀现象可部分归因于土的各向异性引起的弹性剪胀。借助有关土体弹性参数实验结果，研究了应力诱导各迥异性对土体弹性剪胀的影响，结果表明：随土体应力诱导各向异性的增大，土体的弹性剪胀也增大。从土体弹性剪胀角度研究了土的卸荷体缩条件，认为土体卸荷体缩取决于加载应力路径的应力增量比，给出了土体出现卸荷体缩的区域。     

不同围压下煤岩变形与剪胀扩容模型

在RMT-150B岩石力学试验系统上进行了煤岩的变形和剪胀特性研究,获得如下结论:随着围压增加煤岩均质性明显提高,峰值前变形特性基本趋于一致,屈服阶段逐渐增长;煤岩体变扩容初始点发生在应变硬化阶段,最大扩容率在应变软化阶段,且随着围压增加体变对围压的敏感性减小;为了准确表达煤岩在破坏过程中的非线性体积变化行为,建立了同时考虑塑性剪切应变和围压影响的煤岩剪胀角模型,该模型表明在较小塑性剪切应变下剪胀角即达到峰值,之后不断缓慢回落,围压越小对应的剪胀角峰值越大,小围压下峰值剪胀角对应的塑性剪切应变也较小。     

软弱围岩中偏压隧道的剪胀特性研究

在偏压情况下对不同埋深的4车道和2车道偏压公路隧道建立其力学模型,研究其松动围岩力学特征。在考虑应力剪胀对隧道围岩的影响后,计算出洞周围岩位移、收敛比。研究结果表明：对于相同的条件,4车道偏压公路隧道的围岩剪切破坏带比2车道更容易与地面贯通;随着剪胀角的递增,围岩位移矢量和隧道拱顶下沉量逐渐减小,拱脚水平位移逐渐增大;大跨度隧道围岩位移受剪胀角的影响比小断面隧道显著。     

基于材料状态相关剪胀性的土坡稳定分析极限平衡法

土体剪胀性对土坡稳定性分析的结果有较大的影响,而在传统的极限平衡法中无法考虑土体的剪胀性。以Toyoura砂为例,通过基于材料状态相关临界状态理论的本构模型,确定了摩擦角与剪胀角之间的关系,然后将采用等效摩擦角的方式用于土坡稳定的极限平衡法分析中,提出了一种基于材料状态相关剪胀性的极限平衡法,并通过算例说明在极限平衡法中考虑剪胀角对正确评价土坡稳定性是很重要的。     

基于损伤控制方法的大理岩非线性剪胀特性试验研究

剪胀角是描述岩石体积膨胀扩容的常用参数,在非关联流动法则中,连续介质理论通常假设剪胀角为0;在关联流动法则中,其值恒定且等于内摩擦角。岩石三轴压缩全过程体应变曲线表明,其体积剪胀性依赖于围压和塑性参量,破坏过程中不仅其特征强度随围压和塑性参量呈非线性变化,而且剪胀特性也表现出非线性特征。基于塑性力学理论,针对锦屏大理岩损伤控制的全过程三轴加、卸载试验,采用双参数非线性函数拟合方法建立了能同时考虑围压效应和塑性参量的非线性剪胀角模型。结果表明,对于大理岩、中硬岩,在破坏过程中扩容行为强烈依赖围压和岩石塑性参量,均表现出先快速增加至峰值后,随着塑性变形增加逐渐减小的非线性演化规律。提出的双参数非线性剪胀角模型很好地描述了岩石破坏过程中的体积扩容特性,其结果对于研究地下工程围岩应力变化诱发的围岩剪胀破坏机制、体积扩容膨胀区范围预测和围岩支护的合理设计均具有一定的理论和工程应用价值。     

无厚度界面单元边坡浅基础极限承载力上限值的数值分析

采用研发的有限单元分析程序,并同时考虑以库仑摩擦界面为组成模式的多段式无厚度界面单元,藉以探讨边坡坡角与坡缘距离对边坡坡顶浅基础极限承载力的影响,并应用于不同几何破坏机制条件,计算边坡基础在凝聚性土体的最小荷载上限值,模拟土体间的滑动破坏趋势与渐进式破坏行为。研究分析内容包含：（1）浅基础位于半无限空间;（2）在不同边坡坡角条件下,浅基础位于坡顶边缘处;（3）在不同边坡坡角条件下,浅基础位于不同坡缘距离等。经由数值计算分析结果显示,坡缘距离值愈小或边坡坡角愈陡峭时,边坡浅基础极限承载力值则愈小。换言之,当浅基础位于坡顶边缘处且坡角为垂直开挖情况时,则导致浅基础极限承载力降低约50 %。     

斜坡地基刚性桩水平承载力上限分析

为探讨斜坡地基刚性桩水平极限承载力的计算方法，介绍柔性桩的等效刚性桩有效嵌入深度并引入极限水平地基反力分布形式。根据荷载指向坡外及坡内两种情况，提出适用于斜坡地基桩前土体的两种极限破坏模式。然后，基于极限分析上限定理，推导出两种荷载方向下的刚性桩极限承载力，并引入多组现场试验，验证了理论方法的合理性。探讨了边坡坡角、内摩擦角、黏聚力及荷载方向对极限承载力的影响，得出了一些规律性结论，并基于以上分析结果，提出斜坡地基刚性桩水平极限承载力随坡角变化的拟合公式。这些分析为斜坡地基上基桩设计提供了一定的参考，具有理论及工程应用价值。     

基于统一强度理论深埋圆形隧道围岩的剪胀分析

基于连续介质理论中岩体的剪胀角与围压和塑性剪切应变密切相关,隧洞周边岩体的应力状态因开挖卸荷而发生应力重分布,迫使其围压由原地应力逐渐衰减,塑性剪切应变不断增加,引起剪胀效应呈非线性变化。首先,基于统一强度理论和非关联流动法则,将潜在塑性区围岩按等围压释放划分为若干同心圆,提出了考虑中间主应力和非线性剪胀性的有限差分法,计算应变软化围岩的力学问题,并以实例验证其正确性。其次,通过参数分析,研究塑性区内岩体的剪胀角受中间主应力、临界软化系数和支护力的影响规律。研究结果表明,中间主应力主要影响剪胀角的峰值,随着中间主应力效应增加,剪胀峰值增加;临界软化系数主要影响剪胀角的变化率,随着临界软化系数的增加,剪胀角变化缓慢;中间主应力和临界软化系数共同影响塑性区剪胀角的变化;随着支护力的增加,洞壁处的剪胀角增加;双剪强度理论计算的位移值较小,应谨慎采用,同时采用Mohr-Coulomb强度准则时可以适当考虑围岩的承载潜力。     

深层搅拌复合地基的极限承载力预测模型探讨

分析了确定复合地基承载力的现况。根据收集到的复合地基承载力检测资料,用双曲线模型、指数模型、灰色模型对复合地基极限承载力进行了预测,并对模型的预测效果进行了分析对比,提出了适合天津市区复合地基的极限承载力预测模型。对预测值进行了修正。根据预测值建立了极限承载力和承载力特征值的关系。     

软土地基上高填方刚性涵洞地基承载力分析

山区沟谷软土地基上高填方刚性涵洞的应用较为广泛,然而,现有的计算理论对该类条件下涵洞地基承载力的认识还不够充分,对地基承载力提出过高的要求,反而为结构带来了不利影响。通过数值模拟和试验手段对涵洞的地基承载力进行深入分析。探讨基础埋深、宽度及软土固结对涵洞地基承载力的影响。研究表明,当基础埋深系数 5时,涵洞地基承载力特征值随着基础埋深的增大近似线性增加,当 5时,基础埋深对地基承载力特征值影响逐渐减小;但基础宽度对软土地基上刚性涵洞地基承载力特征值的影响甚小,实际工程中可不予考虑。此外,试验结果表明,固结度和固结压力对软土的黏聚力和内摩擦角有复合影响,固结度较大时,黏聚力和内摩擦角随固结压力的增大而明显增大。固结度和固结压力对内摩擦角的影响比对黏聚力的影响要大。高填方涵洞地基极限承载力随着软土固结度的增大而提高,当固结度达到90%时,地基极限承载力通常可提高36%以上;地基极限承载力随固结压力的增加呈非线性增大,其提高的幅度逐渐减小。     

Bearing capacity of strip and circular footings in sand using finite elements

Design of shallow foundations relies on bearing capacity values calculated using procedures that are based in part on solutions obtained using the method of characteristics, which assumes a soil following an associated flow rule. In this paper, we use the finite element method to determine the vertical bearing capacity of strip and circular footings resting on a sand layer. Analyses were performed using an elastic–perfectly plastic Mohr–Coulomb constitutive model. To investigate the effect of dilatancy angle on the footing bearing capacity, two series of analyses were performed, one using an associated flow rule and one using a non-associated flow rule. The study focuses on the values of the bearing capacity factors N_q and N_γ and of the shape factors s_q and s_γ for circular footings. Relationships for these factors that are valid for realistic pairs of friction angle and dilatancy angle values are also proposed.