冲击荷载下土体位移特征研究

建立了冲击荷载作用下土体动力压密有限元方程及其数值计算方法。用Ansys-Ls-dyna软件包对山西化肥厂地基冲击荷载作用后土体的动力响应进行了分析,得出了冲击荷载作用下分层土体中的位移分布特征及其它们的变化过程,计算结果与实测结果吻合较好。研究结果表明：冲击荷载作用下土体位移的影响范围为一椭球体。侧向加固半径距荷载作用中心接近2D(D为夯锤直径),荷载作用中心下加固深度能达到2D甚至更大。     

基于切向应变软化的深埋圆形隧道围岩弹塑性分析

为了研究深埋圆形隧道围岩的应变软化行为,首先通过引入应变软化度,即软化区与残余区交界面处的切向应变和弹塑性交界面处的切向应变的比值,来表征应变软化程度。其次,推导了求解软化区与残余区位移方程,并将该方法求得的位移曲线与Lee法和Cui法对比,验证了方法的正确性。最后,通过算例分析,研究不同力学模型对塑性区半径的影响,以及应变软化度对塑性区中软化区与残余区比例和位移的影响。结果表明：弹塑性交界面处的围压与软化度和支护力均无关,塑性区半径与支护力有关;软化度直接影响软化区与残余区的比例,随着软化度的增加,软化区范围增加,相应的残余区范围减小;软化区与残余区交界面的位移随着软化度的增加而逐渐增加,应变软化度的增加,支护力对其影响增加;洞壁处的位移受支护力的影响较大,随支护力的增加而减小。     

三轴冲击荷载作用下淤泥力学响应研究

利用SPAX-2000（改进型）静动真三轴系统,针对淤泥类超软土进行静动力排水固结试验,研究包括较高频率在内的各冲击荷载频率（1、8、16 Hz）与不同围压（200、250、300 kPa）作用下淤泥的力学响应;此外,结合三轴剪切试验研究不同固结条件对淤泥不排水强度的影响。试验结果表明：（1）在相同冲击频率作用下,试样抗剪强度随着围压增大而提高;围压增大,使得球应力增大,体应变随着增大,有效地促进试样排水固结。（2）相同围压作用下,存在着一个冲击荷载频率阈值,当冲击频率低于这一阈值时,随着冲击荷载频率的提高,轴向应变量逐渐变小,反之逐渐变大。（3）冲击瞬间,体应变为负值,表现为体胀,这与原位试验夯击瞬间的孔隙水压力变化曲线一致,从而验证了高含水率淤泥在冲击作用下的孔压负增长现象。     

高速冲击载荷作用深埋巷道变形非线性数值模拟

深埋巷道冲击破坏问题一直是研究的难点,为更好的研究深部岩体动力破坏规律,揭示深埋巷道冲击破坏机制,采用非线性动力分析方法,利用FLAC3D计算软件再现深埋巷道冲击破坏过程,对高速冲击载荷作用下煤岩巷道变形规律进行非线性分析。计算结果表明,在高速冲击载荷作用下巷道顶底板和两帮围岩处有应力集中,均出现较大变形,且向巷道内部方向呈现出近似V型分布;各监测点作用力和位移结果也说明在巷道顶、底板和两帮围岩处均发生明显的冲击,且加载初期冲击较弱,在t=0.5s时冲击作用明显增强,计算结果可为深埋巷道加固措施提供有利参考。     

冲击荷载作用下岩石破坏机理预测

将岩石看作由彼此之间有内摩擦的颗粒团组成。利用力学模型分析了在冲击荷载作用下岩石破坏过程,阐述了岩石破坏后的力学行为。认为冲击荷载区域的变形近似为一维变形状态。冲击荷载作用在岩石中产生的应力波可以看作类似于冲击波的短波,在波阵面附近的某个狭窄区域内将发生参数的急剧变化。根据岩石介质中粒子运动速度的强弱应力状态发生由弹性状态向内摩擦状态的转变,最终达到流体力学状态。     

饱和软粘土在冲击荷载下的动力特性研究

通过对淤泥质饱和软粘土施加冲击荷载进行室内动力固结试验,研究了软粘土在冲击荷载作用下的应力、孔隙水压力、轴向变形等动态响应特征,并通过三轴剪切试验结果,分析冲击荷载对淤泥质饱和软粘土的加固效应。试验结论对于动力固结理论的完善和现场施工具有指导意义。     

考虑应变软化的巷道交叉段稳定性分析

在两巷道的交叉段两支承压力区和顶板卸载区会发生相互叠加,因此,相对于巷道其他部位来说交叉段的围岩扰动范围会扩大,且导致变形加剧和原有支撑应力增加等不利于巷道稳定的情形出现。为分析地下采场巷道交叉段的稳定性,利用有限元数值模拟软件并考虑岩土体的应变软化特性,对5种具有代表性的交叉情形进行了数值模拟研究。研究结果表明：由于巷道交叉使得交叉几何中心附近的围岩变形进一步增加,不同的交叉角度对巷道交叉段的变形存在不同程度的影响,交叉角度越小,主巷（巷道1）锐角侧的变形越大,而且由于交叉角度的不同也使得交叉段主巷的顶板最大沉降区向锐角侧呈不同程度的偏移,交叉角度越小,偏移越为明显。从结果可以得出巷道2的变形同样也受到交叉角度的影响,从距离交叉中心4远的地方开始,交叉角度越小,巷道2的变形越大。研究成果可以为类似条件下的巷道设计和支护提供借鉴与参考。     

水岩作用下泥质板岩软化非线性机制研究

水岩作用下泥质板岩表现出明显的软化特征。通过单轴压缩试验分析了泥质板岩软化过程中单轴压缩强度、弹性模量和泊松比与吸水时间之间的关系;借助核磁共振试验研究了水岩作用下泥质板岩软化过程中孔隙的产生、扩展和贯通规律,分析了泥质板岩软化过程中孔隙度与吸水时间之间的关系;采用电镜扫描试验分析了水岩作用下泥质板岩软化过程中微观结构的演变规律,基于分形理论研究了不同浸泡时间下泥质板岩分形维数的变化规律;运用非线性动力学理论,选取微观结构孔隙形状分维值、孔隙度、单轴抗压强度、弹性模量作为描述泥质板岩与水溶液相互作用系统的变量,建立了水岩作用下泥质板岩的软化模型,结合试验数据验证了模型的适用性。结果表明:泥质板岩单轴抗压强度、弹性模量随吸水时间增大而减小,呈负线性相关,而泊松比与吸水时间之间的关系不明显;在浸泡初期,水岩作用强烈,泥质板岩内部微孔隙会发生扩展贯通进而形成更大尺寸的孔隙,孔隙度在浸泡初期增长较快;随着浸泡时间的延长,水岩作用减弱,孔隙度增长速率趋缓;随着吸水时间的推移,泥质板岩内部孔隙相互连通,进而形成复杂网状结构的大孔,泥质板岩分形维数呈对数增长,最终趋于稳定;采用非线性模型计算的结果与...     

淤泥质软土在冲击荷载作用下孔压增长模式

通过室内淤泥质饱和软粘土的动力固结试验,考虑不同锤重和落距组合情况,对冲击荷载作用下饱和软粘土孔隙水压力的动态响应特征进行分析。试验结果表明,孔隙水压力和冲击击数之间是双曲线对应关系,高围压下冲击荷载激发的孔压随击数增长的速率快,超固结软土在冲击过程中孔压出现了负值。冲击荷载对土体产生的附加应力能导致孔压上升,孔压消散使得土体内有效应力增加,强度提高。对强夯施工中以孔压控制施工质量具有指导性意义。     

动荷载作用下岩石非线性弹性响应研究

岩石是一种典型的颗粒孔隙介质。在冲击荷载下,即便是在作用荷载比较低的阶段,由于岩石内部自然缺陷的存在,应力波随着传播距离延伸,其幅值有较大的衰减。文中对饱油和饱水的砂岩、大理岩进行SHPB冲击试验,研究结果表明:对于同种岩石试样,饱油岩样的衰减系数比饱水样品的小;对于不同的岩样,孔隙率大的岩样相应的衰减系数大。应力波在饱和介质中的衰减与介质中液体的粘滞系数有关。同时,材料中的孔隙和液体的存在对应力波的弥散特征也有一定的影响。然后基于Preisach-Mayergoyz(P-M)空间模型对冲击荷载比较低的阶段,岩石内部应力波的衰减和弥散问题进行了较详细的分析,得到了一些初步结论。本研究对于石油开采、物探以及岩土工程有一定的意义。     

交通荷载作用下软基加筋道路变形机制研究

为研究交通荷载作用下考虑软土软化效应的软土地基加筋道路动力响应问题,以室内动三轴试验为基础,通过回归分析得到了软土在循环荷载作用下动模量衰减的经验公式,编制了用户子程序。将该公式导入有限元分析软件中,采用有限元对软基加筋与不加筋道路在交通荷载作用下的动力响应进行了对比分析,研究了软基加筋道路的作用机制。结果表明,软土的软化特性对软基加筋和不加筋道路的动力响应有明显影响;加筋的效果随着荷载作用次数的增大而逐渐变大;加筋可以约束土体的水平变形,减小道路的整体沉降和不均匀沉降以及减小交通荷载影响软土地基的深度。     

循环荷载作用下土工格栅拉伸试验研究

为了了解土工格栅在动力荷载作用下的软化特性,采用应力控制的循环拉伸试验对土工格栅进行研究。试验中研究了在不同循环拉力、预拉力、加载频率下土工格栅的力学性能,着重研究了各个因素对土工格栅动应变及循环软化特性的影响。试验结果表明,随着循环次数、循环拉力、预拉力的增加,动应变增大;随着加载频率的增大,在相同循环次数下,动应变减小。随着循环次数、循环拉力、预拉力的增加,软化指数减小;随着加载频率的增大,相同循环软化指数逐渐减少。     

Strain softening of K0-consolidated Changi sand under plane-strain conditions

Experimental results are presented in this paper to study the strain softening behaviour of a marine dredged sand under plane-strain conditions. K₀ consolidated drained and undrained tests were conducted using a new plane-strain apparatus to characterize the strain softening behaviour of the sand under plane-strain conditions. For medium dense specimens, strain softening and shear bands were observed to occur under both drained and undrained conditions. For very loose specimens, no shear bands were observed and critical states were reached within the homogeneous deformation region in both drained and undrained tests. Strain softening was observed to occur at small strain for very loose specimens under undrained conditions. Two types of strain softening, the homogenous softening and banding softening, were identified and the conditions for strain softening were established. The results obtained from this study were compared with the studies by Han and Vardoulakis (Géotechnique 41(1):49–78, 1991), Finno et al. (J Geotech Eng ASCE 122(6):462–473, 1996, Géotechnique 47(1):149–165, 1997) and Mokni and Desrues (Mech Cohes-Frict Mat 4:419–441, 1998).     

冲击荷载下饱和软土动态响应特征的试验研究

基于现场动力排水固结法加固饱和软土地基工程实践和室内动力固结试验,结合土体压力分析了饱和软粘土在冲击荷载作用下的变形与孔压的发展变化规律。研究表明：冲击荷载引起土体变形和激发的孔压具有不同发展模式,土体变形与冲击击数是对数双曲线关系,而孔压与冲击击数之间仅是双曲线关系。     

冲击载荷作用下岩石动态断裂试验研究

以自行研制的可调速落锤冲击试验机进行加载,通过高速相机搭建数据采集系统,采用数字散斑相关方法作为试验的观测方法,开展5组不同预制裂纹长度的花岗岩试件在冲击载荷作用下的动态断裂试验。并对岩石I型裂纹在冲击载荷作用下的位移场演化、裂纹动态断裂的裂尖张开位移、裂纹尖端的扩展历史、动态断裂的应力强度因子进行了定量研究。试验结果表明：对于单一试件而言,在落锤开始与岩石试件的边界接触到试件的预制裂纹开始扩展整个过程中,裂纹尖端的应力强度因子KI呈递增趋势,KII与KI相比,相差1～2个数量级。对于不同预制裂纹试件,在落锤冲击加载作用下,总体表现为一定的预制裂纹长度范围内,随着预制裂纹的长度增加,裂纹尖端应力强度因子呈增加的趋势。     

Weak discontinuity in porous media: an enriched EFG method for fully coupled layered porous media

In this paper, a series of multimaterial benchmark problems in saturated and partially saturated two‐phase and three‐phase deforming porous media are addressed. To solve the process of fluid flow in partially saturated porous media, a fully coupled three‐phase formulation is developed on the basis of available experimental relations for updating saturation and permeabilities during the analysis. The well‐known element free Galerkin mesh‐free method is adopted. The partition of unity property of MLS shape functions allows for the field variables to be extrinsically enriched by appropriate functions that introduce existing discontinuities in the solution field. Enrichment of the main unknowns including solid displacement, water phase pressure, and gas phase pressure are accounted for, and a suitable enrichment strategy for different discontinuity types are discussed. In the case of weak discontinuity, the enrichment technique previously used by Krongauz and Belytschko [Int. J. Numer. Meth. Engng., 1998; 41:1215–1233] is selected. As these functions possess discontinuity in their first derivatives, they can be used for modeling material interfaces, generating only minor oscillations in derivative fields (strain and pressure gradients for multiphase porous media), as opposed to unenriched and constrained mesh‐free methods. Different problems of multimaterial poro‐elasticity including fully saturated, partially saturated one, and two‐phase flows under the assumption of fully coupled extended formulation of Biot are examined. As a further development, problems involved with both material interface and impermeable discontinuities, where no fluid exchange is permitted across the discontinuity, are considered and numerically discussed. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

Strain‐softening analysis of a spherical cavity

This paper studies the excavation of a spherical cavity subjected to hydrostatic initial stresses in the infinite homogeneous and isotropic rock mass with strain‐softening Mohr–Coulomb (M‐C) and Hoek–Brown (H‐B) behaviors. Numerical solutions of the spherical cavity are obtained and the application to determining stress–strain curve of strain‐softening M‐C and H‐B rock mass is studied. A closed‐form solution for the elastic–brittle–plastic medium is introduced first, and then a numerical procedure that simplifies the strain‐softening process into a series of brittle–plastic ones is presented. The approach is validated against the facts that the strain‐softening process evolves into a brittle–plastic one when the softening slope is very steep, whereas it evolves into an elasto‐plastic one when the softening slope approaches zero. Numerical solutions for the prediction of displacements and stresses around the spherical cavity in the strain‐softening M‐C and H‐B rock mass are presented. On the basis of the analysis of the spherical cavity in strain‐softening rock mass, the stress–strain relationship at an infinitesimal cube around the cavity is obtained and discussed with different evolution laws for the strength parameters considered. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

应变软化土坡渐进破坏的可靠度分析

在考虑土性参数的不确定性和土体应变软化特性的基础上,以可靠度方法建立了边坡渐进破坏的极限状态方程。通过计算边坡局部破坏概率,确定边坡中最危险的土条,并推导出破坏起始于该土条,逐渐向两侧扩展的渐进破坏概率计算公式。该方法能很好地反映边坡局部破坏的产生、扩展及对边坡整体稳定性的影响,找到最贴近实际情况的破坏传播路径,为边坡稳定分析提供了理论依据。通过算例分析可知,滑动面上各个土条的局部破坏概率均不相等,破坏起始于中部第8土条,破坏先向上传递,后向下传递至坡脚,并非从坡脚向坡顶传递的牵引式破坏,或从坡顶向坡脚传递的推移式破坏。     

冲击荷载作用下海积软土的动力释水规律研究

通过真三轴试验,研究冲击荷载作用下海积软土的孔隙水压力、轴向变形等动力响应特征。利用热失重法和理论计算法,分析试验前后软土中结合水含量。研究表明,冲击荷载作用前后含水率变幅为15.6%～23.5%,结合水含量变幅为17.6%～29.4%,体积增大系数为2.1%～9.5%,冲击荷载作用下饱和软土的排水固结作用明显;试验前后软土中结合水含量变化较大,冲击荷载作用下软土的动力释水不同于静力作用下的释水规律;影响软土动力释水的主要因素有初始含水率、结合水含量、孔隙比、土的状态、动荷载大小和加载方式等。最后,总结出冲击荷载作用下海积软土动力释水规律和对工程设计的启示,该研究可为动力排水固结法的设计提供参考。     

竖向荷载下桩基础弹性分析的改进计算方法

将Randolph剪切位移方法中桩身位移与桩端位移的函数关系简化为一多项式,并与Poulos积分方程中土体柔度系数矩阵相结合,提出了一种竖向受荷单桩弹性分析的改进计算方法,从而避免了Poulos积分方程法中的差分运算以及由此带来的其他矩阵运算,同时比Randolph方法更能准确模拟桩身剪切应力的分布,并将单桩的改进计算方法应用于群桩分析。将改进的计算方法与Poulos、Randolph方法以及Chow混合方法的单桩和群桩计算结果进行了比较,结果表明：改进计算方法是可行的,可满足精度要求。