填土应力路径下珊瑚砂幂律应力-应变模型的适用性研究

岛礁工程建设常用珊瑚砂吹填地基或作为土工构筑物的填料。珊瑚砂在填筑期的应力路径具有静止土压力系数K0固结和等应力比路径的特点,为了准确预估填筑期的填土变形量,需要建立能够反映填土应力路径影响的变形计算模型。根据广义虎克定律,建立了幂律形式的非线性弹性模型来描述土体的应力-应变关系,提出了变形参数的表达式。对珊瑚砂开展了K0固结试验和等应力比路径下的排水三轴压缩试验,分析了珊瑚砂的应力-应变曲线和颗粒破碎状况,研究了幂律应力-应变模型的适用性,并将模型计算结果与试验曲线进行了对比。结果表明：填土路径下的应力-应变曲线具有幂函数曲线形式,可以用幂律非线性弹性模型来描述。模型的切线模量和切线泊松比均可以表示为轴向有效应力的函数,并通过与主应力比或系数K0相关的参数得到表达。等应力比路径下的切线泊松比和切线模量随着轴向有效应力的增加而增大。在相同的轴向有效应力条件下,主应力比越大,切线模量越大,切线泊松比越小。随着轴向有效应力的增加,K0固结珊瑚砂的静止土压力系数和切线泊松比减小,切线模量增大。在试验应力范围内,填土路径下珊瑚砂的颗粒破碎量都很小,对应力-应变特性的影响不大。幂律模型合理地预测...     

基于椭圆-抛物双屈服面模型的广义泊松比研究

适用性较好的土体模型除了能较好地模拟土体的应力-应变关系外,还应该能较好地反映土体的侧向变形,即合理计算广义泊松比。在椭圆-抛物双屈服面模型的基础上,建立了反映侧向变形特性的广义泊松比公式,并利用广义泊松比来研究砂-聚苯乙烯颗粒轻质填料的变形规律。文中研究了包括材料配比在内的主要参数对广义泊松比的影响,发现与剪胀有关的参数对广义泊松比的影响较大。基于砂-聚苯乙烯颗粒轻质填料的三轴固结排水剪切试验数据,给出了相关模型参数,结合该材料的剪切强度、变形特性与建立的广义泊松比公式,对该泊松比能否恰当反映土体的变形特性（剪缩、剪胀和侧向变形）进行验证,结果表明广义泊松比可以反映土体的变形特性,尤其是侧向应变及体积应变规律。     

交通荷载引发主应力轴旋转下软黏土变形与强度特性试验研究

交通、波浪、地震等循环荷载引发不同主应力方向变化模式,对软土地基长期沉降与稳定产生显著影响。为研究饱和软黏土在交通荷载下的长期动力特性,借助空心圆柱扭剪仪开展偏应力空间中主应力轴心形线旋转、圆形旋转与定向剪切等3类主应力方向变化路径的室内模拟,对比研究了不同试验条件下试样不排水塑性累积变形、孔压、临界动应力比与动强度特性的发展规律,研究表明：（1）不同主应力轴旋转路径下土体临界应力比由低到高依次为主应力轴圆形旋转、主应力轴心形旋转、拉压非等幅三轴路径。与前面临界应力比分布相对应,在轴向累积应变稳定型中,产生的塑性累积变形与极限孔压依次减小;（2）振次大于一定数值时,不同主应力方向变化路径下稳定型试样的轴向累积应变与时间的对数具有良好的线性关系,并依此建立了轴向塑性累积变形方程;（3）与轴向塑性累积变形相对应,动力荷载下土体孔压增长也存在3种发展规律,主应力轴连续旋转路径下临界型破坏的土体孔压-应变时程曲线呈三阶段两相态点模式;（4）在其他条件均相同时,土体在主应力轴圆形旋转路径下强度最小,在主应力轴心形旋转路径下的次之,在拉压非等幅动三轴路径下最高。     

主应力轴旋转对地铁荷载作用下 软黏土累积变形的影响

为了定量评价主应力轴旋转对地铁荷载作用下隧道下卧软黏土累积变形的影响,通过有限元方法并结合实测数据的验证对地铁荷载下地基土的应力路径进行分析;在此基础上,借助空心圆柱仪对这一复杂应力路径进行室内模拟和对比试验研究。结果表明：主应力轴旋转增大了软黏土的累积变形,且最大有效主应力比（有效最大主应力与有效最小主应力之比）越大、或加载频率越高增大更明显。在实际地铁荷载和通常隧道埋深条件下,考虑主应力轴旋转使软黏土的累积变形增加9%～23%（加载频率越高,增加越大）。可用常规循环三轴的累积变形试验结果乘以土体分别在有、无主应力轴旋转下变形的比值,来预估实际地铁荷载下软黏土的累积变形,初步研究得到该比值与土体的最大有效主应力比之间存在幂函数关系。     

单剪条件下主应力大小及主应力轴方向

对单剪条件下的应力莫尔圆变化过程进行详细分析,将莫尔圆从初始状态到破坏状态的大、小主应力变化过程看做由若干个等增量步组成,从而推导出任意剪应力状态与初始状态对应的小主应力差值与两者大主应力差值的比为一常数,该常数可以根据初始状态莫尔圆和破坏时对应的莫尔圆确定。推导出单剪条件下任意剪应力对应的大、小主应力及主应力轴方向的表达式。讨论了土体材料参数及法向应力对主应力轴偏转过程的影响以及大、小主应力与剪应力的关系。结果表明：在土体材料参数一定的条件下,主应力轴方向由应力比唯一确定;法向应力一定,土体的摩擦角越小,相同剪应力对应的主应力偏转角越大;剪切起始阶段,主应力变化缓慢,随着剪应力增大,主应力急剧变化至土样破坏时保持不变。     

基于颗粒流程序的真三轴应力状态下堆石体的变形和强度特性研究

采用三维颗粒流程序,模拟了堆石体的真三轴试验,不仅研究了堆石体在三维应力条件下的宏观应力变形特点,而且将细观与宏观参数联系起来,进一步完善了对堆石体的研究。试验过程采用等中主应力比路径加载。通过比较堆石体真三轴颗粒流模型试验和室内真三轴试验结果,表明颗粒流程序能较好地模拟堆石体的力学特性。颗粒流数值试验结果表明,中主应力对堆石体在三向应力状态下的强度和变形特性均有显著的影响。应力比参数b从0～1变化过程中,中主应力面先压缩后膨胀,小主应力面一直处于压缩状态;中主应力对内摩擦角、弹性模量和泊松比也均有影响。从细观上看,围压越高,b值越大,颗粒配位数越大,孔隙率越小,故从细观角度解释了堆石体的宏观应力变形现象。     

考虑主应力方向的土体非线性弹性模型

剪正应力比综合反映了摩擦材料的变形与破坏特性。通过分析主应力的大小与方向变化所引起的剪正应力比,结合剪正应力比-剪应变分量的双曲线关系,提出了一种能考虑主应力方向的土体非线性弹性本构模型。考虑到土体初始剪切模量、各向异性峰值强度与应力历史、加载方向密切相关,给出了模型参数的取值方法,进而得到了分量形式的应力-剪应变关系。分别采用应力路径三轴试验、纯主应力轴旋转试验以及主应力方向固定的剪切试验验证了模型的合理性。预测结果与试验结果对比表明,提出的非线性弹性模型能较好地描述复杂应力路径下土体变形特性。     

路堤荷载下地基的侧向变形计算分析

目前关于路基侧向变形研究,大都是基于现场测试或数值模拟,却鲜有理论上的计算与分析。为深入研究路堤荷载下地基的侧向变形,基于布辛奈斯克等弹性理论解及平面应变问题,推导出无限长线荷载、均布条形荷载、三角形分布条形荷载及梯形分布条形荷载下地基侧向变形解析表达式,并与有限元数值计算结果对比验证了解析解的正确性。在此基础上,重点分析了土体的泊松比、路堤宽度以及路堤边坡宽度等参数对地基侧向位移场的影响。计算结果表明,路堤荷载下地基同一垂直线上土体的侧向变形沿深度呈弓形状,变形最大值在地表下某深度处。泊松比对地基侧向位移有较显著的影响：在坡脚附近地表浅层处,随着泊松比的增加,土体侧向变形的方向由向路堤内逐渐转为向路堤外;另泊松比越大,土体的水平位移也相对越大,且最大位移发生位置逐渐上移。研究结果可为类似路堤工程地基变形分析及稳定性控制监测提供一定理论支撑。     

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。      

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。     

原状海洋土动泊松比的试验研究

利用空心圆柱扭剪（HCA）仪,针对原状海洋粉质黏土,通过循环三轴及循环扭剪试验,得出相应的杨氏模量、剪切模量和动泊松比,探讨了有效固结围压、固结应力比对动泊松比的影响。试验结果表明：土体的动泊松比随着广义剪应变的增大而增大;有效固结围压、固结应力比均对动泊松比有显著的影响,动泊松比随着有效固结围压、固结应力的增大而逐渐减少;且随着广义剪应变的增大,两者对动泊松比的影响减小,当广义剪应变增大到1.8×10-2左右,试验终止,此时土体动泊松比约为0.48。试验中未出现动泊松比大于0.5的现象,说明土体未出现剪胀现象,试验所采用的粉质黏土在循环荷载作用下具有较好的稳定性     

岩体负泊松比试验研究

高分子材料领域已经研制出一些具有负泊松比效应的材料,而岩石材料中负泊松比现象十分罕见.基于国内首条在建海底隧道--厦门东通道海底隧道工程而开展的岩体室内动力测试和静力测试工作中,均观察到了泊松比为负值的现象.利用品粒转动模型,对此特殊试验现象的成因给出了初步解释,并得到了岩体试样泊松比值的合理计算方法.     

非饱和土的新非线性模型及其应用

为描述非饱和土的应力-应变特性,基于非饱和土三轴剪切试验,提出泊松比变化率（即切线泊松比随轴向应变的变化速率）的概念,发现非饱和土的切线模量和泊松比变化率均随轴向应变的增加呈指数衰减规律,基于此提出了一种描述非饱和土应力-应变关系的新非线性模型。该模型不仅能描述应变硬化,而且能描述应变软化;能对非饱和土三轴不固结不排水剪、固结排水剪、固结不排水剪试验的应力-应变关系进行描述;模型共包含6个参数,物理意义明确,确定方法简便。利用提出的模型对国内外文献中的三轴试验进行了模拟,结果表明,模拟结果与试验数据有很好的吻合度,从而验证了模型对试验数据的合理性和适用性。     

Effects of skeleton void ratio on the strength and deformation characteristics of coarse-grained soilEI北大核心

粗粒土强度变形特性与初始级配和制样干密度密切相关。为研究不同级配和密度组合的粗粒料强度变形特性,提出了一种计算简便、易于推广的粗粒土骨架孔隙比计算方法。开展的室内试验结果表明,该计算方法所得的骨架孔隙比与粗粒土力学特性之间存在较为明显的单调性变化规律。当试样尺寸一致时,随着骨架孔隙比减小,破坏剪应力增大,破坏摩擦角增大,黏聚力减小;平均初始切线弹性模量增大,平均初始切线泊松比减小。整体而言,骨架孔隙比越小,粗粒土强度、刚度越大。基于该结论,笔者提出了一种等骨架孔隙比粗粒土缩尺方法。     

小主应力方向加载条件下的掺砾黏土真三轴试验

对土石坝心墙掺砾黏土开展模拟心墙单元小主应力方向加载的真三轴试验,首先对试样进行不同围压条件下等向固结,然后保持小主应力恒定,通过调整大主应力和中主应力,以模拟土石坝竣工后的初始三向应力状态。试验过程中保持大主应力和中主应力恒定,从小主应力方向单向加载,以模拟土石坝蓄水过程中心墙单元所经历的应力路径。试验结果与常规三轴试验以及复杂应力条件下大主应力方向真三轴加载试验结果都有显著不同。不同初始应力条件下,不同主应力方向的初始切线模量和初始切线泊松比的变化规律非常复杂,应力–应变显现出明显的各向异性。在心墙堆石坝施工过程及蓄水过程中,心墙单元所经历的应力路径明显不同,合理的土体本构模型应该对这种由于加荷路径不同所引起的不同方向模量和泊松比进行合理描述。     

主应力轴旋转下K0固结饱和粉质黏土孔压及变形特性试验研究

主应力旋转将加速孔压和塑性应变的累积,影响土体的力学特性。为研究主应力轴循环旋转对 固结饱和粉质黏土孔压和变形的影响,利用GDS-HCA试验系统开展了不同应力路径的 固结饱和粉质黏土不排水循环三轴试验和循环扭剪试验,研究了主应力轴循环旋转对 固结饱和粉质黏土累积塑性应变、孔压等动力特性的影响。结果表明：动剪应力幅值、心形应力路径所包围的面积、循环偏应力幅值等均随循环剪应力比和循环动应力比的增大而增大。试样未发生破坏时, 固结饱和粉质黏土的孔压比随着振动荷载作用次数的增加而增大;当试样发生破坏时,孔隙压力迅速消散,孔压比急剧下降。循环扭剪试验时试件产生的轴向累积塑性应变始终大于循环三轴试验产生的累积塑性应变,说明主应力轴循环旋转会加速试件轴向应变的累积。试件的累积塑性应变随循环剪应力比和循环动应力比的增大而增大。循环动应力比越大时,主应力轴旋转造成的轴向累积塑性应变差异越显著。在Monismith幂次函数模型的基础上,建立了主应力轴循环旋转条件时K0固结饱和粉质黏土累积塑性应变方程,并对模型的可靠性进行了分析和验证。     

主应力方向和偏应力比对TJ-1模拟月壤各向异性的影响

采用空心圆柱扭剪仪对干燥TJ-1模拟月壤试样进行了应力主轴固定的定向剪切试验及不同偏应力比时主应力方向的纯旋转试验。从应力-应变关系角度出发,研究主应力方向、偏应力比对其各向异性的影响,并探讨了上述因素对TJ-1模拟月壤非共轴性的影响。试验结果表明：主应力方向和偏应力比对TJ-1模拟月壤的各向异性均有显著影响;应力主轴旋转引起的非共轴现象比定向剪切时明显,且偏应力比较小时非共轴角随应力主轴旋转呈先减小后增加的趋势,偏应力比较大时非共轴角一直减小直至试样破坏时非共轴现象消失。上述成果可弥补干砂试样非共轴领域的研究空白,并可望为将来月球上基础设施的修建提供技术支持。     

劈裂注浆复合土体三维等效弹性模型理论研究

劈裂注浆可以有效改善土体的变形参数,大大降低土体在受力状态改变时的变形量,对劈裂注浆后复合土体的等效变形参数进行研究十分重要。在综合分析劈裂注浆扩散机制和工程应用实际的基础上,基于均质化理论提出了劈裂注浆后复合土体的三维单元体几何模型,按等效原则给出了浆-土体积及受力分配关系模型图;接着基于横向各向同性本构关系推导了模型的等效弹性模量和等效泊松比的解析解。然后采用有限元方法取得了模型特定条件下的等效弹性模量和等效泊松比,并与解析结果进行对比分析。最后把模型和相应的解析结果引入Flac3D岩土工程专业分析软件,结合一个热力隧道工程实例对隧道劈裂注浆后关键位置的沉降进行预测分析,并与实测值进行了对比。研究表明：对所提出的计算模型,解析计算与有限元方法计算结果吻合度较高,说明了解析结果的正确性;基于该模型及其解析结果得到的隧道开挖后的沉降预测值与实测值具有良好的一致性,说明所提出的模型和相应的解析计算方法具有一定的可靠性和实用性。     

桩-土间剪切应力的传递探讨

对不同情况下桩-土间剪切应力进行了初步的理论分析,并基于ADINA有限元程序,对不同情况下的桩-土间剪切应力进行了计算对比分析。结果表明,同种土体和桩体条件下,各种模式达到极限状态时桩-土间剪切应力不同,堆载作用下负摩擦力值最大,抗拔桩负摩阻力值最小,桩顶受压桩、托桩的摩阻力值介于其间;桩材泊松比在0.15～0.35范围内时,桩侧摩阻力随泊松比的增大而增大。所得结论有助于进一步认识桩-土相互作用规律以及桩-土荷载传递机制。