线性分布基床系数弹性地基梁有限单元法改进

弹性地基梁法常用于研究土和结构的相互作用,对于均布荷载和边界条件简单的弹地基梁,采用理论解即可方便地进行计算。侧向荷载作用下桩体、嵌入式挡墙一般根据弹性地基梁理论进行分析,并假定基床系数随深度增加。对于基床系数呈线性分布或呈均匀分布但边界条件复杂的弹性地基梁理论求解困难,通常采用有限差分法或有限单元法近似求解。采用有限单元法计算线性分布基床系数弹性地基梁时,若单元划分数量不够,就存在计算精度不足的问题。采用加权余量法推导了更为精确的2节点5次位移函数和相应的单刚矩阵,得出了线性分布荷载作用下挠度的5次多项式近似解,从而实现只需划分很少的单元数,节点位移及单元内位移的分布即可达到较高的计算精度,极大地提高了计算效率,单元内力的分布可直接由位移函数导出,简化了后处理计算程序。     

圆形支护结构的拱效应等效支撑计算方法

从弹性力学中圆筒受均布荷载的解出发,把圆形支护结构作为弹性地基梁,把圆形支护结构的拱效应作为支护结构的等效支撑作用在弹性地基梁上,从而得出了一个计算圆形支护结构内力和位移的拱效应等效支撑方法。工程实例的计算表明,该方法是实用而有效的。     

路堤下刚性桩复合地基桩-土应力比计算

路堤下刚性桩复合地基普遍存在的负摩阻力对桩-土相互作用特性影响显著。基于极限剪切位移受应力水平影响较小而受试样尺寸影响较大的试验结果,提出了桩-土界面剪切刚度随应力水平变化的等单位长度极限剪切位移理想弹塑性模型,针对桩-土相互作用的上部负摩阻力塑性区、中部协调变形弹性区和下部摩擦承载塑性区3区段模式,建立了塑性区非均匀、弹性区非线性的摩阻力分布图式;以均布路堤荷载下等桩长复合地基中单桩等效加固单元体为研究对象,利用单元体荷载传递微分方程,结合桩-土-垫层压缩变形协调条件,推导出了中性面位置及桩-土应力比的解析表达式,分析了路堤荷载及垫层柔度系数的影响。研究表明：中性面位置随垫层柔度系数增加而下移,随路堤荷载增大先下移后上抬;桩-土应力比随垫层柔度系数增加而减小,随路堤荷载提高先增大后降低,据此提出了采用最大桩-土应力比进行桩体布置和垫层设计的技术思路。     

地基承载力确定的一种方法

根据三轴和直剪试验的特点并以Mohr强度理论为基础建立了Mohr包线的曲线形式。基于弹性理论导出了条形地基在均布荷载作用下塑性区方程,根据方程可以确定临塑荷载及塑性区的范围。与基于直线型Mohr-Coulomb准则建立起来的塑性区方程相比,该方程能反映土体抗剪强度增长随正应力增加逐渐趋缓的特点。算例分析表明：按两种方法计算得出的临塑荷载相差不大,塑性区连成一片时的荷载也基本一致;两种方法得出的塑性区的形状极为相似;随荷载增加,塑性区向下发展的速度比按传统方法得出的结果稍慢。     

深置矩形基础与地基共同作用解析分析

基于集中力作用下的Mindlin解位移公式,推导得到均布荷载作用下的地基柔度系数,对地基上的四周自由板与地基共同作用进行简化计算,得出了考虑埋深时地基基础共同作用的解析公式。在基础板为刚性和弹性、荷载为集中荷载及均布荷载的情况下,对考虑埋深时的Mindlin解与不考虑埋深时的Boussinesq解的计算结果进行比较,表明,埋深比对于基础沉降、地基反力的分布、基础板的弯矩等都有一定的影响。给出了考虑埋深时的沉降修正系数公式,以供工程应用参考。     

桩（墙）单位侧摩阻力与轴向应变关系的解析解及其应用

根据弹性力学原理,提出了模型筒桩（闭合墙）的简化力学模型。采用半逆解法先求出桩左右侧受均布摩阻力、桩顶受均布荷载两种情况下的应力分量,根据叠加原理得出桩两侧均受相同摩阻力、桩顶受均布荷载情况下的应力分量。据此推导了普通桩基的轴力和侧摩阻力计算式,分析结果表明,该计算式与传统计算方法是一致的。当桩壁两侧受不同大小的侧摩阻力、桩顶受均布荷载时,仍采用叠加原理求得各应力分量,进而求得桩表面处的轴向应变与单位侧摩阻力关系的解析解。通过矩形闭合墙基础模型试验实例,对该解析解的应用方法加以说明。该解析解的求出,为竖向载荷试验中模型筒桩（闭合墙）所量测的内外侧应变进行数据处理提供了理论依据,进而为基础-土相互作用研究提供了真实、准确的试验结果。     

基于弹性地基梁理论的冻胀作用下管道应力分析

穿越冻土区的埋地管线在遭遇冻土差异性冻胀时,管道会发生翘曲变形,管线将面临很大的安全隐患。为此,基于弹性地基梁理论建立冻胀条件下的管-土相互作用模型,分析了管道在冻胀及其影响因素作用下的应力分布规律,探讨了冻土地基特性（弹性模量、泊松比及地基系数）与温度的关系,对比了不同地基系数、冻胀量、管径、壁厚、温差以及上覆土厚度等特定条件下的管道应力峰值状况。计算结果表明：管道在过渡段与冻胀段及非冻胀段交界处有最大应力值,各类影响因素对管道交界处的应力影响最显著;地基系数的值越大,差异性冻胀量越大,管径越大,温差越大,管道交界处应力峰值也越大;管壁越厚,在管道交界处的应力峰值越小;管道上覆土层越厚,管道受冻胀作用弯曲应力越小,即加深上覆土层可降低管道由于冻胀抬升所产生的应力,可减缓管道变形。     

考虑地基土自重影响的地基承载力系数

由于地基材料的非线性,采用传统的叠加法计算地基承载力会带来误差。基于无重土地基破坏模式的承载力系数不适用于考虑地基土重的情况,这是采用叠加法计算地基承载力会产生误差的主要原因。基于滑移线法,分析了由叠加法所带来误差的变化规律,并计算了能有效减小或完全消除该误差的承载力系数。研究表明：采用传统的叠加法计算得出的地基承载力是偏低的,且误差随地基土内摩擦角的增加而增加,随黏聚力的增加而减小。采用考虑土重影响的承载力系数计算地基承载力,能有效减小或完全消除叠加法所带来的误差。     

矩形基础受垂直荷载作用下地基土中任意点的竖向附加应力系数计算公式

矩形基础受垂直均布荷载作用下,地基土中任一点的附加应力虽然可以通过角点法和应力叠加原理求得,但是除了矩形角点下各点计算较容易外,其余的点计算均较繁琐;矩形基础受垂直三角形分布荷载作用下,矩形基底面积垂直投影范围内地基土中各点的附加应力虽然可以通过角点法和应力叠加原理求得,但是除基底荷载分布为零的边的角点下各点计算较容易外,其余的点计算都很繁琐,而矩形基底面积外的点则无法计算。本文通过推导得出两个公式,借助电脑,能很容易地计算矩形基础受垂直荷载作用下地基土中任意点的附加应力系数,并通过计算对比,验证了公式是正确的。     

考虑荷载影响的黄土冻胀特性研究

黄土的冻胀特性与土体的含水率、 土体的密度以及外部荷载关系密切。在室内对不同含水率、 不同密度的黄土试样施加不同荷载, 进行了冻胀试验研究。结果表明： 黄土试样的冻胀率随着荷载增加呈指数形式递减; 冻胀率在土样含水率越大时随干密度的变化越大; 在自由冻胀状态下, 冻胀率随干密度的变化较大, 施加荷载后随干密度的变化较小。在荷载水平较高时, 冻胀率随着含水率增大而增大, 但增加幅度相较于自由冻胀显著降低。对于密度相同、 作用荷载相同的土样, 含水率增大时冻胀率线性增大。黄土地区的冻胀影响因素中, 荷载、 含水率、 干密度对冻胀影响是依次减小的。对不同含水率、 不同干密度以及不同作用荷载条件下的黄土冻胀试验结果进行拟合, 得到了可综合考虑含水率、 干密度和荷载的冻胀预报模型。     

季节冻土区扩底单桩受力性能研究进展与展望

在深季节冻土区, 正冻土和桩相互作用时可能会导致桩基的拔断或整体冻拔破坏。在桩周土冻胀过程中, 等截面直桩主要通过桩和未冻区融土间的摩阻力达到锚固效果。而对于端部直径大于桩身直径的扩底桩来说, 当桩基有整体上拔的趋势时, 扩大头会受到上覆土层的阻力而起到锚固/抗冻拔作用。通过回顾国内外研究文献, 介绍了扩底抗拔桩现有的工程背景及应用情况, 并对季节冻土区桩基的受力性能进行了总结和分析, 主要内容包括： 土体冻胀和桩基的相互作用研究, 切向冻胀力试验研究和理论研究, 切向冻胀力作用下扩底桩基冻胀反力试验研究及理论研究, 切向冻胀力作用下未冻区桩-融土间摩阻力的研究概况等。最后, 结合现有的研究内容, 对季节冻土区扩底桩的应用及研究提出进一步的展望。     

Transversely isotropic frost heave modeling with heat–moisture–deformation coupling

The transversely isotropic (TISO) constitutive and frost heave models for the freezing of fine-grained soils are more accurate than the isotropic model and simpler than the orthotropic models. First, in combination with the mesoscopic composition of freezing soils, a mechanical model for the interaction between the equivalent ice lens and the soil in frozen soils is established based on the series and parallel models in the theory of composite mechanics. Second, the TISO constitutive model together with the analytic expression of five elastic constants is provided for analysis of the freezing soils. Third, a preliminary elastoplastic model for TISO freezing soil is established based on the Hill plastic model. Fourth, the heat–moisture–deformation coupling TISO model and the hydrodynamic frost heave model are derived according to a thermodynamics equation, a soil water motion equation, and generalized Hooke’s law. Synchronization and uniformity of the TISO constitutive model and the TISO frost heave model are realized for analyzing the interaction between permafrost soils and buildings. Finally, an indoor standard frost heave test and the frost heave of a prototype canal are simulated based on the above models. The numerical results indicated that the models presented in this paper accurately described the frost heave and revealed the interaction between permafrost and buildings.

     

基于广义Winkler弹性地基梁理论的梯形渠道冻胀力学模型

寒区渠道衬砌冻胀破坏现象普遍,而渠道的防冻工程设计大多依赖工程实践经验和定性认识,具有一定的随意性和盲目性,对衬砌结构所受的冻胀力计算缺乏简明、合理的方法。考虑冻土与衬砌的相互作用和冻土地基的连续性,基于广义Winkler地基梁理论并结合有限差分法,推导了渠道衬砌板冻胀挠曲线微分方程,建立了梯形渠道冻胀力学模型,给出了衬砌渠道法向冻胀力及切向冻结力的计算方法。同时,考虑渠道衬砌冻胀破坏的极限承载力以及冻胀过程中坡脚上抬位移对实际冻胀力的削减和释放效应,避免了冻胀力及衬砌结构内力计算值过大。为验证模型的合理性,以甘肃省靖会总干渠梯形渠道为研究对象,对其进行冻胀破坏计算。结果表明：模型由于考虑了衬砌结构与冻土间的相互作用,渠道衬砌板法向冻胀力呈非线性分布,修正了工程力学模型线性分布假设;与工程力学模型相比,冻胀力数值在坡脚处增大、跨中减小、底板上增大,计算结果更符合工程实际。研究提出的冻胀力学模型科学合理,简便快捷,具有更好的通用性,可为寒区渠道的抗冻胀设计提供参考。     

基于孔隙分布模型的垫层料冻胀变形规律探讨

垫层料冻胀变形过大会影响面板坝的正常使用,研究表明,垫层料冻胀变形量大小与其级配及孔隙分布有关。为了研究寒冷环境下垫层料冻胀变形机制和规律,基于土颗粒为理想球体且完全均匀分布的假定,提出了垫层料孔隙分布模型,确定了等效孔隙直径及等效孔隙数量的计算办法。利用单向固结仪,进行了不同孔隙尺寸和不同孔隙数量垫层料的冻融循环试验,冻胀试验结果表明：垫层料冻胀量大小随孔隙尺寸和孔隙数量变化而变化。存在一个临界孔隙尺寸,小于该尺寸的孔隙越小、小孔隙越多,冻胀量越大;反之,冻胀量越小。基于孔隙分布模型,构造定义了孔隙分布指数,发现垫层料冻胀变形量与孔隙分布指数呈线性正相关关系。研究结果可为工程设计确定合理的垫层料级配提供参考。     

裂隙岩体不均匀冻胀性研究

隧道冻胀力是引起隧道冻害的主要原因之一，隧道冻胀力主要由围岩不均匀冻胀引起。裂隙的存在会对岩体不均匀冻胀产生进一步影响，因此推导了岩体不均匀冻胀系数 的计算公式，并获得岩体不均匀冻胀系数 的相关规律。（1）岩体不均匀冻胀系数随裂隙与冻结方向的夹角? 的增大而增大。（2）温度梯度增加，岩体的不均匀冻胀系数 增加，岩体的不均匀冻胀性增强。（3）裂隙率对岩体不均匀冻胀的影响需要考虑到裂隙与温度梯度夹角?，当裂隙与温度梯度的夹角? 较小时，岩体不均匀冻胀系数 随裂隙率的增加而减小；当裂隙与温度梯度的夹角? 较大时，岩体不均匀冻胀系数 随裂隙率的增加而增大。（4）裂隙对岩体不均匀冻胀的影响程度与岩体的岩性有关，裂隙对孔隙率小的岩体影响较大。根据推导的裂隙岩体不均匀冻胀系数计算公式，计算得到了不同岩性不同级别含裂隙围岩的不均匀冻胀系数范围，从而，在寒区隧道设计中可以更精确地计算隧道围岩作用于衬砌上的冻胀力，对寒区隧道工程的设计具有重要作用，对路基、边坡等寒区工程冻胀力的研究也可起到推动作用。     

EPS颗粒改良土作为寒区路基填料的抗冻性能研究

为研究EPS颗粒改良土作为寒区路基填料的抗冻性能,以冻胀率及割线模量为评测指标对改良土的抗冻性能进行了测试分析。通过冻胀率试验,获得了不同EPS颗粒掺量下冻胀率与冻融循环次数的关系。通过不同围压下的室内三轴试验,获得了改良前后土体割线模量随冻融循环次数增加的衰减规律,据此定义了无量纲单位残余割线模量比并建立了其与冻胀率的关系。结果表明：EPS颗粒的掺入对改良土的抗冻性能有明显的提升,有效地降低了改良土的冻胀率,随着EPS掺量增加,冻胀率逐渐减小,二者大致呈指数关系。冻胀率在冻融的初期发展较快,后期趋于平缓。改良后割线模量的衰减有大幅度的降低,割线模量随着冻融循环次数增加而逐渐减小,残余割线模量比与冻胀率之间近似呈二次抛物线关系。利用灰色理论可以对改良土割线模量的衰减规律进行预测,模型预测结果精度较高,可以作为路基工程冻害防治的参考。     

青海北部高含盐细砂冻胀特性研究

为研究盐分含量和含水量对青海北部高饱和盐渍砂土冻胀特性的影响,为高盐含量地区道路设计和施工提供理论依据及参考,通过对含盐量和含水量不同的盐渍砂土进行冻胀试验,开展了对高含盐饱和细砂土的冻胀特性的试验研究,得到了含水量及含盐量对砂土冻胀量的影响规律,发现含盐细砂的起胀温度受含水量的影响不大,而主要取决于含盐量。当含盐量为5%时,起胀温度最高,然后随含盐量的增加而降低。冻胀率随着温度的降低而升高。含盐量相同时,土样的冻胀率随含水率的增加呈“S”型递增趋势。在含水量固定情况下,含盐量小于5%时,冻胀率与含盐量成正比;含盐量大于5%时,冻胀率与含盐量成反比。可用多项式拟合出冻胀率随不同含水率、含盐量的变化规律。