上海黏性土剪切带形成的数值模拟分析

各种工程事故表明：现有的土力学计算模型均未考虑应变局部化问题,故不能解释这些工程事故的发生,因此应变局部化和剪切带形成的研究成为国际土力学界研究热点之一。数值模拟是研究剪切带形成的一个重要内容。在数值模拟中首先进行剪切带形成条件的研究,接着考虑土质不均匀性的影响,引入弱单元和强单元,进行弱单元与强单元影响力的研究。     

Dynamic modelling of retrogressive landslides with emphasis on the role of clay sensitivity

This paper presents a detailed numerical study of the retrogressive failure of landslides in sensitive clays. The dynamic modelling of the landslides is carried out using a novel continuum approach, the particle finite element method, complemented with an elastoviscoplastic constitutive model. The multiwedge failure mode in the collapse is captured successfully, and the multiple retrogressive failures that have been widely observed in landslides in sensitive clays are reproduced with the failure mechanism, the kinematics, and the deposition being discussed in detail. Special attention has been paid to the role of the clay sensitivity on each retrogressive failure as well as on the final retrogression distance and the final run‐out distance via parametric studies. Moreover, the effects of the viscosity of sensitive clays on the failure are also investigated for different clay sensitivities.     

Influence of discontinuities and clay minerals in their filling materials on the instability of rock slopes

To assess the influence of discontinuities and clay minerals in their filling materials on the instability of rock slopes, seven rock slopes along the margin of Ganjnameh–Shahrestaneh Road, Hamedan Province, Western Iran were selected, and the physical and mechanical properties of their rocks and discontinuities were determined. By statistical studies of the discontinuities, rock slope stability analysis has been performed using kinematic and limit equilibrium methods so that safety factors for the rock slopes can be calculated. Also, sampling of filling materials and X-ray diffraction tests have been done to identify the clay minerals in the filling materials. The lithologies of the studied rock slopes are granite, diorite and hornfels. The presence of discontinuities and weakness planes with different orientations and clay minerals in filling materials of discontinuities are effective factors that cause plane, wedge and toppling failures in the rock slopes. Clay minerals as filling materials of discontinuities in the studied rock slope facilitate their instability by two different methods. First, absorption of water by infilling clay minerals causes the friction angle of discontinuity surfaces that leads to plane and wedge failures to be reduced. Second, water absorption causes the swelling of clay infilling minerals that leads to toppling failure.     

黏性土剪切带的形成与其屈服的内在联系的探索

为了深入了解黏性土的应力应变特性,对黏性土进行了量测侧向变形的不排水平面应变压缩试验。分析试验结果发现,黏性土局部化变形的起始点与黏性土样中的孔隙水压力的突然增长的转折点非常接近,而孔隙水压力开始急剧增长变化的转折点为其屈服点,说明黏性土剪切带开始形成的偏应力为其屈服点,超过此点后黏性土局部化变形加剧,这个发现将有助于土体在强度理论、变形和稳定分析等方面的深入研究。     

边坡稳定强度折减有限元分析中的若干问题讨论

强度折减有限元法在边坡稳定性分析中得到了广泛应用,但仍存在一些问题未能很好地解决。首先探讨了不同单元类型对边坡稳定安全系数计算精度的影响,指出采用三角形二阶单元,能够较好地模拟土坡的渐近破坏过程,且相对网格大小控制在0.1～0.15之间时能获得较精确的解;其次讨论了边坡失稳的4个判据问题,指出在合理网格大小区间内,有限元强度折减至土坡破坏时,先后出现塑性区贯通、等效塑性应变带贯通、位移陡增与数值计算不收敛等4种表征,以此分别作为边坡失稳判据,所得到的安全系数具有较好的一致性;最后讨论了边坡破坏时滑动面深浅、滑出点位置与坡体材料的黏聚力、内摩擦角及坡角间的关系,指出黏聚力越大、内摩擦角越小或坡度越小,滑动面越深,且滑出点越远离坡脚。     

基于强度折减的土质边坡破坏及稳定分析

边坡的破坏过程是由土体局部破坏向整体失稳发展的过程,其塑性区的开展及其水平位移增量的变化较完美地展现了这个过程。根据边坡的实际破坏和有限元数值模拟情况,提出了以特征点位移增量的突变及塑性区贯通作为边坡的失稳判断准则;并以此为判据,采用基于强度折减的大变形有限元方法分析了土质边坡的破坏及稳定性。研究表明,采用强度折减有限元法可有效分析边坡的破坏及其稳定性;此外还分析了带有软弱夹层黏土边坡的破坏性状及其稳定性,并比较了大、小变形有限元的计算结果,结果表明,带有软弱夹层黏土边坡的破坏性状随软弱夹层土体性质的变化而变化,由大小变形有限元分析得到的边坡稳定安全系数较为一致,但边坡的破坏机制随软弱夹层土体性质变化的转变点不同。     

Micromechanics of vortices in granular media: connection to shear bands and implications for continuum modelling of failure in geomaterials

Recent analysis of data from triaxial tests on sand and discrete element simulations indicate the final pattern of failure is encoded in grain motions during the nascent stages of loading. We study vortices that are evident from grain displacements at the start of loading and bear a direct mathematical connection to boundary conditions, uniform continuum strain and shear bands. Motions of three grains in mutual contact, that is, 3‐cycles, manifest vortices. In the initial stages of loading, 3‐cycles initiate a rotation around a region Ω^* where the shear band ultimately develops. This bias sets a course in 3‐cycle evolution, determining where they will more likely collapse. A multiscale spatial analysis of 3‐cycle temporal evolution provides quantitative evidence that the most stable, persistent 3‐cycles degrade preferentially in Ω^*, until essentially depleted when the shear band is fully formed. The transition towards a clustered distribution of persistent 3‐cycles occurs early in the loading history—and coincides with the persistent localisation of vortices in Ω^*. In 3D samples, no evidence of spatial clustering in persistent 3‐cycle deaths is found in samples undergoing diffuse failure, while early clustering manifests in a sample that ultimately failed by strain localisation. This study not only delivered insights into the possible structural origins of vortices in dense granular systems but also a tool for the early detection of the mode of failure—localised versus diffuse—a sample will ultimately undergo. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

水泥土桩加固海洋土的渐进变形破坏试验与数值分析

应用一个高度非线性的三维各向异性粘弹塑性(EVP)模型及有限元法,对一水泥土桩(CDM)加固海洋土的复合地基进行数值模拟。海洋软粘土的渐进变形采用粘弹塑性模型来模拟,水泥土桩破坏前后的应力-应变关系采用一个双曲线模型来模拟,提出了一个简单且非常实用的数值分析方法来解决水泥土桩碎裂软化的数值模拟问题。将数值模拟结果与实测数据进行了比较,二者吻合较好。     

上海典型黏土小应变剪切模量现场和室内试验研究

土体小应变剪切模量在基坑、隧道等地下工程的计算分析中有着重要作用,越来越受到人们的关注。虽然上海地区地下工程项目的建设规模不断扩大,但关于上海典型黏土层的小应变剪切模量的研究相对较少。分别采用现场波速测试和室内弯曲元试验对上海典型黏土层的初始剪切模量进行了研究。试验结果表明：在减小土样扰动、保持土样应力状态与原位土体等效的基础上,弯曲元试验得到的初始剪切模量与现场波速测试相一致;考虑了土体应力状态和孔隙比的经验公式能够合理地描述上海典型黏土层初始剪切模量的变化规律,并给出了各土层的经验参数。试验结果可为上海地区地下工程计算分析中小应变剪切模量的估算提供参考。     

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 %。     

加筋砂土挡墙面板刚度效果的数值分析

为了对加筋砂土挡墙面板的刚度效果有一个合理、定量的把握,利用非线性硬化-软化弹塑性有限元方法对相关的一系列室内模型试验结果进行了系统全面的数值分析。有限元解析中所采用的砂土本构模型是以修正塑性功为基本状态量的弹塑性硬软化模型,该模型可以较为精确地模拟砂土的应力路径效应。结果表明,利用这种较高精度的有限元方法对加筋砂土挡墙的变形破坏进行解析,不仅能较好地模拟加筋砂土挡墙基础底面的平均压力与沉降之间的关系,同时也能较好地再现由于面板刚度变化对加筋砂土挡墙基础的承载力以及渐进性变形破坏的影响。随着面板刚度的增加,面板对剪切带的抑制作用将随之增加,具体表现在砂土围压σ3增大所带来的砂土强度σ1的提高,进而使得加筋砂土挡墙的峰值承载力也随之增大。     

高桩码头岸坡滑弧模式研究与变形稳定性分析

分别采用有限元强度折减法、简单条分法以及Spencer法对108组不同条件的高桩码头岸坡进行了整体稳定性分析,比较了上述3种方法计算结果的差异性与关联性,并依据有限元强度折减法系统地研究了不同岸坡滑弧模式发生的土体强度条件,分析了岸坡特征点的侧向位移随安全系数的变化关系。结果表明,有限元强度折减法与简单条分法在安全系数的定义形式上是一致的,但计算结果一般存在-1%～8%的差异;当坡体下方或后方的土体与坡体的强度指标之比小于某临界值（一般在1～2之间）时,滑弧将向深处或者码头后方扩展;而当岸坡的整体稳定安全系数接近工程规范所规定的安全阈值时,坡顶点的侧向位移一般会出现突变。最后,通过对某工程岸坡实例加固效果的分析,验证了结论的合理性和有效性。     

地震效应下非线性抗剪强度参数对裂缝边坡稳定性影响的上限解析

基于非线性Mohr-Coulomb破坏准则,结合极限分析上限法和拟静力分析法,建立功能方程,推导了地震效应下裂缝边坡的安全系数计算方程。采用数学规划方法,计算了不同参数组合条件下的边坡安全系数值,详细分析了非线性条件下一系列参数对边坡稳定性的影响。研究表明,边坡安全系数随非线性参数和地震效应的增大而减小。对比分析可知,在非线性破坏准则下,裂缝深度较大时,裂缝对边坡稳定性影响显著,且边坡越陡影响越大;当裂缝深度超过某个值后,临界破坏面起始端可能不穿过裂缝最底端,而是从裂缝中间某部位穿过。在地震效应作用下,非线性抗剪强度参数对安全系数影响显著。研究成果进一步完善了裂缝边坡稳定性分析内容,所列图表为边坡的设计与施工提供有益参考。     

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。     

开挖条件下含陡倾结构面顺层岩质边坡破坏模式与稳定性预测

顺层岩质边坡易发生失稳破坏,当边坡中发育有顺坡向陡倾结构面时,更不利于边坡稳定。以贵州某水电站大坝左岸含陡倾结构面顺层边坡为例,在综合分析地质条件及开挖扰动的基础上,结合离散元软件UDEC,分析了边坡的变形破坏模式和稳定性。研究结果表明,边坡可能发生的变形破坏模式主要有滑移、拉裂—滑移两种;自然状况下及开挖后,边坡都有沿断层f9、卸荷裂隙L1及岩层面发生滑移的趋势,且工程开挖导致边坡沿该结构面发生内部滑动;对边坡采用预应力锚索加固后,变形得到有效控制,位移数值计算值与实际监测值基本吻合。