砂土的渐进破坏及其数值模拟

紧密砂土在排水剪切过程中由于材料的应变软化特性,会出现变形局部化并伴随剪切带的产生。对此类问题进行数值模拟时会遇到很多困难,比如如何模拟紧砂的应变软化特性,如何处理有限元数值分析过程中刚度矩阵的非正定导致计算结果发散问题,以及如何处理应力不连续的问题,拟针对以上问题进行了探讨。     

孔隙流体对岩体变形局部化的影响及数值模拟研究

本文首先叙述了孔隙流体对固体变形局部化影响的若干研究进展,并利用三维连续体快速拉格朗日分析,模拟了孔隙压力对岩体变形局部化应变场(剪切带)的影响。数值模拟结果表明,孔隙压力对变形局部化应变场有较大影响,随着孔隙压力的增加剪切带趋于不明显,岩体试件倾向于发生拉伸破坏。      

岩石试件端面效应的变形局部化数值模拟研究

试件端面效应直接影响试件内的应力分布、试件破坏形式和剪切带图案。采用FLAC - 3D模拟了端面效应对岩石试件剪切带图案、速度场和位移场的影响。试样端部的缚束作用较强时 ,仅在试样中部出现X形的剪切带 ;反之 ,在试样端部出现了倾斜的剪切带。压头刚性越大 ,剪切带倾角越大。块体具有整体平移的特性 ,剪切带边缘位移梯度却较大 ,反映了块体沿剪切带发生滑动的剪切破坏本质。数值模拟结果可在众多的试验结果中找到佐证。     

岩体假三轴压缩及变形局部化剪切带数值模拟

岩体试件应力－应变全过程曲线，剪切带图案及其演化规律不仅在理论上，而且在工程实践中有着重要的意义，利用快速拉格朗日分析法模拟了尺寸效应，加载速率和围压等因素对假三轴试件抗压应力－应变全过程曲线，变形局部化启动，稳定，剪切带图案及演化规律的影响。     

饱和砂土动静力特性的网格自适应数值模拟

在有限元数值计算平台上,建立了一套基于后验误差评估和Delaunay三角剖分的网格自适应方案,针对饱和砂土静力受压和地震液化的特性进行模拟。验证了超收敛单元片回归（SPR）误差评估中原用于四边形单元的双线性回归函数在用于三角形单元网格时的适用性和可靠性;在饱和砂土动、静力算例中,网格自适应计算获得的变形、应变、超孔压比等的变化规律与常规有限元结果趋势一致。随着网格的再生成,参考点的位移和全域的平均相对误差逼近精确值。对于初始网格,讨论了合理的自适应程度并应用于地震液化的自适应数值模拟中,也对Delaunay三角剖分实施了一些改进。最终证明该自适应方案在提高计算效率的同时,亦可以保证计算所需的精准度。     

上海黏性土剪切带形成的局部化变形试验研究

上海第五层灰色原状黏性土是上海市轨道交通车站换乘枢纽以及地下立交工程和超深基坑开挖施工所在土层,对这层土的局部化变形和剪切带形成规律的试验研究有助于深入了解它的基本力学性状,并为工程实践提供有意义的指导性结论。利用同济大学自制的平面应变仪,对该层黏土进行大量固结不排水平面应变试验,通过对试验结果的分析研究,定量得到上海黏性土变形局部化和剪切带形成的一些规律。     

不同应力路径下剪切带的数值模拟

采用回映应力更新算法,编写了基于伏斯列夫面的超固结黏土本构关系模型子程序,嵌入非线性有限元软件ABAQUS。通过对单元试验进行三轴压缩、三轴伸长及平面应变等问题的模型预测,再现了超固结黏土在不同初始超固结比和应力路径时的变形和强度特性,从而验证了子程序的正确性。借助该本构模型,对三轴压缩、三轴伸长及平面应变应力路径下超固结黏土体变形局部化问题,进行了三维数值模拟。分析结果表明：超固结黏土在三轴压缩及伸长状态时,土体变形局部化在应力-应变关系软化时出现,而平面应变状态时,在应力-应变关系硬化阶段出现,其超固结黏土的剪胀特性在剪切带的形成过程中起重要作用。     

饱和砂土液化判别与放大效应数值模拟研究

为研究地震作用下饱和砂土液化判别及地震放大效应的影响因素,采用边界面塑性模型框架内开发的砂土本构模型,基于开源有限元平台OpenSees建立了一维剪切梁土柱模型。以循环应力比CSR和循环抗力比CRR为控制指标,对比了不同液化判别方法的差异,分析了地震荷载类型和砂土相对密度对液化判别和放大效应的影响。研究表明：与数值模拟结果相比,Seed简化法计算的CSR更大,判断饱和砂土场地发生液化的可能性更高;冲击型地震波较振动型地震波更容易使饱和砂土场地发生液化,砂土相对密度越小场地越容易发生液化;放大系数随埋深的减小而增大,振动型地震波引起的放大效应整体大于冲击型,埋深较大时放大系数随砂土相对密度的增大而减小。     

基于无网格法的含缺陷岩石变形局部化数值模拟研究

利用自主开发的基于无网格法的岩石力学计算分析程序,采用Mohr-Coulomb破坏准则,考虑材料塑性屈服后的软化特性,研究单轴压缩条件下含一个缺陷的岩石试样的变形特性,探讨含缺陷材料的岩石变形局部化的演化规律。计算结果表明,岩石试件的破坏是一个渐进破坏的过程;加载过程中试件中的缺陷弱粒子首先出现粒子破坏并产生声发射,随加载进行试件产生微裂隙并扩张形成一个变形局部化带,局部化带扩张、发展,最终形成一个明显的剪切破坏带,缺陷粒子对试件的破坏起到了控制作用。岩石的声发射记录了岩石材料的塑性破坏过程,岩石试件的剪切破坏带与塑性区的发展具有非常类似的规律,但塑性区面积要大于剪切破坏带,从所处位置来看剪切破坏带位于塑性区之内,通过研究声发射特征信息发现变形局部化发生在应力-加载步（应变）达到峰值强度前。     

饱和砂土液化后大变形机制的离散元细观分析

采用颗粒流软件模拟了饱和砂土在不排水条件下的循环剪切试验,研究了不同因素对液化的影响,并进一步分析了饱和砂土液化后宏观变形的基本规律。在此基础上,从孔隙分布角度解释了砂土液化后的大变形的细观物理机制。通过自编程序对颗粒排列和孔隙分布的演化过程进行定量描述,给出孔隙率标准差作为液化后体积收缩势的度量,并研究了孔隙率标准差与液化后大变形的关系。离散元细观数值模拟再现了室内试验中的宏观现象,证实了室内试验中饱和砂土液化后的有限剪切大变形是客观真实的材料响应。土体体积收缩势的累积所导致的孔隙均匀化以及土颗粒间自由空隙增大正是饱和砂土液化后循环剪应变逐渐增大的细观机制。孔隙率标准差作为孔隙均匀化的量化指标,与循环剪应变各周次幅值有良好的相关性。     

Undrained shear band in water saturated granular media: A critical revisiting with numerical examples

By taking into account the continuity of stresses and pore pressure across the boundaries of a shear band, it is theoretically shown that incipient localization may take place in saturated loose contractive sand in the regime of decreasing deviator stress under undrained conditions. The undrained shear band orientation primarily depends on the Poisson's ratio and the dilatancy characteristics of the material. However, under strict isochoric constraint, localization is precluded in dense dilative sand with deviator stress increasing only. If any local volume change takes place with a certain mechanism, undrained shear band would be possible in dense sand, most likely in the regime of decreasing friction angle after the peak friction angle is mobilized. Numerical examples are given to demonstrate the variation of shear band inclinations with void ratios and initial consolidation pressures. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

砂土层中盾构掘进实测数据及数值模拟分析

相对于其他土层,盾构在富水砂层中掘进的风险更大,但目前盾构掘进引起砂层变形的机制并不清楚。依托广州某电力隧道项目,选取一典型富水砂性地层断面对盾构隧道施工引起的地层变形进行高频率、近距离的监测,得到以下几点认识可供类似的工程参考：（1）富水环境下,相对于均质砂层,隧道处于粉砂+粗砂地层组合更容易发生渗透破坏。此情况下,粉砂层在承受更大渗透力同时,又受粗砂层强烈补给供水,非常容易被侵蚀甚至掏空。（2）地层均匀损失与局部集中损失引起地层扰动规律有较大的不同。地层均匀损失时由于拱效应没集中局部损失的强,其扰动范围、地表沉降及水平位移均更大。水平位移最大值的位置与地层损失的非均匀化也密切相关。地层均匀损失时,隧道两边最大水平位移发生在隧道高程范围内;但地层非均匀损失（隧道顶部局部塌落）时,发生最大的水平位移的位置会明显上移。（3）渗透力的作用使得地层扰动范围扩大。（4）地层损失率受注浆影响严重,隧道附近大,地表最小,隧道上方土体呈松散化趋势。     

边坡大变形弹塑性有限元分析[Ⅱ]

本文应用Ｕｐｄａｔｅｄ Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ有限元分析理论,分析了石龙庙滑坡的稳定性,其中包括滑坡的大变形,初始应力和超孔隙水压力。根据土的工程地质性质,滑坡体分为四层,土层被视为是弹塑性的,土的塑性屈服采用Ｄｒｕｃｋｅｒ－Ｐｒａｇｅｒ理想塑性屈服准则,挡土墙建成前后的滑坡应力和变形被分别分析和讨论,最后根据这些分析结果,提出了滑坡的整治方案。     

A possible continuum theory for densification and liquefaction of saturated sand

A previously developed continuum theory of granular media is applied to the problems of densification and liquefaction of saturated sand. An expression for the free energy of saturated sand is developed. The process of densification of sand subjected to cyclic shear stress is studied and several expressions for an increase of the solid volume fraction are obtained and discussed. The problem of the initial liquefaction of saturated sand samples under cyclic shear stress is then considered and several criteria relating the shear stress amplitude, over-burden pressure, time to liquefaction, and physical properties of the sand sample are established. Some semiempirical relations for field applications are also presented.     

饱和悬浮塑料砂流动变形可视环剪试验研究

为了分析剪切条件下零有效应力状态砂土的流动变形规律,对传统环剪仪进行了试样可视化改造,研制了透明环形剪切盒,通过对剪切盒膨胀性能分析及与标准砂的剪切试验对比,验证了环剪装置改造的合理性。通过分析不排水条件下饱和悬浮塑料砂的剪应力-应变曲线,发现其剪切强度具有应变软化的特性。通过分析环剪仪中饱和悬浮塑料砂试样的有效应力,证实了可视环剪试验中的土体基本处于零有效应力状态。开展了饱和悬浮塑料砂的流动变形可视环剪试验研究,结果表明：饱和悬浮塑料砂在固结不排水条件下剪切变形不连续,直接在剪切面发生断裂;在不固结不排水的条件下饱和悬浮塑料砂的剪切变形表现出流动形态,且与剪切速率有关：在低剪切速率下,剪切变形仅在剪切面处形成具有曲线轨迹的流动变形而在其他区域不发生变形;而在高剪切速率下剪切变形为整体的倾斜变形,符合黏性流体的流动变形特征。     

桩基水平位移的有限元模拟

有限元数值计算方法在岩土工程中已有较多的应用,但在水平受荷桩分析计算中的应用尚不普遍。有关水平受荷桩土体系水平承载力及变形的数值模拟方法少有文献报道。采用有限元数值模拟方法来研究水平受荷桩土体系的水平位移。首先简要分析了水平受荷桩的主要计算方法及原理。然后,基于ABAQUS软件建立了桩土系统二维及三维的有限单元模型,分别通过按现行规范推荐的m法和按Poulos的弹性理论法计算的两个算例,将数值计算方法与解析方法进行了对比计算分析。有限元数值计算结果与解析解基本吻合,说明了所采用有限元数值模拟方法的可靠性及有效性。     

A two-scale constitutive framework for modelling localised deformation in saturated dilative hardening material

Undrained deformation of dilative sand generates negative excess pore pressure. It enhances the strength, which is called dilative hardening. This increased suction is not permanent. The heterogeneity at the grain scale triggers localisations causing local volume changes. The negative hydraulic gradient drives fluid into dilating shear zones. It loosens the soil and diminishes the shear strength. It is essential to understand the mechanism behind this internal drainage and to capture it numerically. The purpose of this paper is to develop a macroscopic constitutive relationship for the undrained deformation of saturated dense sand in the presence of a locally fully or partially drained shear band. Separate constitutive relations are generated for the band and intact material. Both time and scale dependence during pore fluid diffusion in saturated sand are captured, eliminating the mesh dependency for finite element implementations. The model is applied to the Gauss points that satisfy the bifurcation criterion. The proposed method is calibrated to recreate the undrained macroscopic response bestowed by an extra-small mesh. The microscopic behaviours inside and outside shear band predicted by this model are qualitatively in good agreement with individual material point behaviours inside and outside the shear band in the extra-small mesh. Depending on the loading rate and the shear band thickness, the response inside the band can be fully or partially drained, which governs the ultimate global strength. The calibrated model is exploited to simulate an upscaled biaxial compression test with semipermeable boundaries.     

超固结粘土的剪切带数值模拟

基于中井的子负荷面本构关系模型,采用高精度的隐式应力积分算法,研究了平面应变试验中超固结粘土试样的变形局部化问题。模拟了不同的加载速度和边界约束条件,得到了超固结比为8的藤森粘土土体内部明显可见的X型剪切带和单一型剪切带。结果表明：土体的剪胀特性、孔隙水在土体内的移动规律以及边界约束条件对剪切带的形成和发展起着控制作用。