海口红黏土的结构性本构模型研究

土体结构性的数学模型是21世纪土力学的核心问题。由于土体微观结构的变化造成了重塑土与原状土的力学特性上的差异。采用应变型和应力型结构性宏观参数来表征这种微观结构的变化,同时将应变性结构性参数引入到等向固结过程中去,用以描述常规三轴试验中剪切前的等向固结过程以及剪切时球应力对结构性土体的影响。实现应变型和应力型结构性宏观参数对整个三轴剪切过程的描述。修正剑桥模型对正常固结重塑黏土的三轴压缩试验能做出准确地描述,但对超固结黏土及原状土,即具有结构地土体,则不能给出准确地描述。将应变型和应力型结构性宏观参数引入到修正剑桥模型中,实现修正剑桥模型的结构化。该结构性修正剑桥模型参数的确定方法与常规修正剑桥模型参数的确定方法相差不多,只不过多了球应力与土体结构性体应变的关系式、偏应力与土体结构性广义剪应变的关系式。经过数值模拟比较,结构性修正的剑桥模型能较好地反映原状土的结构性演化过程,能描述原状土结构的整个破坏过程,在多种应力路径下具有很好的预测作用。     

基于综合结构势概念的海口原状红黏土K-G模型修正

土的结构性是引起天然土和重塑土各项性质差异的最主要原因。基于考虑土体结构性影响的岩土工程方法和手段应代表岩土工程实践发展方向的这一认识,本文以建立海口原状红黏土的结构性本构模式为研究目标。在结构性定量化指标上,引入综合结构势的概念,建立岩土微结构、胶结作用与宏观力学效应之间的定量表达关系。通过对海口地区所取原状红黏土和相应重塑土进行等向固结排水试验和p=常数的三轴压缩排水试验,分别定义应力型结构性参数和应变型结构性参数。同时发现两者相对于平均主应力存在着归一性化特性,能较好地描述海口原状红黏土的结构性。在此基础上对K-G模型进行了结构性的修正,并进行了数值模拟。结果显示,修正K-G模型能够定量描述海口红黏土的结构性,较好地反映原状红黏土的结构性及预测原状红黏土的应力应变关系。     

水平环境荷载与地震动联合作用下的海上风机单桩基础动力响应模型试验

近海风机结构和基础长期承受着巨大的水平向环境荷载。在风机的服役周期中,地震荷载与水平环境荷载会有大概率同时空作用于风机基础上。研发了初始水平环境施加装置,设计了砂土地基中的近海风机单桩基础超重力动力模型试验,从物理模型尺度初步实现了考虑初始水平环境荷载与地震荷载联合作用的单桩基础动力试验。通过超重力振动台试验发现,联合工况下干砂地基和饱和砂地基中风机单桩基础的震后桩身弯矩值要大于初始弯矩值。在饱和地基中部分深度处的震后桩身弯矩是初始弯矩值的4倍。此外桩顶水平位移在施振过程中出现了震荡累加的现象,在饱和地基中震后桩顶水平位移是初始位移的1.3倍。初始水平环境荷载与地震荷载联合作用下风机单桩基础表现出的这种耦合效应对风机的安全服役产生了巨大的挑战,在风机基础设计中值得关注。     

降雨及蒸发条件下地裂缝研究

工程中所遇到的土体大多数以非饱和土形态存在。以海南地区的特殊土红粘土为研究对象,在对其进行土—水特性研究的基础上,认为Van Genuchten模型较好地反映了海南红粘土饱和度与基质吸力的关系。结合Bishop提出的非饱和土的有效应力表达式,分析了降雨及蒸发下地裂缝的发展机制。通过数值算例发现,在非饱和土中,静止土压力系数不再保持不变,而是随着深度和稳定流流量的变化而变化,与饱和土中的静止土压力系数的性质有很大不同,这在工程实际中对支挡结构的设计具有重要的指导意义;在非饱和土中,由于静止土压力系数存在负值,容易产生地裂缝,且在蒸发条件下,最大地裂缝深度理论上比在无渗流和降雨条件下的大。     

可液化场地桩基震后水平变形预测模型研究

近海海域实测数据显示,风机主要承受大幅值、长历时的水平向环境荷载。在服役周期内,位于高烈度区域内的近海风机遭受地震作用的概率极大。这些持续性的、量值巨大的初始水平环境荷载对风机的地震响应所产生的影响尚不清晰,目前相关研究多基于数值模拟方法。以福建海域某拟建近海风电场为对象,利用ZJU-400超重力振动台,开展了嵌岩桩单桩基础在砂土中的超重力物理模型试验,揭示了初始水平荷载与地震动荷载耦合作用下的桩身弯矩和位移响应。此外,引入超孔压参数来表征耦合荷载作用下的桩-土弱化效应,建立了能反映不同超孔压比下的大直径单桩基础桩身土反力-桩-土水平位移曲线模型。结合非线性Winkler地基梁理论框架,所构建的预测模型可以较有效地预测近海风机嵌岩单桩在初始水平荷载作用下的震后弯矩及位移分布。