土与结构间接触面的非线性弹性-理想塑性模型及其应用

将非线性弹性理论与弹塑性理论相结合,对于土与结构间接触面提出了一种非线性弹性-理想塑性模型,用于模拟土与结构相互作用体系的变形与破坏机理。推导建立了这种接触面单元的应力-应变关系和弹塑性系数矩阵,并且讨论了这种模型在基坑开挖与支护分析应用中所面临的数值计算问题。最后针对某一基坑工程实例,应用这种接触面模型进行了数值计算与分析,结果表明,该模型能够较合理地模拟接触面上的变形机理与受力状态。     

改进切线模量的非线性弹性模型

为了更好的反映基坑开挖后土体的变形非线性特性,采用幂函数描述土体剪切过程中切线模量随主应力差值增大而衰减的过程。积分得到主应力差值和应变的数学表达式,其反映的数学规律符合一般土力学模型的要求。对应于不同的幂指数,该表达式可以很好拟合三轴试验应力-应变曲线。基于Duncan-Chang模型参数确定的方法,提出了本文模型参数的确定方法。在通用有限元软件基础上二次开发了模型的计算程序。应用于某基坑变形的计算结果表明,本文提出的模型比Duncan-Chang模型能更好的预测围护结构的变形。     

土体非线弹性-塑性本构模型

把本质上属于亚弹性本构模型,在岩土工程界广为应用的Duncan-Chang模型与服从Drucker-PragerMohr-Column屈服准则的弹塑性本构模型相结合,推出了非线弹性-塑性的组合本构模型,以克服经典的弹塑性模型不能考虑岩土材料在塑性屈服前的非线性行为以及一般的Duncan-Chang模型不适用于应力水平接近于屈服或破坏状态等缺点。所建议的本构模型简单实用,能较好地综合利用工程地质勘察资料和常规的土工试验数据。针对实际边坡具体地层条件的分析表明,该模型及其非线性析算法的正确性和可行性,而且在岩土工程方面具有广泛的实际应用价值。     

桥头粉喷桩复合地基工后沉降原因分析

为了研究引起搅拌桩复合地基工后沉降的原因,针对粉喷桩加固桥头软基沉降进行Biot固结有限元正反分析。有限元分析时的土体本构模型采用Duncan-Chang非线性弹性模型,反分析时的土体本构模型分别采用Duncan-Chang非线性 弹性模型和Merchant黏弹性模型。计算分析表明,引起粉喷桩加固地基工后沉降的主要因素：早期时是交通荷载引,而后期土体蠕变的影响则占主导地位。     

改进切线模量的非线性弹性模型

为了更好的反映基坑开挖后土体的变形非线性特性,采用幂函数描述土体剪切过程中切线模量随主应力差值增大而衰减的过程。积分得到主应力差值和应变的数学表达式,其反映的数学规律符合一般土力学模型的要求。对应于不同的幂指数,该表达式可以很好拟合三轴试验应力-应变曲线。基于Duncan-Chang模型参数确定的方法,提出了本文模型参数的确定方法。在通用有限元软件基础上二次开发了模型的计算程序。应用于某基坑变形的计算结果表明,本文提出的模型比Duncan-Chang模型能更好的预测围护结构的变形。      

考虑K0固结的软土基坑工程三维非线性有限元分析

为考虑基坑工程的空间效应,土体分别采用K0固结和正常固结试样固结不排水(CU)试验得到的Duncan-Chang非线性弹性模型和Mohr-Coulomb理想弹塑性模型,运用ABAQUS软件按照三维实体单元、壳单元、梁单元考虑接触相互作用的耦合有限元法,建立了福州市一典型软土基坑工程整体三维有限元分析模型,对基坑施工的各工况下整个体系的响应进行了数值模拟"目标试验",并与实测结果和二维数值模拟结果进行了比较,结果表明,采用K0固结试样CU试验参数的Duncan-Chang模型对该基坑进行的三维非线性数值模拟分析方法是较为可靠的,较之Mohr-Coulomb理想弹塑性模型和二维有限元分析,其结果的优势是明显的,是值得推崇和具有较好应用价值的方法。     

考虑坑壁位移和土压力方向的直撑力学特性

鉴于基坑支护中常见的直撑设计一般都没有考虑基坑位移和土压力的变化,总结了土压力和基坑位移之间非线性关系的研究现状,分析了随坑壁转动时土压力大小和方向的变化规律。在此基础上,推导了直撑轴力和坑壁位移之间、以及直撑纵向变形与坑壁位移之间的数学关系式。结合工程实例,进一步研究了直撑轴力和变形随基坑初始位移、支撑点、土压力作用点、土体与挡土结构间摩擦角等因素变化时的发展变化规律。研究表明,直撑轴力及其变形随基坑位移、支撑点高度、土体与挡土结构之间摩擦角的增加而减小,随土压力作用点高度的增加而增大,与基坑初始位移值基本无关。     

动力作用下砂土的残余体变及其时域连续模型

通过对砂土动力剪切荷载作用过程中的土骨架的弹性和塑性分析,研究了土骨架接触面部分可能发生的弹性恢复和永久变形以及破碎引起的最剧烈的塑性变形;并且,提出了可以通过液化前后颗粒粒径的质量百分含量的对比试验,来验证破碎模型的合理性;为进行砂土动力非线性变形和液化的数值模拟,结合砂土的剪切非线性的本构,总结了更为简化的时域连续的函数经验公式,使得在时域内进行土壤动力特性和动力非线性反应分析,以及用剪胀性理论解释动力液化和变形问题易于进行。     

横向扩展液化土中单桩-土系统的非线性分析

将地震液化场地分为地表的上覆未液化土层、底部的未液化基层以及夹在两者之间的液化土层,基于桩-土相互作用的非线性Winkler模型,考虑桩弯曲的非线性弯矩-曲率本构关系和桩的几何非线性变形,建立了液化土层横向扩展下桩非线性大挠度变形的基本控制方程,并利用打靶法进行了数值求解。同时,给出了桩线弹性小变形情形下的解析解。通过与非线性有限元解和线弹性小变形解析解的比较,验证了文中打靶法的有效性和可靠性。用数值方法分析了液化土层横向扩展对桩力学性能的影响,结果表明：非线性桩-土相互作用和桩材料非线性效应强于桩的几何非线性效应,随着液化土层横向扩展位移的增加,几何非线性效应逐渐增大,此时,应采用完全非线性模型进行桩力学行为的分析。     

基坑悬臂支护桩双参数弹性地基杆系有限元法

对地基抗力双参数法在基坑悬臂支护桩位移和内力计算方面进行了探讨,即采用地基土抗力系数随深度按双参数非线性变化的假设,以弹性地基杆系单元模拟,支护桩则按弹性梁单元模拟。对某基坑悬臂支护桩进行数值模拟反分析表明,通过试算调整可获得适合于实际设计计算的地基抗力双参数,该法应用到福州市某基坑悬臂桩的实际分析和设计中获得了较为满意的结果,可供悬臂支护桩设计计算时参考。     

考虑位移的柔性挡墙上土压力计算

针对地下连续墙等柔性挡土结构, 根据土体的渐进破坏机制,建立了非极限状态下改进的库仑土压力公式,并推导了填土内摩擦角及墙土接触面上外摩擦角的发挥与土体位移的非线性关系。将这一公式运用到改进的弹性抗力法中,得到了一种新的考虑位移的柔性挡墙上土压力计算方法。算例分析表明,模型板上土压力计算值和试验实测值吻合得较好。该计算方法可用于柔性挡墙的设计及验算。     

非线性被动土压力

用双曲线数学模型描述被动土压力变化和挡土结构位移变化的关系。基于Mindlin弹性解,推导了土体某深度矩形区域作用均布水平荷载时该矩形区域内任意点水平位移的表达式,并用该表达式确定双曲线模型初始刚度。应用对数螺旋线被动土压力理论求解被动土压力,把该法求解的做图过程转化为数学迭代过程。算例表明,这样的被动土压力理论概念明确,结果准确。      

考虑挡墙位移非线性影响的土压力计算模型

针对传统土压力理论不能考虑挡墙位移对土压力计算影响的事实,建立了一个能考虑挡墙位移非线性影响的土压力计算模型,并讨论了模型中参数的影响和计算方法。离心模型试验表明,应用提出的模型的计算成果与试验实测值符合,该模型能较准确地考虑挡墙位移对土压力的非线性影响,从而为基坑开挖中的土压力计算提供了一种新的计算方法。     

刚性挡土墙主动土压力颗粒流模拟

将土体离散为具有滑动连接模型的刚性条块,用颗粒流PFC2D程序数值从细观力学角度模拟了墙体平移(T)、绕墙底转动(RB)和绕墙顶转动(RT)位移模式下不同位移大小时刚性挡土主动土压力分布。模拟结果表明：刚性挡墙主动土压力非线性分布、墙土间外摩擦角和土体剪切角或内摩擦角对土压力有很大影响;墙体绕顶部转动时,大约0.3倍墙高以上的主动土压力大于静止土压力产生土拱效应;模拟计算值与模型试验实测数据吻合比较好,具有一定的理论价值。     

考虑基坑卸载影响的改进弹性抗力法及其应用

弹性抗力法是目前实际工程中基坑支护结构变形内力计算的一种主要方法,该方法借鉴的是计算水平荷载作用下竖直放置弹性桩的地基反力系数法,但没有考虑开挖卸载对土抗力系数和坑内土体的变形影响,因而导致变形计算值通常小于实测值。首先在开挖面施加反向自重应力模拟基坑的开挖卸荷,利用Mindlin解得到坑内土体的卸荷应力分布;在前人的实验研究基础上,推导了不同卸荷比下考虑卸荷影响的土体水平抗力系数;将支护结构的变形分解为开挖瞬时的卸载作用和基坑内外水土压力差作用2个阶段,考虑卸载应力路径对坑内土体水平抗力系数以及开挖瞬时变形的影响,对传统的弹性抗力法进行了改进,最后将该方法应用于典型三维基坑算例。研究发现,改进法得到的支护结构水平变形大于传统方法,而对内力结果影响不大;基坑平面尺寸越大,两者的变形结果差别越明显,改进法更能反映平面尺寸对基坑变形的影响     

加筋土挡墙静动力学特性大模型试验研究

为了研究加筋土挡墙在交通荷载作用下的受力变形特性,分别设计了在静载和动载作用下的加筋土挡墙大模型试验,分析了加筋土挡墙的竖向土压力、挡墙面板变形、加载板沉降以及动力加速度等参数的分布规律。试验结果表明：静、动荷载作用下加筋土挡墙受振源荷载的水平影响范围约为0.16H～0.54H（H为墙高）,挡墙土压力均呈现水平方向上由振源中心向两侧减小的趋势;同时静动荷载下挡墙面板水平位移的主要影响范围为墙顶往下约为0.55H;加载前期加筋土挡墙内部结构是一个逐渐压密的过程,动荷载作用下加载板沉降量在整个逐级荷载值变化临界处随荷载值的增大呈斜坡“阶梯”式发展;筋土结构对加速度响应有着显著的消散作用,且随着离荷载作用点距离的增大而减小。     

基于主应力迹线分层的有限土体土压力计算

为了研究挡墙后有限土体的主动土压力,以墙后无黏性土体为研究对象,假定破裂面为通过墙踵的平面,且在挡墙平动模式下,墙后土体形成圆弧形小主应力拱。采用沿小主应力迹线分层的方法,将挡墙后土体划分为若干个圆弧形曲线薄层单元,考虑了单元体上下表面应力分布的不均匀性,提出了一种有限土体挡墙主动土压力计算方法,给出了主动土压力合力及其作用点高度的表达式,并验证了该方法的正确性。研究结果表明：采用曲线薄层单元法可以准确考虑单元体复杂的受力情况,能更好地反映挡墙后有限土体主动土压力的变化规律;有限填土时主动土压力沿墙高 呈非线性分布,土压力先随着土体深度增加呈单调递增趋势,然后在接近墙底位置处呈单调递减趋势。分析参数敏感性时取不同土体宽高比与墙背粗糙程度对挡墙主动土压力分布及合力作用点高度进行分析,结果表明：随着土体宽高比n的增大,主动土压力值逐渐增大,土压力分布曲线非线性越来越明显,合力作用点高度逐渐降低且恒大于 。当 0.71时,均趋于稳定。可将 0.71作为有限土体与半无限土体的临界宽高比。随着摩擦角 的增大,主动土压力值逐渐减小,土压力分布曲线非线性越来越明显,合力作用点高度逐渐增大且恒大于 。     

离心模型挡土墙试验设备的研制

土压力问题是土力学和岩土工程领域的基本研究课题。土压力离心模型试验是验证土压力计算方法和研究土压力形成物理机制的有力工具。笔者研制开发的土压力离心模型试验设备,可用于刚性挡墙的静止土压力和平动模式下主动侧土压力的研究。该设备采用电机作为驱动系统,使得挡墙能够缓慢均匀地位移;配备有控制挡墙位移的自动控制系统,使得挡墙在离心加速度增大的过程能够保持静止状态。针对填土面水平、墙后填土为砂土的情况进行了离心模型试验,测量了墙背土压力及填土位移场随挡墙位移量的变化。试验结果规律好,验证了设备的有效性。     

基于薄层单元法主动土压力计算的复合遗传算法

作用于挡土墙侧土压力的计算一直沿用经典的土压力理论,其土压力分布沿墙高呈直线分布,但实践证明它们与实际情况不符。在已有研究成果的基础上,为提高计算精度,假定挡土墙后土体潜在滑裂面为由对数螺线面和平面组合而成,根据挡土墙后土体薄层单元的极限平衡条件推导出土压力的计算公式。由于土压力计算值与滑裂面的位置有关,为寻找潜在最危险滑裂面,在简单遗传算法中引入复合形搜索法得到一种高效的复合形遗传算法,并将其用于墙后填土潜在最危险滑裂面搜索和相应主动土压力计算。最后,对室内模型挡墙和现场实际挡墙后填土土压力进行了分析计算,计算值与实测值吻合很好,这表明该方法不仅可行,而且可靠。     

地震条件下挡土墙主动土压力及其分布的新分析法

采用旋转挡土墙计算模型的变换法,将在地震和拟静力法条件下主动土压力的求解问题转化为在静力条件下主动土压力的求解问题。根据在静力条件下水平层分析法的主动土压力推导结果,直接获得在地震条件下主动土压力强度分布、土压力合力及其作用点位置的表达式,并运用图解法得到了临界破裂角的解析解。公式可考虑水平和垂直地震加速度、不同墙背倾角、墙背和坡面倾角与填料存在黏结力和外摩擦角、存在均布超载等诸多因素的影响,公式可以适用于在常用边界和地震条件下黏性土的主动土压力计算。旋转地震角法是将在地震和拟静力法条件下挡土墙计算模型旋转为在静力条件下挡土墙计算模型,但旋转挡土墙计算模型并不改变挡土墙和墙后填土的应力状态,按在静力条件下挡土墙主动土压力求解方法求解在地震和拟静力法条件下主动土压力,该方法大大简化了在地震和拟静力法条件下的主动土压力计算公式推导过程,统一了在拟静力法条件下的地震土压力求解,理论更加完善。