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。     

卸载应力路径下黄土强度的神经网络预测

各种施工活动,将对应力状态与应力路径产生影响;在分析基坑开挖及隧道掘进等卸载作用对应力状态与应力路径影响的基础上,进行了不同应力路径的室内非常规三轴卸载试验,根据卸载试验结果,建立了以轴向与侧向卸(加)载增量比例、应力路径变化方向、卸(加)载前轴向与侧向初始固结应力为输入层参数、以轴向与侧向破坏应力为输出层参数的神经网络预测模型,并对卸载应力路径下黄土强度进行了神经网络预测及误差分析,其结果表明,预测值与试验值较为接近.     

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。     

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。     

多孔隙岩石加卸载力学特性及本构模型研究

为了研究岩石在加载-卸载过程中的应力-应变关系,以砂岩为例,对其进行常规三轴加卸载试验。分析了峰后卸载阶段岩石的非线性特性,对岩石的损伤变量进行定义,给出了峰后卸载过程中用于描述应力-应变关系的弹性模量模型。通过分析加载-卸载过程中的轴向应变与径向应变的关系,得到了卸载过程中泊松比模型。引入D-P塑性模型,针对砂岩的塑性硬化特性,对硬化函数进行修正,建立了与等效塑性应变相关联的损伤模型。将计算模型矩阵化后进行数值计算。在此过程中得到如下结论:多孔隙岩石在加载过程中表现出明显的非线性特征,随着体应力的增大,岩石的弹性模量逐渐增大。岩石峰后卸载过程中,当轴向应力大于围压时,应力-应变可以利用峰前弹性阶段的弹性模量模型乘以连续性因子进行描述。随着等效塑性应变的增大,泊松比先增大后减小,最终趋于稳定。峰后卸载过程中,等效塑性应变不发生变化,此时泊松比保持不变。利用提出的本构模型进行了数值计算,数值计算结果与试验结果进行对比,结果表明,提出的模型能够反映出岩石在峰后卸载过程中的应力-应变规律。     

考虑土体硬化的基坑开挖性状及隆起稳定性分析

基坑开挖过程中,土体应力路径、卸载回弹再压缩特性与简单加载或卸载不同,采用常规的理想弹塑性模型模拟基坑开挖,得到的围护墙位移、坑内土体回弹以及坑外沉降较大。分析了基坑开挖不同区域土体的性状,采用土体硬化模型模拟基坑开挖的卸载与土体硬化行为,结合工程算例,对比土体硬化模型和理想弹塑性模拟以及实测的围护结构土压力、围护墙水平位移和坑外土体沉降,并利用强度折减法分析基坑的稳定性。计算结果表明,考虑土体硬化的HS模型有限元方法能体现土体卸载再加载与开挖的特性,所得土压力、围护结构水平位移以及基坑抗隆起稳定性符合软土地区基坑工程的实践。     

应力路径对饱和软黏土割线模量的影响

在基坑、隧道开挖等过程中,不同部位的土体会经历不同的应力路径,在不同的应力路径下,土体可能表现出截然不同的静力学特性。同时,在工程实际中,土体的工作应变经常处于小应变范围,而在小应变情况下,土体的静力特性表现出更强的非线性和应力路径依赖性。基于广泛分布于东部地区,并且表现出诸多不良工程特性的软黏土,进行一系列不排水和排水条件下的应力路径静力试验,以研究应力路径对饱和软黏土静力特性,尤其是小应变情况下割线模量的影响。试验结果表明,不管在不排水还是在排水条件下,应力路径都对饱和软黏土的静强度产生巨大的影响,表现为围压增加的加载应力路径增大了静强度,而围压减小的卸载应力路径降低了静强度。同时,应力路径对割线弹性模量产生了更大的影响,围压增加的加载应力路径降低了割线模量,而围压减小的卸载应力路径增大了割线模量。应力路径对割线模量的影响在小应变时表现的更加明显,而这种影响主要原因是应力路径方向改变造成的土体各向异性。     

考虑初始应力的坑侧土体真三轴试验研究

针对基坑开挖过程中坑侧土体的应力路径,采用真三轴仪进行考虑初始应力状态下侧向卸荷试验,并与常规三轴试验以及轴向加荷真三轴试验结果进行对比分析,结果表明： 曲线类似于常规三轴剪切试验的 曲线,呈双曲线关系;由于中主应力的影响,土体的初始强度得到提高,真三轴加荷试验初始切线斜率总是大于常规三轴试验的初始斜率;在侧向卸荷的条件下,土体可以在相对小的应变下发生破坏,加荷路径下破坏,土体应力强度要大于卸荷路径。     

基于硬化土模型的小应变本构模型研究

大量的工程现场监测结果表明,城市中强支护隧道施工过程中其周围大部分土体仍处于小应变状态,小应变情况下土体具有显著的高模量和非线性特性。土体小应变刚度特征和应力路径相关性是准确分析土与隧道相互作用的重要因素。虽然采用双刚度的硬化土模型(hardening soil model)能够基本反映应力路径的影响,但其卸载再加载模量并没有与应力-应变水平相关,不能模拟小应变情况下土体模量的高度非线性。为此,结合小应变刚度理论对硬化土模型的卸载再加载模量进行了改进,使之与应力-应变水平相关,并且考虑了土体卸载抗剪强度指标的变化以及侧向卸荷应力路径下不同的模量。通过与土体的应力路径试验结果进行对比,证明了模型的合理性。     

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。     

考虑卸荷速率的K0固结膨胀土应力-应变行为

通过GDS三轴试验系统对K0固结原状南阳膨胀土原状样进行了不同卸荷速率和卸荷路径下的不排水三轴剪切试验,在试验资料的基础上,建立了K0固结膨胀土的初始切线模量Ei和极限偏应力qult与固结应力及卸荷速率的关系式。发现,K0固结膨胀土在卸荷剪切过程中的应力-应变关系曲线呈典型双曲线特征;膨胀土的不排水剪切强度随轴向固结应力及卸荷速率的增加而单调增加;Ei及qult随固结应力及卸荷速率的变化规律与强度基本类似,但Ei随固结应力的增加呈指数增加,而qult则表现为线性增加。通过改进邓肯-张双曲线表达式,建立了K0固结膨胀土下不同卸荷速率时应力-应变关系的预测公式,并进行了模型验证。     

The effects of unloading on drained cyclic behaviour of Sydney sand

New excavation or tunnelling affects the stress state of soils in ground. The change of stress state due to excavation may affect the cyclic behaviour of soils. Cyclic loading, such as traffic and earthquake loading, induced ground deformation may be greater than expected if such effect is not considered. A series of cyclic triaxial tests were performed on Sydney sand with different relative densities. The effect of unloading sequence on deformation of the sand under cyclic loading was simulated by reducing lateral stress in steps between loading cycles. The dependence of strain accumulation on the magnitude of confining pressure reduction and on unloading stress paths was studied. The results indicate that the sand has a memory of stress history and the stress history of such unloading enlarges the strain accumulation during the subsequent cycles, and the greater the reduction of lateral stress, the greater the accumulated strain. Under cyclic loading, the accumulated axial strain could increase nonlinearly or linearly with the ratio of unloading magnitude to initial mean effective stress, depending on the stress state before cyclic loading. The unloading stress paths have limited effects on the final accumulated strain if the initial and final stress states are the same. The variation of strain accumulation direction attributes to the change of average stress ratio resulting from lateral stress reduction, but hardly depends on relative density and unloading stress paths. The strain accumulation direction after unloading roughly agrees with the modified Cam Clay flow rule.

     

脆性岩石侧向变形特征及损伤机理研究

进行了三峡花岗岩常规三轴压缩、保持轴向应变和保持轴向应力的卸围压试验,研究了脆性岩石在不同应力路径和不同加载控制方式下的侧向变形特征,可见临界侧向应变均稳定在（?0.004 ? 0.000 5）范围内。进一步进行三峡花岗岩的全过程应力-应变曲线和损伤力学分析,发现脆性岩石在不同应力路径和不同加载控制方式下均以侧向损伤为主,且侧向损伤曲线的形态近似,达到临界破坏状态时损伤值稳定在0.7?0.8左右。最后以侧向损伤变量表征花岗岩脆性破坏过程,建立了基于应变空间的、可以考虑卸荷应力路径的损伤模型和应变型破坏准则。     

锦屏二级水电站大理岩复杂加卸载应力路径力学特性研究

地下洞室开挖围岩经历典型径向卸载、环向加载应力路径,由此引起的岩体强度、变形特征和破坏机制也不尽相同。针对锦屏二级水电站高地应力赋存环境,对施工排水洞大理岩开展常规单轴全应变、三轴压缩、卸围压、卸围压-加载轴压等4种不同应力路径力学试验,得到应力-应变全过程曲线、变形破坏特征和极限储能变化规律。试验研究结果表明, （1）锦屏二级水电站大理岩破坏时轴向应变一般较小,为硬脆性材料,卸荷应力路径下该脆性特征更为明显;（2）卸围压同时加载轴压试验峰值强度对应轴向应变、环向应变及体积应变值一般高于单纯的卸围压值,而对应峰值强度则一般低于卸围压值;（3）卸荷速率较大时,变形模量越大,大理岩峰值强度越低。加载速率越大,变形模量越小,峰值强度越高。初始围压越高,变形模量值越低,峰值强度越高;（4）无侧限作用时试件主要为张拉破坏,低侧限作用时为剪切破坏为主,局部存在张拉破坏,较高侧限时,剪切面为典型X或Y型;（5）岩石试件具有极限储能值,该值受多种因素的影响。一般情况下试件破坏对应围压越高,极限储能值越高,卸载速率越大,极限储能值越小。研究结果对于岩爆孕育发生机制解释以及工程实际问题的解决均有参考价值。     

循环与单调加载作用下冻结黄土的变形与损伤特性

针对冻土工程中地基冻土体受力形式复杂、常处于变应力路径、反复加卸载作用问题, 开展了冻结黄土静力条件下的三轴加卸载试验与单调加载对比试验, 研究了两种应力路径下冻结黄土的变形和损伤特性. 通过对比发现, 加载方式对冻结黄土变形特性随围压的变化规律影响不大. 循环加卸载作用下, 冻结黄土的压密变硬增强了其抵抗变形的能力. 卸载阶段, 冻结黄土表现出卸载体胀的弹性现象, 呈现出与融土不同的体变特征. 基于弹性模量的劣化定义了冻结黄土的损伤变量, 并根据试验结果得出了冻结黄土的损伤演化规律可用双曲线函数来描述. 在较低的围压下, 围压增加对冻土损伤的发展有抑制作用; 而当围压足够大时, 由于冰的压碎和压融的出现, 围压增大加剧了损伤的发展.     

循环加、卸载下盐岩变形特性试验研究

在MTS815 Flex test GT岩石力学试验机上对盐岩进行了单轴循环加、卸载试验研究盐岩的变形特性,试验表明,循环加、卸载强化了变形的线性特征,各级卸载、再加载曲线主要是由直线段组成。随着荷载级别的增高,直线段的变形模量总体上呈现微弱上升的趋势,各级卸载、再加载曲线变形模量的变异系数分别为8.05%和7.45%,可以用各级加、卸载曲线直线段变形模量的平均值来分别表征加、卸载的变形特征。每级卸载曲线的变形模量都要大于再加载曲线的变形模量,卸载的泊松比都要小于再加载的泊松比。与单轴试验相比,卸载和再加载的变形模量都要大于单轴应力应变全过程试验。根据以上分析,得出了简单应力状态下加、卸载本构关系。对各级塑性滞回能进行了计算,发现塑性滞回能随着级别的增高而增高,并对其进行了拟合。分析表明,卸载、再加载变形参数比单轴应力应变全过程试验参数更具有规律性,更能表征盐岩地下工程中的变形特性。