软土考虑K0固结非线性弹性模型的研究及其应用

通过研究软土各向等压固结不排水三轴试验和K0固结不排水三轴试验的应力-应变关系的归一化性状,建立一个软土考虑K0固结非线性弹性模型,并结合工程实例,检验其适用性.     

晋中马兰黄土的K0固结特性

静止土压力系数K₀描述土体的原位应力状态,是许多工程计算的重要参数。本文通过等应变速率K₀固结试验,研究原状和重塑马兰黄土的K₀变化规律,并探讨这种变化与内部结构的关系。结果表明：(1)原状和重塑马兰黄土的K₀均不是恒定值,根据土体结构的变化,其固结过程可分为初始阶段和稳定阶段。初始阶段K₀(以K_0i表示)随含水率的增加呈线性增长,稳定阶段K₀(以K_0s表示)随含水率的增加呈双曲线增长,且K_0s始终大于K_0i。(2)原状马兰黄土的K_0i小于重塑马兰黄土,原因在于原状马兰黄土具有很强的簇聚结构,这种竖向结构弱化了水平应力的增长;而重塑马兰黄土趋于均质,呈各向同性,进而导致较高的K_0i。(3)稳定阶段,原状马兰黄土的初始结构被破坏,与重塑马兰黄土近似,使得两者的K_0s相近。(4)相较于其他类土,原状马兰黄土的...     

考虑流变性状的软土地基固结有限元分析

对具有流变性状的软土地基固结特性进行了研究,编制了相应的有限元程序。利用该程序对某高速公路软土地基固结问题进行了计算和分析。通过计算结果与实测结果的对比可得到以下结论：在软土地基的固结变形计算中,考虑流变性状的影响是必要的,其计算值与实测值比较吻合。     

泥炭质土K0固结不同开挖路径应力-应变关系研究

基坑开挖过程中不同部位的土体会因不同的卸荷力学行为而表现出动态的破坏特性。为研究基坑土体开挖过程中复杂的卸荷应力路径,利用TSZ-1S应力控制式三轴仪分别对湖相沉积的泥炭质土进行固结不排水及K₀固结下的加、卸荷试验,并按侧向、轴向、轴侧向同时卸荷等不同卸荷条件制定试验方案,模拟基坑开挖过程中不同部位土体卸荷路径下的应力-应变曲线、卸荷剪切破坏时的强度及初始切线模量等的变化规律。试验结果表明：土体的应力-应变特性与应力路径密切相关,各路径下应力-应变曲线都近似呈双曲线型;卸荷剪切破坏时强度明显低于加荷破坏。对不同卸荷路径下初始切线模量(E_i)的研究发现,E_i受侧向卸荷影响较大,卸荷后E_i有所提高,轴向卸荷对其影响较小。对各应力-应变曲线进行归一化处理,构建了考虑不同归一化因子的归一化方程,以该方程为基础对不同应力路径下的泥炭质土进行归一化处理,并对结果进行了验证,效果良好。本研究可为泥炭质土场地上基坑在不同卸荷路径下的变形参数和本构关系的研究提供参考。     

基于三轴试验的黄土K0固结特性研究

静止土压力系数(K₀)是岩土工程中计算侧向土压力的关键参数,原状和重塑黄土的K₀系数在固结过程中的发展规律明显区别于黏土或砂土。为研究围压和初始孔隙比对原状和重塑黄土的K₀系数的影响,采用加装高精度局部径向位移计(LVDT)的应力路径三轴仪开展了K₀固结试验研究,结果表明:(1)重塑黄土的K₀系数受初始孔隙比(e₀)的影响较为明显,当试样的初始孔隙比减小(从0.775变为0.503),其K₀系数的最大降幅为55%;然而原状黄土的K₀系数受有效围压(σ₃′)的影响较为明显,比如在σ₃′ < 350kPa时,K₀系数为0.77~0.85,在σ₃′>350kPa时,K₀系数为0.46~0.51;(2)在固结过程中,原状黄土试样和重塑黄土试样的K₀系数均发生陡降,具体表现为重塑黄土密样(e₀<0.6)的陡降发生在固结的起始阶段,重塑黄土松样(e₀ ≈ 0.77)的陡降发生在有效围压接近100kPa,而原状黄土试样的陡降发生在有效围压为350kPa附近;(3)在相同的有效围压和密度条件下,原状黄土的K₀系数大于重塑黄土。采用核磁共振技术(NMR)获取了重塑和原状黄土的孔隙分布,并辅以试样的超孔隙水压力、排水体积等数据进行了讨论,发现结构性是造成黄土K₀系数差异的主要原因。     

考虑起始水力坡降的软土大变形非线性固结分析

软黏土中渗流存在起始水力坡降的现象已逐渐为人们所认识,但变荷载下考虑起始坡降的软土大变形非线性固结理论还很鲜见。考虑土中渗流存在的起始水力坡降及非线性压缩渗透特性,在拉格朗日坐标系中建立变荷载下以超静孔压为变量的软土大变形非线性固结模型并给出其有限差分解。在此基础上,通过与达西定律下大变形固结半解析解对比分析,验证了解的可靠性。最后着重分析起始水力坡降对软土大、小变形固结性状影响的差异。结果表明,无论采用小变形假定还是采用大变形假定,考虑起始坡降后超静孔压的消散速率及最终沉降量均比达西定律下小。大、小变形假定下起始坡降均会引起超静孔压不能完全消散的现象,且大变形假定下超静孔压残留值要小于其小变形假定下的残留值,致使大变形假定下土层最终沉降量要比其小变形假定下大。起始水力坡降和几何变形假定均会影响固结性状,且起始坡降值无疑影响更明显,故在软黏土中渗流存在的起始水力坡降在固结计算中不容忽视。     

考虑非达西渗流的双层软土地基大变形非线性固结分析

现有的双层软土地基大变形固结理论均假定土中渗流遵循达西定律,但软黏土中渗流在低水力坡降下会出现偏离达西定律的现象已逐渐为人们认识。综合考虑双层软黏土中的非达西渗流、软土的非线性压缩渗透特性及实际中的变荷载作用,在拉格朗日坐标系中建立以超静孔压为变量的软土大变形非线性固结模型,并给出其有限差分解。在此基础上,通过与已有的非达西定律下单层地基大变形固结数值解计算结果相对比,以验证其差分解的可靠性。最后着重分析上、下层非达西渗流参数m_1、i_(11)及m_2、i_(12)对固结性状的影响,并分析了在大、小变形不同几何假定下对双层地基超静孔压消散及固结沉降影响的异同。结果表明:上层土参数m_1、i_(11)对固结性状的影响要比下层土参数m_2、i_(12)显著;m_2、i_(12)的增大会引起上层土超静孔压消散速率的加快,但双层地基的固结速率会减慢;大变形假定下双层软土地基的固结速率要比小变形假定下快,但两种几何假定下双层地基的最终沉降量是相等的。     

基坑开挖对邻近不同刚度建筑物影响的三维有限元分析

受各种因素的影响,基坑邻近建筑物的刚度差异显著。为了解基坑开挖对邻近不同刚度建筑物的影响,在考虑土体小应变刚度行为的基础上,对基坑邻近不同刚度建筑物的变形展开精细化分析。算例结果表明:对于任意刚度的建筑物,当其跨越坑外沉降槽最低点以及上凸曲率最大点时,墙体所产生的拉应变最为显著,即此时对于任意刚度的建筑物来说,均为最为不利位置。随着建筑物刚度的增大,墙体挠度值与拉应变值呈对数曲线下降。当建筑物整体刚度较差时,其墙体拉应变更主要取决于坑外沉降幅度,而受自身刚度影响较小。当建筑物刚度较大时,在基坑变形的影响下,建筑物更主要表现为刚体运动,而自身内部变形则相对较小。     

某软土深基坑工程时间效应有限元分析

软土地区的深基坑因土体的固结作用和流变性而具有了时间效应。本文以Biot固结有限元法为基础,用三元件模型中的第一个线性弹簧模拟固结作用,弹性模量考虑了开挖应力路径和应力历史的影响;另外一部分(KELVIN模型)来模拟土体的流变性,以实际变形的反演来得到两个参数的大致取值,再对基坑的变形情况以及进一步开挖进行分析。假定为正常固结饱和粘土,平面应变问题。通过对某饱和软粘土地基深基坑开挖工程实例的分析,得到的挡墙水平位移曲线与实测曲线很吻合,表明程序较好地反映出基坑的时间效应。     

连续排水边界下考虑变荷载的软土一维非线性固结分析

土体往往具有非线性压缩特性,不同压缩特性下土体的固结规律存在差异。综合考虑土体非线性特性、变荷载作用以及连续排水边界条件建立了一维固结方程。采用无条件稳定的有限差分法和半解析法对固结方程进行了求解,两种解答方法的可靠性通过连续排水边界条件退化以及两种解答结果对比得到验证。在有限差分法解答的基础上,详细分析了界面参数、荷载参数以及非线性参数对土体固结的影响。结果表明：连续排水边界的界面参数取值越大,则超静孔隙水消散速率及土体沉降速率越大,但界面参数取值对最终沉降量没有影响;超静孔隙水压力在加载阶段逐渐增大,在恒载阶段逐渐消散;加载速率越大,则超静孔隙水压力峰值越大,并且土体固结速率越快,说明延长施工周期有利于降低超静孔隙水压力的影响;工程中要准确预测土体固结速率绝非易事,采用固结理论预测时需保证土体模型、边界条件以及土体计算参数等因素的准确性。     

考虑基坑开挖影响的群桩基础竖向承载性状数值分析

对土体采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型,用接触面单元模拟桩-土相互作用,利用ABAQUS建立桩筏基础--地基--基坑开挖三维有限元分析模型。对基坑开挖影响下的群桩基础竖向承载性状进行了分析,讨论了桩顶反力分布、桩身轴力、桩侧摩阻力以及开挖引起的桩身水平位移及其弯矩的变化规律,并进行了考虑基坑开挖与不考虑基坑开挖的群桩基础竖向承载性状的对比分析。通过研究,取得了基坑开挖对高层建筑桩筏基础影响的基本认识,这些认识对于改进桩筏基础设计理论有一定的参考意义。     

Three-dimensional finite element analysis for soil slopes stabilisation using piles

This paper presents the analytical methods of slope-stabilising piles using the three-dimensional (3-D) finite element (FE) analysis with the strength reduction method (SRM). This 3-D FE model is employed to overcome the limitations observed in two-dimensional (2-D) FE analysis. The solutions obtained from 3-D FE analyses are verified to be less conservative in this paper. The 3-D analysis is considered to be of particular importance to pile-slope problems. The soil that flows between piles cannot be taken account properly in the 2-D FE analysis. The method adopted in this paper can avoid the assumption of soil movement and the pressure distribution along the piles subjected to soil movement. The numerical analysis employs the Mohr–Coulomb failure criterion with the strength reduction technique for soil and an elastic member for piles. The spacing effect of the pile is considered in the 3-D model, the S/D (S: centre to centre, D: diameter of pile) ratio, equal to 4.0, is found to be equivalent to the single pile stabilisation. The middle portion of the slope is identified as the optimal location to place the piles. The proper length of the pile, which can be used to stabilise the slope, is also examined using 3-D FE analyses. It is concluded that L/H greater or equal 0.70 is recommended (L: pile length, H: slope height). The numerical analyses are conducted based on a coupled analysis, which simultaneously considers both the slope stability and the pile response. The failure mechanisms of the pile-slope system subjected to the pile locations, pile head conditions and pile length are each discussed. The contact pressure, shear force and moment along the piles are presented to illustrate the pile stabilising mechanism herein.     

圆形板基础下地基强度和变形非线性性状研究

采用Drucker弹塑性模型、SAP91非线性有限元程序、Vizi CAD微机有限元前后处理系统计算、分析了轴对称问题，即圆形板情况下，基础板几何尺寸、基础刚度、边界条件、基础埋深对基础沉降量、塑性区开展的影响，结果表明基础沉降随基础几何尺寸增大而增大，随基础刚度、埋深的增大而减小；基础刚度、几何尺寸、埋深的加大都能提高地基承载力。     

考虑起始坡降双层地基的大应变非线性固结

天然软土成层分布特性及土中渗流存在起始水力坡降的现象已被人们熟知。但变荷载下能同时考虑黏土中起始水力坡降、软土非线性压缩渗透特性及大应变特性的双层地基固结理论还鲜见报道。在拉格朗日坐标系中建立以超静孔压为变量的双层软土地基大应变非线性固结模型并给出其有限差分解。通过与考虑起始水力坡降的单层地基大应变非线性固结数值计算结果对比,验证了差分解的可靠性。着重分析了上、下土层起始坡降无量纲参数R1、R2对双层地基固结性状的影响,分析在大应变与小应变假定下双层地基超静孔压消散及固结沉降变形的异同。结果表明：上层土无量纲参数R1对双层地基固结性状的影响程度较下层土无量纲参数R2显著;大应变假定下双层地基渗流前锋的下移速度要快于小应变假定下的移动速度;大应变假定下考虑起始水力坡降的双层软土地基超静孔压消散速率要比小应变假定下快,且大应变假定下考虑起始水力坡降的双层地基最终沉降量要比小应变假定下大。     

糯扎渡水电站1#导流隧洞三维非线性有限元开挖模拟分析

糯扎渡水电站1#导流隧洞开挖经过F3断层,开挖过程中,F3断层影响带附近的岩体力学参数直接控制着围岩的变形和应力分布。为了评判后续Ⅱ,Ⅲ层开挖围岩的稳定性,首先利用隧洞第Ⅰ层开挖的位移监测数据反演出F3断层附近围岩的岩体力学参数和初始地应力场;然后,利用反演得到的初始地应力场和岩体力学参数进行Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ层开挖模拟分析,得到了F3断层附近围岩的应力变形情况。计算结果表明：随着开挖的不断进行,隧洞F3断层周围岩体的约束逐渐解除,围岩的应力逐渐增大,隧洞周边的位移也不断增大,并且隧洞周围应力变形在F3断层中心区域有明显的错动现象,说明F3断层对隧洞的开挖影响比较大,有必要对此区域后期变形加强观测和分析。     

软土深基坑支护内力和变形的三维有限元分析

针对天津经济技术开发区某软土深基坑工程,采用大型有限元分析软件ABAQUS对基坑支护体系的内力、变形进行了全三维非线性有限元分析：应用单元生死功能精确地模拟实际开挖过程;为减小不同类型单元自由度耦合引起的计算误差,对土体及支护体系均采用实体单元模拟;通过数值分析结果与实际测量数据的比较,验证了分析方法的精度,计算方 法及结论有益于今后对类似基坑工程进行更可靠的分析设计。     

地铁交叉隧道近场强地震反应特性的三维精细化非线性有限元分析

基于ABAQUS软件研发的显式有限元并行计算集群平台,建立地铁双层交叉隧道结构的三维精细化有限元分析模型,研究了近场强地震动作用下地铁双层交叉隧道的三维非线性地震反应特性,并与浅埋/深埋单层隧道的地震反应特性进行了比较,结果表明：双层隧道的相互作用效应对上、下层隧道顶、底部之间的相对水平位移差具有放大作用;对上、下层隧道的地震应力反应有减小作用;双层隧道上、下层左侧的地震应力反应大于右侧的地震应力反应,隧道拱肩和拱腰处的应力反应明显大于其他部位,拱肩为隧道结构的最危险部位;双层隧道下层顶、底部的峰值加速度反应大于上层顶、底部的峰值加速度反应;双层隧道相互作用效应对上、下层隧道地震反应的影响与双层隧道的交叉形式和基岩输入的近场强地震动特性有关。     

Three-dimensional finite element modelling for consolidation due to groundwater withdrawal in a desaturating anisotropic aquifer system

A poroelastic numerical model is presented to evaluate three-dimensional consolidation due to groundwater withdrawal from desaturating anisotropic porous media. This numerical model is developed based on the fully coupled governing equations for groundwater flow in deforming variably saturated porous media and the Galerkin finite element method. Two different cases of unsaturated aquifers are simulated for the purpose of comparison: a cross-anisotropic soil aquifer, and a corresponding isotropic soil aquifer composed of a geometrically averaged equivalent material. The numerical simulation results show that the anisotropy has a significant effect on the shapes of three-dimensional hydraulic head distribution and displacement vector fields. Such an effect of anisotropy is caused by the uneven partitioning of the hydraulic pumping stress between the vertical and horizontal directions in both groundwater flow field and solid skeleton deformation field. Copyright © 1999 John Wiley & Sons, Ltd.     

波浪作用下某防沙堤的动力固结有限元分析

基于饱和土动力固结理论,采用SWANDYNE II有限元分析,程序预测一个梯形沉箱防沙堤在某设计波浪作用下的响应。采用Pastor-Zienkiwicz Mark III广义塑性模型模拟了海床土的循环应力-应变行为。通过动三轴试验,确定了主要的模型参数,分析中只考虑了波浪对结构的作用,忽略行波对海床表面的作用。动力固结有限元分析的结果定性上与常规的拟静力极限平衡分析方法一致,有限元分析定量给出了体系的位移、应力、孔隙水压力分布和结构位移随波浪持续时间的累积过程,其研究结果初步展现了动力固结有限元方法在近海和海岸岩土工程领域的广阔应用前景。