车辆荷载作用下黄土路基动力学特征分析

针对节能环保型公路多采取低路堤设计方案,造成部分黄土路基处于交通荷载的影响范围内,易产生路基沉降变形的现状。本文从动三轴试验角度出发,研究车辆动荷载作用下干密度、围压和频率对路基土体动力学性质的响应。研究表明：随着干密度、围压和加载频率的增大,路基土体的动弹性模量增大,且对于同一土体,随着动弹性模量的增大,阻尼比呈减小趋势。在低路堤的设计方案中,可通过适当提高黄土路基的干密度来减轻运营期间车辆荷载造成的沉降;同时,在路基设计中要以车辆动荷载频率范围的下限作为路基相关设计参数的参考。     

交通荷载作用下公路软土地基长期沉降的计算

合理预测公路软土地基在交通荷载作用下产生的长期沉降,对公路的设计有着重要的指导作用。基于以往试验规律的分析,提出了一个较为合理地描述软土在长期重复荷载作用下残余变形发展过程的经验模型。通过对上海软土的循环三轴试验的模拟,初步验证了模型的合理性。对于工程边值问题,首先,根据拟静力法将交通荷载视为长期重复作用的静分布力;其次,采用弹性层状体系理论计算交通荷载在地基中引起的附加动应力;最后,将提出的模型用于计算各土层的残余应变,并沿深度对应变积分得到沉降。以日本Saga机场公路为例,说明了公路软土地基沉降的简化计算方法的有效性。     

车辆荷载作用下加筋土挡墙的静动响应现场试验

为研究车辆荷载作用下加筋土挡墙的静动力响应规律,以330国道K139+100~K139+400路段的模块式加筋土挡墙为原型,通过埋设动静土压力盒、柔性位移计以及加速度计等元器件,测试了车辆荷载作用下加筋土挡墙的筋材拉应变、面墙后侧向土压力、加筋体后侧向土压力和挡墙的侧向变形等。结果表明:车辆荷载作用时,挡土墙面墙上部的响应加速度远大于下层;当车辆荷载作用在加筋体上时,车辆行车距离对加筋体内产生的动土压力影响不大,当车辆荷载作用在加筋体后时,车辆行车距离对加筋体内的动土压力大小及分布模式有很大影响。无论是在车辆静载作用下还是在车辆动载作用下,加筋体后侧向土压力远大于面墙后的侧向土压力。     

循环交通荷载下软土路基长期沉降理论解

基于循环交通荷载下软黏土累积塑性变形、累积孔压经验公式与分层总和法结合的方法,通过计算不排水循环累积塑性变形引起的沉降和不排水循环累积孔压消散引起的固结沉降叠加,建立了一个软土路基长期沉降拟静力计算模型。对交通荷载应力路径下的软黏土空心圆柱扭剪试验数据分析,获得了不排水累积塑性应变模型和不排水累积孔压公式的参数。基于弹性理论解积分计算交通荷载下路基中的动应力,再结合分层总和法计算了路基沉降与循环周次的关系。通过工程实例分析,对比了计算沉降结果与实测结果并与以往理论分析结果,验证了所建立模型的合理性。     

循环剪切荷载作用下软土的力学性状研究

利用从现场取得的原状土样,通过室内动三轴试验对循环荷载作用下的变形、孔压和强度特性进行研究。试验研究主要考虑了周围固结压力、循环剪切应力比、荷载频率和循环次数等因素的影响。研究表明,在循环荷载作用下,孔隙水压力和轴向应变均是一个波动上升的过程。当循环应力比增大时,动孔隙水压力变化幅值显著增加,而残余孔压也较大。同时,孔隙水压力值也随着周围压力的增大而明显增大。当作用荷载频率比较大时,需要更多的循环次数才能达到小频率作用荷载能达到的孔隙水压力值。但是,随着循环荷载作用次数的增加,频率对孔隙水压力的影响有减小的趋势。     

矩形运动荷载作用下软土地基的三维振动研究

通过引入势函数,并利用Helmholtz原理和Fourier变换技术,研究了运动荷载作用下有限层厚软土地基的振动,考虑了矩形分布荷载作用下振动的三维特性,使得分析更符合工程实际,给出了运动荷载作用下饱和黏弹性地基三维振动的应力、位移和孔隙水压力响应的积分形式解答。利用Fourier数值逆变换进行算例分析,讨论了荷载速度对位移及孔隙水压力分布的影响。结果表明,位移幅值随荷载速度的增加而增大,荷载不同位置处孔隙水压力的分布有很大差异。     

车辆荷载作用下隔震沟隔震效率影响因素分析

基于动力学基本方程,运用有限单元法（FEM）和Newmark隐式积分方法,对隔震沟对车辆荷载（FWD荷载）引起的地基振动的隔震效率的影响因素进行了弹塑性数值分析。考虑到人工边界上波反射对计算结果的影响,分别用有限单元和半无限单元离散计算区域内部和边界,分析中主要考虑了隔震沟的位置、深度、宽度三个主要影响因素,基于计算结果总结出其影响规律。     

地铁荷载作用下软土地基长期沉降的有限元分析

为讨论地铁荷载作用下上海软土地基的长期沉降问题,本文利用边界面本构模型结合弹塑性动力固结有限元理论,通过ABAQUS数值软件分别建立了轨道-隧道-土体相互作用模型,考察单孔和平行双孔两种隧道布置情形。分析了单次、多次地铁列车动荷载加载引起的隧道地基沉降规律,并结合3种经验模型预测了隧道的长期沉降,得到3种不同加载工况下由列车动荷载引起的动应力幅值与沉降;并对比分析了单双孔隧道的沉降特性,将模型计算结果与沉降实测值进行比较。结果表明,采用模型的预测值与沉降实测值接近;双孔隧道的土体沉降不仅是单孔隧道沉降值的简单线性叠加,而且存在一定程度的增大。     

公路交通荷载作用下分层地基的三维动响应分析

根据高速公路路基的实际情况,建立了三维分层地基模型,分别考虑了刚性路面和柔性路面的情况,利用传递矩阵法获得了置于刚性基岩上的层状地基和分层半无限地基的刚度矩阵,将车辆荷载简化为矩形均布移动荷载,利用Fourier变换方法得到了层状地基系统在交通荷载作用下的三维振动解,并用快速傅立叶逆变换方法得到了数值结果,与模型试验结果进行了比较,显示出了较好的一致性,同时分析了荷载大小、土层性状对响应结果的影响,得出了一些有意义的结论。研究结果可为路面施工设计及路基动力响应分析提供参考。     

间歇循环荷载作用下饱和砂土累积塑性变形及孔压特性研究

长期列车荷载作用会引起砂土地基和填料的强度衰减、累积沉降过大甚至沉陷等病害问题,严重者危及行车安全。揭示病害机制需探明间歇荷载作用下饱和砂土累积塑性变形及孔压特性。对此开展了不同围压、动力幅值下连续加载与间歇加载的动三轴试验,试验结果表明：（1）饱和砂土累积塑性变形-振次曲线呈现锯齿状发展。间歇效应导致卸荷回弹,并显著降低了后加载阶段砂土累积塑性变形,可使连续加载条件下的破坏型“转换”为稳定型。（2）对于塑性安定和塑性蠕变型,孔压-振次关系曲线呈台阶状,第1加载阶段的孔压随振次迅速累积增长,而间歇阶段排水,孔压消散接近或降至0,土体趋密实;在后续加载阶段,孔压累积幅值大幅降低。对于增量破坏型,孔压在第1加载阶段快速增大,试样破坏。（3）建立了表征间歇加载下砂土累积塑性应变两阶段发展特征的预测模型,预测效果良好。（4）间歇效应提高了砂土抵抗塑性变形的能力,连续加载会高估砂土累积塑性应变和低估其动强度。该研究结果对深刻认识间歇循环荷载下饱和砂土的累积变形特性和机制具有重要参考价值。     

考虑残余体应变的土石坝地震永久变形分析

地震永久变形是评价土石坝抗震稳定性的一个重要依据,其合理计算需要同时考虑材料的残余体积应变和残余剪切应变的影响。因此,在过去提出的永久变形等效节点力计算方法的基础上,通过考虑剪切压缩耦合作用来反映残余体积应变对地震永久变形的影响,并推导了相应的模量矩阵,明确了参数选择和计算步骤。对典型单元体的残余变形模式进行了分析,计算得到的剪切应变和体积应变大小均与理论值相符,验证了模量矩阵的可靠性。在此基础上,对心墙堆石坝和面板堆石坝的算例进行了计算,重点分析了竖直向、顺河向和横河向3个方向永久变形分布,并与实测规律进行比较。计算结果表明,考虑残余体应变之后,所提方法能够反映土石坝地震永久变形以沉降为主、水平变形相对较小的特点,可更为合理地反映地震永久变形的规律。     

考虑岩体扩容和塑性软化的软岩巷道变形解析

考虑岩体的扩容和塑性软化特性,引进扩容梯度和软化模量的概念,推导出均匀介质中软岩巷道应力和变形的理论解答。与其他理论模型进行比较,验证了理论模型的正确性。通过算例分析了岩体的扩容梯度和软化模量对围岩塑性区、破裂区半径以及围岩变形和压力的影响。分析结果表明,考虑岩体的扩容和塑性软化特性使得分析更加准确,研究成果对软岩巷道支护设计与施工具有一定指导意义。     

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。     

Seismic plastic deformation in the free-field

An analytical solution for the free-field seismic elastoplastic deformation of granular dry soil is developed. This solution is possible since the stress field solution from pseudostatic analysis is known at any acceleration level. A plastic potential function with two plastic material parameters is suggested to model the soil. This model can describe both the volume dilation and contraction of soil under shearing. Closed-form deformation solutions are derived for two special cases and the results from a numerical evaluation of the solution are compared with those measured from shaking table tests. From the deformation solution the shape of the horizontal plastic displacement distribution with depth is identical to that for the elastic deformation since both depend only on the distribution of the elastic shear modulus. Copyright © 1999 John Wiley & Sons, Ltd.     

砂砾料动残余变形特性的试验研究

采用GDS动三轴试验系统对某水电站堆石坝的砂砾料进行了两种级配的动残余变形试验。试验结果表明,在围压比较小时,大部分试验条件下材料的残余剪应变和残余体变与lg(1+N)较好地符合直线关系;当围压较大时,在低动应力水平下试验结果仍能较好地满足线性关系,但随着动应力水平的增加,试验结果的离散程度变大。另外,在相同初始状态条件下,土料抵抗动力荷载变形的能力随着土料中粗颗粒含量的增多而变大。     

大理岩破坏阶段Biot系数研究

在流固耦合研究中经常采用有效应力原理,Biot系数的确定为其中困难之一。为了研究含裂纹大理岩中Biot系数演化规律,在三轴压缩塑性变形后期阶段的不同轴向变形条件下,进行轴向压力加卸载循环;并在轴向压力卸载末期对岩样施加孔隙水压力。通过记录试样的变形,在Shao提出的Biot系数计算方法的基础上,计算轴向和侧向Biot系数。得到了不同围压条件下轴向和侧向Biot系数随轴向变形的演化规律,并对此进行了深入分析。结果表明：（1）Biot系数表现为各向异性,三轴压缩试验时,试样中大部分裂纹沿最大正应力方向扩展,是造成这种现象的直接原因;（2）轴向和侧向Biot系数随着轴向变形的增大而增大,轴向变形的增大引起岩样中裂纹扩展,导致Biot系数增大;（3）低围压条件下轴向和侧向Biot系数均比高围压条件下的值大,这是由于破坏方式不同引起的。     

Numerical modeling of plastic deformation and failure around a wellbore in compaction and dilation modes

In many wellbore stability analyses, the ability to forecast both the occurrence and extent of plastic deformation and failure hinges upon a fundamental understanding of deformation mode and failure mechanism in the reservoir rock. This study focuses on analyzing plastic zones, localized deformations, and failures around a borehole drilled overbalanced or underbalanced through a highly porous rock formation. Based on several laboratory experiments, porous rocks are prone to deform under both shear-induced dilation and shear-enhanced compaction mechanisms depending on the stress state. The shapes of the deformation and failure patterns around the borehole are shown, depending on the initial stress state and the local stress paths. The inquiry of the local stress paths in the near-wellbore zone facilitates the understanding of the reasons for different types of failure mechanisms, including the mixed-mode and the plastic deformation structures. The modification of the 2D plane strain condition by imitating third stress in the numerical scheme helps us bring the stress paths closer to the real state of loading conditions. Our modeling reveals that the transition from isotropic to anisotropic stress state is accompanied by an increase in the deviatoric part of effective shear tensor that leads to the development of inelastic deformation, degradation, and subsequent rock failure. Particular interest is devoted to the modeling of strain localization especially in compaction mode around a wellbore and computing the amount of stress concentration at the tips of dog-eared breakouts. Stress concentration can result in a change in irreversible deformation mode from dilatancy to compaction, elucidating the formation of the shear-enhanced compaction phenomenon at the failure tips in the direction of the minimum horizontal stress.     

土石料湿化变形计算方法探讨

土石料的湿化是一种普遍现象,虽然可以利用非饱和理论计算湿化变形,但人们更愿意采用常规的初应变法进行计算,湿化试验则常用单线法或双线法进行。对湿化试验和相关计算方法进行分析,提出考虑湿化变形及其影响的新思路,（1）在某一应力状态下的湿化变形是由两部分组成的,一部分是由于材料本身刚度变“软”引起的湿化变形,另一部分变形是湿化引起的附加变形;（2）在双线法试验中直接将相同应力状态下对应干土和湿土的应变相减计算是不合适的,应当采用相同应力状态下各自的切线模量计算;（3）基于广义位势理论,根据应力和应变的对偶特性,可以把湿化附加变形变换为一种湿化等效应力,虽然其是一种近似处理方法,但它比较简单,容易直观地量化湿化的作用。文中思路对于颗粒破碎、干湿循环引起的变形、流变变形等也具有借鉴意义。     

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。