北京地区土体硬化模型参数的试验研究及工程应用

本文通过北京地区某实际工程现场取样,通过室内三轴试验、固结试验确定该区域土体硬化模型参数,其中无论是强度参数还是刚度参数都大于勘察报告提供的参数,最后通过有限元分析软件Midas;GTS中修正莫尔-库仑模型模拟基坑开挖过程,并与工程实测数据对比来验证硬化模型参数的适用性。通过三轴试验、固结试验确定土体的强度参数及刚度参数更加符合原状土的力学性质,能够更加合理地预测基坑变形、支护结构受力等,为优化岩土工程设计提供了新的参考。     

上海地区基坑开挖数值分析中土体 HS-Small模型参数的研究

数值分析方法已成为分析敏感环境下基坑开挖对环境影响的最重要手段,其关键是选择合适的土体本构模型和计算参数。HS-Small模型可以同时考虑土体剪切硬化和压缩硬化,而且还可以考虑土体剪切模量在微小应变范围内随应变衰减的行为,因此,HS-Small模型在基坑开挖数值分析中具有很好的适用性。但HS-Small模型的参数较多,不仅包含了HS模型的参数,还包含了小应变参数,因此,获取完整的HS-Small模型参数存在一定困难。通过上海地区5个基坑开挖数值分析的实例对基于室内试验得出的上海典型土层HS模型参数进行了检验。通过参数的敏感性分析,对HS-Small模型的部分参数的确定方法进行了修正。在此基础上,采用反分析法确定了敏感性最强的小应变参数,从而初步完整地获取了上海典型土层土体HS-Small模型参数。采用文中确定的上海典型土层HS-Small模型参数对该地区若干典型基坑工程实例进行计算,结果表明,计算值与实测值吻合得较好,从而验证了确定的上海典型土层HS-Small模型参数的适用性。     

宁波土层的流变固结试验及流变模型参数研究

固结与流变特性及其参数取值研究是软基上结构物长期沉降课题的重要组成部分。针对宁波轨道交通工程的两个典型土层,开展了基于GDS固结仪的流变固结试验,获得了土样的主固结与次固结性状参数。采用Gibson三元件流变模型结合Matlab软件的拟合功能,得到了土样的三元件流变模型参数。通过对试验结果进行分析总结,发现宁波软土的次固结过程表现出较明显的非线性。次固结系数Ca与压缩指数Cc近似符合 Ca/Cc=0.02±0.01。宁波软土的一维流变过程符合Gibson三元件流变模型规律,且其模量参数和黏滞系数均随固结压力的增大而增大。     

考虑土体硬化的基坑开挖性状及隆起稳定性分析

基坑开挖过程中,土体应力路径、卸载回弹再压缩特性与简单加载或卸载不同,采用常规的理想弹塑性模型模拟基坑开挖,得到的围护墙位移、坑内土体回弹以及坑外沉降较大。分析了基坑开挖不同区域土体的性状,采用土体硬化模型模拟基坑开挖的卸载与土体硬化行为,结合工程算例,对比土体硬化模型和理想弹塑性模拟以及实测的围护结构土压力、围护墙水平位移和坑外土体沉降,并利用强度折减法分析基坑的稳定性。计算结果表明,考虑土体硬化的HS模型有限元方法能体现土体卸载再加载与开挖的特性,所得土压力、围护结构水平位移以及基坑抗隆起稳定性符合软土地区基坑工程的实践。     

深圳地区原状花岗岩残积土硬化土模型参数的试验研究

硬化土（hardening soil）模型是岩土工程数值分析中常采用的模型。为研究加载方式和排水条件对原状花岗岩残积土剪切行为的影响,对深圳地区原状花岗岩残积土进行了常规三轴固结排水、常规三轴固结不排水、固结排水侧向卸载和固结不排水侧向卸载4组试验,并由试验结果确定出不同加载方式和排水条件下的硬化土模型参数。结果表明：在常规三轴试验中,试样在剪切过程中表现为先剪缩后剪胀的特性,在侧向卸载试验中,试样始终表现为剪胀的特性;模型参数值与加载路径密切相关,固结不排水侧向卸载试验（CDLU）测得的有效内摩擦角 较常规三轴固结不排水试验（CD）试验大20%,而有效黏聚力 小了46%;CDLU试验得到的三轴压缩试验的参考割线模量 为CD试验的2.9倍,卸载再加载参考割线模量 为CD试验的1.8倍;在相同加载路径下,模型参数值也受排水条件的影响,由CU试验得到的 与CD试验的结果相近,但CU试验得到的 要明显大于CD试验的结果,CU试验得到的 为CD试验的2倍, 为CD试验的3.8倍。因此,在岩土工程数值分析中应根据工程的实际情况确定和选用模型参数值。     

应用正交试验设计进行数值模型参数的敏感性分析

结合深基坑重力式挡土墙侧向变形的有限元分析 ,提出了采用正交试验设计及其统计分析方法研究数值模拟结果对岩土参数敏感性的步骤。该方法能够区分影响计算结果的主要参数和次要参数 ,并对参数的敏感程度进行量化。实例分析表明 ,模拟结果只对个别参数的变化比较敏感 ,而其它参数对模拟结果影响较小。敏感性分析结果符合工程实践经验 ,表明该方法是可行的。     

扩展剑桥模型参数的优化选择及其应用

在有限元计算中合理选取土的本构关系与模型参数,对于计算成果的可靠性是十分重要的。剑桥模型是一个应用广泛的弹塑性模型,其参数一般是通过室内试验来确定的。通过建立扩展剑桥模型在三轴条件下的弹塑性本构关系的表达式,并以此为依据,利用数值模拟常规三轴试验和单向压缩试验过程并利用正反分析技术优化求解剑桥模型参数,在小浪底大坝固结计算的应用中证明了这种方法的合理性与实用性。     

敏感环境下基坑数值分析中土体本构模型的选择

数值分析已成为敏感环境下基坑工程分析的最重要手段,其关键是选择合适的土体本构模型和计算参数。在分析了岩土数值分析中常用土体本构模型特点的基础上,通过算例较系统地对比了各类模型在基坑开挖数值分析中的适用性。敏感环境下的基坑工程需重点关注墙后土体的变形,从满足工程需要和方便实用的角度出发,建议采用能考虑黏土的塑性和应变硬化特征、能区分加荷和卸荷且刚度依赖于应力水平的硬化类弹塑性模型,如MCC模型和HS模型进行分析。具体工程实例的分析,表明了硬化类弹塑性模型在敏感环境下基坑开挖数值分析中的适用性。     

堤坝软土碎石桩复合地基计算参数研究

目前确定碎石桩复合地基参数时,工程界常采用碎石与原状土参数按平面面积占比叠加的简化方法进行计算,对其适用条件较少关注。以卢旺达那巴龙格河二号水电站高土石坝深厚覆盖层软弱地基处理项目为背景,基于PLAXIS有限元平台,对不同面积置换率下含碎石芯软黏土复合试样进行三轴固结排水试验数值模拟,经室内三轴试验验证了数值模拟方案的合理性。对软土碎石桩复合地基的桩-土作用机制和土体硬化模型计算参数进行研究,将所获参数应用于坝基的变形分析,并与传统参数叠加法和碎石桩墙法进行对比。结果表明：采用数值复合试样法确定的土石坝软土碎石桩复合地基参数是合理的,在计算复合地基沉降时误差小;传统参数叠加法低估了软土碎石桩复合地基的沉降,仅适用于低应力水平、高面积置换率的情况,并且会高估复合地基的强度参数。采用数值复合试样法参数对坝基变形的二维有限元分析表明,根据坝体高度不同采取不同置换率的碎石桩分区加固地基的优化方案是可行的。     

土体参数对扩底墩竖向承载性状影响的数值分析

为了分析不同土体参数对扩底墩竖向承载性状的影响,利用有限单元法,建立了均匀地基中不同土体模量、内摩擦角、粘聚力的三维有限元模型,模拟分析了土体模量、内摩擦角和粘聚力变化时扩底墩的竖向承载性状。分析表明,扩底墩基础以端阻力为主,土体模量和内摩擦角对其竖向承载性状的影响较大,粘聚力影响较小。因此扩底墩持力层应选择土体模量和内摩擦角大的坚硬土层。     

花岗岩残积土硬化土模型参数反演及工程应用

近年来在花岗岩残积土层运营地铁线路周边进行的工程建设逐渐增多,对盾构隧道安全的影响不容忽视。有限元法是评估临近施工对隧道影响的有效手段,但其可靠程度取决于土体本构模型和参数的合理选取。首先对花岗岩残积土硬化土模型参数取值现状进行评述,随后提出一种基于自钻式旁压试验的残积土硬化土模型参数反演方法,最后将反演的参数应用于深圳典型基坑上跨隧道施工的工程案例中进行验证分析,确定较为合理的残积土硬化土模型参数取值范围。研究结果表明,花岗岩残积土硬化土模型的强度参数可根据室内试验确定,刚度参数 、 和 是反演的关键参数,适用于工程实际的 : : 可取为1:1:3～1:1:5,根据比例不同, 取值范围在36～43 MPa之间。     

某砂土液化大变形本构模型参数的敏感性分析

基于Yang和Ahmed[1－5]等提出的砂土液化大变形本构模型,对该模型的硬化规则和弹塑性模量确定方法作了改进,把该本构模型扩展应用到三维液化大变形的数值分析中,实现了基于ABAQUS大型商用软件计算平台上砂土液化大变形的计算子程序开发。基于该计算平台,对该模型的主要参数在描述砂土液化动孔隙水压力增长和动应力-应变关系曲线等方面的可靠性和敏感性进行了研究。给出了模型全过程参数、剪胀过程参数、剪缩与剪胀状态转换点流动变形量控制参数对试样的应力-应变关系曲线的影响程度及其规律,并对模型的主要参数的敏感性进行了分析,所得结论为通过动三轴试验获得相关模型参数提供了有效的指导和帮助,同时也发展了砂土液化大变形新的数值计算方法。     

粗粒土的离心模型试验与数值模拟

岩土工程数值计算中粗粒土常采用邓肯-张本构模型,为了验证该模型在轴向加载、卸载、侧向加载等复杂应力路径条件下的适用性,进行了粗粒土的三轴试验获取其力学特性及本构模型参数;根据相似性原理制作了堆石坝的离心模型试样,并采用与三轴试验同样级配与粒径的粗粒土进行复杂应力路径的堆石坝离心模型试验,试验中通过改变离心加速度模拟加载、卸载,利用上游蓄水模拟坝体的侧向加载;采用ABAQUS对离心模型试验进行三维数值模拟,并研究了模型箱侧壁摩擦系数与土体的初始应力对数值结果的影响。通过比较离心模型试验与数值模拟成果,表明土体的初始弹性模量对计算结果影响较大,初始应力应选择自重作用下的应力场;邓肯-张本构模型能较好地描述堆石坝的加载应力路径,而模拟卸载应力路径有一定的差异,需要改进邓肯-张本构模型中卸载模量的确定方法。     

考虑扰动影响的土体小应变硬化模型参数试验研究及其在基坑工程中的应用

天然结构性土体容易受到各类施工扰动,导致土体物理力学性质改变,进而影响工程稳定、变形以及邻近环境。针对宁波两种典型土体,分别对原状土和轻、重扰动土以及重塑土开展了三轴试验及一维压缩试验,分析了扰动度对小应变硬化模型(HS-small model,简称HSS模型)主要参数的影响规律,并将其应用于宁波某基坑工程,利用Plaxis3D分析了考虑周边土体扰动影响的坑后土体水平位移变化。研究结果表明,扰动会使土体的强度及刚度参数降低。对于淤泥质黏土,轻扰动试样的参考切线模量E_oed^ref 、参考割线模量E₅₀^ref及参考加卸载模量E_ur^ref值分别降低14%、10%、2%,重扰动试样三参数分别降低43%、14%、15%,粉质黏土三参数也呈现相似降低趋势。在考虑土体扰动影响的情况下,基坑周边两个测斜孔的最大水平位移值分别增大13%、15%,更加接近实测值。研究结果可为小应变硬化模型的参数取值以及考虑扰动影响的基坑工程分析计算提供指导。     

单环入渗试验与数值反演法结合推求土壤水力参数

单环入渗试验广泛应用于野外测定土壤水力参数。文章在三维非饱和带水分模拟程序VSF基础上,加入了单环入渗水流计算模块,并将改进的VSF与参数优化程序LEVMAR相耦合,构建了适用于单环入渗试验的土壤水力特征参数反演程序VSF-LEVMAR。利用大型室内土槽单环定水头入渗及变水头入渗试验资料,反求水平及垂向饱和入渗系数等土壤水力参数。应用结果表明:该方法既可以利用单环定水头入渗试验单独推求吸湿过程中的土壤水力参数,也可以结合单环定水头入渗与变水头入渗试验同时推求吸湿及脱湿过程中的土壤水力参数。     

Experimental and numerical studies of rock salt strain hardening

The work presented in this paper comes as part of a research program dealing with the thermomechanical behaviour of rock salt. It aims to study laboratory and in-situ long-term behaviour by means of creep tests with deviator and temperature changes. The laboratory results, using a triaxial multi-stages creep tests, highlighted the strain hardening character of rock salt. Furthermore, the in-situ results, using a borehole dilatometer multi-step creep test, have shown that the drilling is carried out in a weakly stressed pillar. The interpretation of the laboratory results, using the J.LEMAITRE law, did not indicate full agreement with all the test results. As a result a ‘double’ J.LEMAITRE model, which takes into account a double strain hardening variable, has been put forward. The validation of this model on the laboratory creep tests is very satisfactory. Furthermore, the activation energy seems satisfactory to represent the influence of the temperature. The in-situ behaviour modelling is clearly more complex than the modelization based on laboratory tests. In fact, it seems that if the rock salt behaviour is maintained by J.LEMAITRE law, it is necessary to vary with the stress, at least, one of the parameters assumed constant in the basic law.