基坑开挖数值分析中土体硬化模型参数的试验研究

土体硬化模型已成为基坑数值分析中最常用的本构模型之一,其应用的关键是计算参数的确定。首先采用薄壁取土器现场取得土样,通过基于GDS的三轴固结排水剪切试验、三轴固结排水卸载-再加载试验及标准固结试验获得了上海典型土层土体的三轴试验应力-应变曲线和固结试验荷载-应变关系曲线。然后根据曲线确定了各土层的HS模型参数,建立了各土层HS模型参数中切线模量 、割线模量 、加载模量 的比例关系,并探讨了这些模量与压缩模量 之间的比例关系。最后将各层的模型参数与模量间的比例关系与国内外其他软土地区的结果进行了比较。试验结果可作为上海地区及其他软土地区基坑工程数值分析中确定HS模型参数时的参考。     

平面应变条件下原状黄土侧向卸载变形与强度特性分析

基于平面应变改造后的西安理工大学真三轴仪,在不同围压条件下对不同含水率黄土进行了侧向卸载平面应变试验,研究了平面应变条件下原状黄土的卸载强度、变形特性以及原状黄土的破坏方式。研究结果表明:不同固结围压条件下,各含水率原状黄土的侧向卸载应力-应变曲线均为硬化型,近似呈理想塑性曲线。剪切过程中,黄土的侧向与竖向变形呈非线性变化,侧向应变的发展要快于竖向应变,体积变形均为体胀。侧向卸载条件下土的破坏应变要比平面应变竖向加载和常规三轴试验小得多。黄土的卸载破坏强度与含水率、围压和球应力状态密切相关;随着含水率的增大,黏聚力衰减明显,内摩擦角略有减小。侧向卸载条件下,原状黄土呈剪胀滑移破坏形式。     

平面应变条件下原状黄土侧向卸载变形与强度特性分析EI北大核心CSCD

基于平面应变改造后的西安理工大学真三轴仪,在不同围压条件下对不同含水率黄土进行了侧向卸载平面应变试验,研究了平面应变条件下原状黄土的卸载强度、变形特性以及原状黄土的破坏方式。研究结果表明:不同固结围压条件下,各含水率原状黄土的侧向卸载应力-应变曲线均为硬化型,近似呈理想塑性曲线。剪切过程中,黄土的侧向与竖向变形呈非线性变化,侧向应变的发展要快于竖向应变,体积变形均为体胀。侧向卸载条件下土的破坏应变要比平面应变竖向加载和常规三轴试验小得多。黄土的卸载破坏强度与含水率、围压和球应力状态密切相关;随着含水率的增大,黏聚力衰减明显,内摩擦角略有减小。侧向卸载条件下,原状黄土呈剪胀滑移破坏形式。     

结构性花岗岩残积土三轴试验研究

花岗岩残积工作为一种特殊土,在我国东南地区分布广泛,但其特殊的结构特性使得该类土体的工程事故频发。针对广东省肇庆市播植县某边坡残积土进行了一系列三轴试验,研究结构性花岗岩残积土在三轴应力状态时的应变和孔压变化特征,以及结构性花岗岩残积土的剪切结构性屈服特性,为相关工程提供借鉴。三轴压缩试验分别针对原状土、重塑正常固结土和重塑超固结土,试验结果表明,原状土和重塑超固结土均表现出一定的结构性,排水剪切时均表现出明显的剪胀性,应力-应变曲线均表现出应变软化,不排水剪切的超静孔压均为先增大后减小,但原状土超静孔压减小的幅度更大;超固结土的不排水抗剪强度符合SHANSEP理论,试验常数Λ_0为0.67;重塑正常固结土的归一化刚度随着加载的进行缓慢减小,ε_1=15%左右时完全屈服;原状土和重塑超固结土的归一化刚度曲线不能重合,分别于ε_1=1.5%和ε_1=1%左右发生结构性屈服,并且均在ε_1=15%左右发生整体破坏,围压越大,结构性土的刚度曲线变化规律越接近于扰动土。     

新型三轴剪切试验试样排水固结装置的研制与应用

三轴剪切试验是岩土工程中常见的室内试验,其目的主要是为了获得土的抗剪强度指标和土中孔隙水压力的变化情况。三轴的固结不排水剪（CU）和固结排水（CD）剪试验可以获得土的总应力抗剪强度指标和有效应力抗剪强度指标,因此具有其它剪切试验无法替代的优势。但因试验过程中排水固结的时间很长,影响了试验进度,从而影响到整个工程的进度和经济效益。通过对三轴剪切试样排水固结过程的机理分析,介绍了制作一种可以大大缩短大量试样排水固结时间的装置及该装置的研制方法。采用该装置,可使CU试验的效率提高6～12倍,可使CD试验的效率提高3～6倍。可节约大量的生产成本,提高工作效率,经济效益明显。     

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。     

应力路径对基坑工程变形的影响

通过各向等压固结轴向加载三轴压缩试验和等应力比固结侧向卸载三轴试验获得的土体变形参数，对一个工程实例进行了有限元分析，分析结果表明：等应力比固结侧向卸载三轴试验获得的土体变形参数的计算结果与实测资料比较吻合。故为了准确地分析土体在各种工程荷载作用下的变形情况，有必要在试验时尽可能模拟土体的实际加载路径。     

不同应力路径下天津滨海软土强度参数试验研究

以天津滨海新区地下工程涉及较多的9～18m深度海相软土为研究对象,采用应力应变控制式三轴剪切渗透试验仪,分别进行三轴固结不排水试验(CU)、三轴不固结不排水试验(UU)以及模拟基坑开挖卸荷的减p路径试验(DEP),得到滨海软土在不同应力路径下的力学性状与初始固结状态有关。CU与UU试验应力与应变关系曲线呈硬化特征,CU试验孔隙水压力与应变关系呈先剪缩后剪胀的性质;DEP试验应力与应变关系曲线呈软化特征,在等应力控制条件下,孔隙水压力与应变关系呈剪胀性质,孔压为负。DEP试验对于总应力强度参数有影响,对有效应力强度参数影响较小。在滨海软土基坑支护设计中,选用CU试验参数进行计算,设计偏于安全。     

钱塘江冲海积粉土剪胀性三轴试验研究

钱塘江两岸广泛分布着冲海积粉土.通过大量的三轴固结不排水CU和固结排水CD试验,探讨饱和粉土的应力应变性状和剪胀特性。试验表明,钱塘江冲海积粉土显著的特性之一是在剪切中膨胀,剪胀主要与粉土的密度和围压有关。CU试验中密(e=0.739～0.866)的原状样在围压600kPa范围内剪切膨胀,稍密(e=0.890～0.906)的击实样在围压低于400kPa剪切膨胀。由于粉土膨胀的本质不排水强度在剪切中保持增加,对于这种情况就没有惟一的"不排水强度";CD试验稍密(e=0.889～0.945)的击实样在围压低于400kPa时剪切膨胀。钱塘江冲海积粉土的剪切破坏要经历一个大的变形过程,固结排水剪切过程的应力应变性状可分为4个阶段。取应变继续而没有进一步体积变化的临界状态做破坏标准,确定粉土排水剪切强度指标较合理。     

Q3黄土侧向卸荷时的细观结构演化及强度特性

利用应力控制式CT-三轴仪,在控制吸力的条件下研究了原状Q3黄土的细观结构演化和强度特性。结果表明：侧向卸载时,非饱和Q3黄土的应力-应变关系呈硬化型,可用双曲线描述;利用CT数据与试验中所施加偏应力之间的关系可确定试样的屈服应力,屈服应力随着吸力和固结净围压的增大而增大;侧向卸荷剪切试验结果得到的强度参数低于常规三轴压缩剪切试验的结果;利用定义的非饱和Q3黄土的结构参数,建立了侧向卸载过程的细观结构演化方程。     

珠江口海洋软土不排水抗剪强度及循环弱化特性试验研究

为了获得广东珠江口海洋软土的不排水抗剪强度,分别开展了不固结不排水剪切和固结不排水剪切三轴试验、无侧限抗压试验、现场取土离心机正常固结模型地基的T-bar静力贯入试验以及现场十字板剪切试验和静力触探试验（CPT）,并采用土力学经验公式进行计算,确定了珠江口海洋软土不排水抗剪强度沿深度的分布规律,并综合评价了各种方法的有效性。为了获得该区域软土的循环弱化规律,分别开展了循环动三轴试验、现场取土离心机正常固结模型地基的T-bar循环贯入试验和现场单桩水平循环加载试验,揭示了软土循环动模量比与循环次数之间的双对数线性关系,获得了3种试验条件下珠江口海洋软土的循环弱化因子。其研究结果可为该区域海洋建筑物设计提供直接依据,也可为其他类型工程提供借鉴。     

An experimental database for the development,calibration and verification of constitutive models for sand with focus to cyclic loading: part I—tests with monotonic loading and stress cycles

For numerical studies of geotechnical structures under earthquake loading, aiming to examine a possible failure due to liquefaction, using a sophisticated constitutive model for the soil is indispensable. Such a model must adequately describe the material response to a cyclic loading under constant volume (undrained) conditions, amongst others the relaxation of effective stress (pore pressure accumulation) or the effective stress loops repeatedly passed through after a sufficiently large number of cycles (cyclic mobility, stress attractors). The soil behaviour under undrained cyclic loading is manifold, depending on the initial conditions (e.g. density, fabric, effective mean pressure, stress ratio) and the load characteristics (e.g. amplitude of the cycles, application of stress or strain cycles). In order to develop, calibrate and verify a constitutive model with focus to undrained cyclic loading, the data from high-quality laboratory tests comprising a variety of initial conditions and load characteristics are necessary. The purpose of these two companion papers was to provide such database collected for a fine sand. The database consists of numerous undrained cyclic triaxial tests with stress or strain cycles applied to samples consolidated isotropically or anisotropically. Monotonic triaxial tests with drained or undrained conditions have also been performed. Furthermore, drained triaxial, oedometric or isotropic compression tests with several un- and reloading cycles are presented. Part I concentrates on the triaxial tests with monotonic loading or stress cycles. All test data presented herein will be available from the homepage of the first author. As an example of the examination of an existing constitutive model, the experimental data are compared to element test simulations using hypoplasticity with intergranular strain.     

卸荷损伤原状膨胀土剪切力学特性试验研究

通过GDS三轴试验系统对经历3种卸荷速率损伤后的原状南阳膨胀土样进行再加荷不排水三轴伸长剪切试验,同时考虑了超固结比与固结状态的影响。试验结果表明,膨胀土再加荷剪切力学特性与初始卸荷速率有关。在相同的轴向应变下,初始卸荷速率越小,其偏应力单调越小。在主应力方向改变前后,其应力?应变关系曲线斜率显著变化。相同固结方式与超固结比状态下,孔隙水压力均表现为先增大后减小趋势,孔隙水压力峰值应变随卸荷速率增大而减小。无论是等压固结还是K0固结,初始卸荷速率越大,不排水剪切强度越大。膨胀土样经历了初始卸荷损伤后,再加荷常规三轴伸长试验所得剪切强度均低于无损伤时的强度。以膨胀土破坏强度所得损伤度SD低估了卸荷速率对膨胀土的损伤程度,建议采用孔隙水压力峰值强度进行膨胀土边坡设计计算。原状膨胀土力学性状随卸荷速率损伤的演化规律受卸荷阶段轴向应变大小及裂隙性综合影响。     

Shear Behaviour of Loose and Compacted Pond Ash

Massive utilization of pond ash in earth works requires thorough understanding of its geotechnical characteristics, especially strength characteristics. Here in this paper, a detailed experimental study carried on the strength and other geotechnical characteristics of pond ash samples, collected from inflow and outflow points of two ash ponds in India, are presented. Strength characteristics were investigated using consolidated drained (CD) and undrained ( [`(\textCU)] \overline{\text{CU}} ) triaxial tests with pore water pressure measurements, conducted on loose and compacted specimens of pond ash samples under different confining pressures. Ash samples from inflow point exhibited behaviour similar to sandy soils in many respects. They exhibited higher strengths than reference material (Yamuna sand), though their specific gravity and compacted maximum dry densities are significantly lower than sands. Ash samples from outflow point exhibited significant differences in their properties and values, compared to samples from inflow point. Shear strength of the ash samples from outflow point are observed to be low, particularly in loose state where static liquefaction is observed.     

正常固结饱和地基土的总应力强度指标

地基极限承载力与土体稳定分析的总应力分析法需要用土的总应力强度指标。三种常规室内三轴试验的固结应力状态、剪切时的应力路径和排水条件与地基土原位受荷破坏时不尽相同。本文首先建立三种典型排水条件下模拟地基土实际受力的总应力强度指标理论式 ,分析了其变化规律 ;与常规三轴试验结果进行了比较 ;分析了固结不排水条件下的强度计算途径和对应的指标 ;最后建立了两种部分排水条件下的总应力强度指标的计算式 ,分析了它们随固结的变化。     

高填方地基不排水稳定性分析强度指标研究

目前国内工程界对高填方地基的排水稳定性关注较多,然而针对地下水位较高、排水性能较差的原状地基,由快速填筑引起的不排水稳定性问题更为突出。综述了现行规范中关于边坡不排水稳定性分析的相关条文及国内外常用方法。通过分析总应力摩擦角的应力路径相关性以及计算原状地基典型点位的总应力加载路径,解释了采用三轴固结不排水（consolidated-undrained,简称CU）总应力强度指标进行不排水分析,会高估高填方地基的不排水稳定性,该方法存在理论缺陷和工程隐患。以简单假想边坡模型和某高填方机场实际工程为算例,利用简化Bishop法,选用5种不排水分析指标或模型,分别计算其不排水稳定性安全系数。结果表明：CU总应力法会高估高填方地基的不排水稳定性;其余4种方法计算得到的不排水稳定性安全系数比较接近,相对适用。     

南阳原状膨胀土不排水剪切性状时效性试验研究

针对南阳原状膨胀土不同卸荷间歇时间后的三轴不排水剪切特性进行了试验研究。将削好的原状膨胀土样,在常规三轴仪上首先固结至先期固结应力,进行不同卸荷比(0.00、0.50、0.75)与卸荷间歇时间(0、1、10、20、30d)的三轴不排水剪切试验,最后对部分土样进行了压汞试验。试验结果表明,南阳膨胀土力学特性与卸荷间歇时间和卸荷幅度均相关。相同轴向应变时,经历卸荷过程土样偏应力随卸荷间歇时间减小,未经历卸荷过程则表现为增大。卸荷间歇时间增加,孔隙水压力峰值应变umax?呈减小趋势。未经历卸荷过程的膨胀土强度随间歇时间增加而线性(对数坐标)增大,而经历卸荷过程的膨胀土强度随卸荷间歇时间的增加而减小,且以初期(0~1d)降幅最大,后期变缓并最终趋于稳定状态。其中,卸荷幅度越大,膨胀土强度及模量越小,达到稳定状态所需时间越长。建议边坡开挖后及时支护。在边坡稳定性分析中建议采用umaxq进行计算。结合压汞试验与吸(排)水量结果,卸荷间歇时间对原状膨胀土剪切特性的影响受微裂隙发展与颗粒间胶结强化的耦合作用。     

不同排水条件下软土蠕变特性与微观孔隙变化

对东莞软土进行了固结排水与固结不排水三轴蠕变试验、原状样与蠕变后试样水平测面微结构的扫描电镜试验,分析了不同排水条件的软土蠕变特性与微观孔隙变化规律。结果表明,不同排水条件对试样应变-时间、应变-偏应力关系产生较大影响,土样在不排水条件下屈服破坏,蠕变变形明显;在排水条件下则未有明显屈服,排水过程中的固结效应使其蠕变非线性弱化。蠕变后土样可见大孔隙减少、小孔隙数量增加、形状趋向圆状发展、定向性略有增加,不同排水条件下微观孔隙变化是土体蠕变表现差异的微观内因,孔隙特征的渐变过程揭示了软土蠕变变形的微观机制。     

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。