无加筋、加筋砂土蠕变特征的有限元分析

根据分级加载条件下的蠕变试验,分析研究了无加筋砂土和土工格栅加筋砂土的蠕变特征,发现蠕变变形与分级加载时的应力水平、初始蠕变应变速率有很大关系,且蠕变后以恒定应变速率重新加载时呈现出刚度很大、近似弹性的行为。针对无加筋砂土和土工格栅加筋砂土提出一种弹黏塑性有限元计算方法。有限元计算过程中,砂土和土工格栅均采用统一的3要素弹黏塑性本构模型。该方法能够对含多个蠕变段的恒定应变速率加载全过程进行模拟。通过试验结果与有限元计算结果的比较,表明所提出的弹黏塑性有限元计算方法能较好地模拟无加筋砂土和土工格栅加筋砂土的蠕变特征,特别是蠕变后重新加载时的刚度很大、近似弹性的行为。     

引入非线性瞬时弹性模量的软土流变模型

软土是一种非线性流变物质,但现行流变模型却忽略了加载瞬时的非线性变形;软土流变试验参数是数学模型参数而非物理模型参数,一个土样一般只对应一种材料参数,但现行流变模型的模型参数常随着荷载变化,且变化无规律,离散性大。基于以有机质为流变相物质的人工土试样室内一维压缩蠕变试验,建立了各级荷载作用下具有相同模型参数的7组件流变模型,用非线性弹簧H描述软土加载瞬时弹塑性变形、并联的三元件组件模拟软土随时间变化的黏弹塑变形。结果表明：引入三次非线性瞬时弹性模量的7组件流变模型能够较准确地反映软土的流变特性。     

饱和层状砂土液化特性的动三轴试验研究

利用GDS动三轴试验系统采用等幅循环应变加载方式对含有不同厚度粉土的饱和层状砂土进行了液化强度试验。分析了均匀砂和含有不同粉粒层厚度的层状砂土在循环荷载作用下的变形和力学特性。试验分析表明：由于含粉粒夹层的层状土特殊的土体结构,其孔隙水压力发展规律与一般的无黏性砂土不同;饱和层状砂土的抗液化强度并不是随着粉粒层厚度的增加而单调增加的,而是存在一个临界点;液化临界剪应变的大小与液化判别标准和循环次数有很大关系。试验结果表明,粉粒夹层对层状砂土的液化特性有很大的影响,且更能模拟自然环境条件下的层状砂土地基液化特性。     

加筋材料动态松弛有限元模型的建立及应用

为分析加筋材料的抗弯刚度对加筋性能的影响,加筋材料采用梁单元形式。基于动态松弛法,通过定义梁单元的刚度矩阵,求解内力矢量,随后定义虚拟质量密度而建立总质量矩阵,将加筋材料的梁单元有限元模型嵌入到已有的动态松弛法求解程序中。通过对简支梁的简单加载模拟验证了该梁单元模型的准确性能。随后,将该有限元模型与已有的动态松弛法计算程序结合（含砂土本构及弱面单元模型）,对加筋砂土地基室内模型试验进行了数值模拟。将梁单元的模拟结果与杆单元（梁单元的特例）模拟结果进行了比较,并分别探讨了抗拉刚度和抗弯刚度对加筋砂土地基承载性能的影响。结果表明：抗拉刚度对承载能力的影响较小;抗弯刚度对承载力的影响程度与加筋材料的布置形式有关,特别是当加筋砂土中出现剪切带以后,其影响逐渐增大。因此,在分析加筋砂土结构的增强机制时,建议采用梁单元（具有一定的抗弯刚度）对加筋材料进行模拟。     

冻土中锥形桩-土大变形有限元数值分析

应用冻土的粘弹塑本构力学模型,采用温度场与冻土大变形耦合作用的方法,编制了能够模拟寒区冻土大变形的本构有限元程序;并通过用户子程序嵌入到大型商业有限元软件ADINA中,对冻土中锥形桩室内模型试验进行了变形场和温度场耦合的有限元数值模拟.有限元计算结果和模型试验结果非常接近,并且两者的规律性也相同,验证了耦合温度自由度的粘弹塑本构力学模型的正确性和可靠性,表明应用有限元分析方法可为寒区冻土中锥形桩基工程设计提供参考.     

高岭土一维增湿的湿陷-流变分析方法研究

塑性单元体与黏性单元体并联之后再与弹性单元体串联即构成三要素模型,其各单元体都具有非线性本构关系。通过考虑增湿过程中饱和度对三要素模型中的黏性单元体和塑性单元体的影响,建立了弹-塑-黏性与湿陷性耦合的湿陷流变本构模型。湿陷对塑性单元体的影响表现为应变不变条件下屈服应力的降低;而对黏性单元体的影响表现为速率敏感系数的升高。两种影响可以通过试验确定。以此模型为基础,分析了高岭土的单轴压缩固结试验中的湿陷-流变变形,提出了一种湿陷-流变分析方法。试验中,在干燥条件下观测了蠕变;在增湿过程中观测了湿陷。试验中对含水量的测量精度高。理论所得含水率-应变-时间关系与实测结果接近,并区分了增湿过程中的湿陷和干燥条件下的蠕变,证明了本方法的有效性。     

软土路基大应变黏弹塑性正/反分析沉降预测对比

结合软土变形的大位移、大应变、渗透固结及依时性特点,采用黏弹塑（西原）模型模拟土骨架,建立了分析软土地基的大应变黏弹塑性有限元列式和迭代求解算法,并采用动态“生”“死”单元模拟路堤的施工过程,建立了软土路基双重非线性渗透固结分析模型,研制了相应的大型实用化有限元分析程序LSVEP。分别采用反分析所得参数和室内试验确定参数对路基地表沉降和地基深层沉降进行预测,并将所得结果和现场实测结果进行对比分析,结果表明：所建立的大应变黏弹塑性有限元分析方法正确;计算参数的准确选择对沉降预测精度影响很大;用反分析所得参数进行沉降预测的精度远高于正分析预测,是提高沉降预测精度的有效途径,可供类似工程借鉴。     

地震荷载不规则性对砂土震陷的影响

利用有限元数值方法模拟不同类型砂土在多向地震荷载输入条件下的动单剪试验,采用弹塑性边界面模型,通过室内动单剪试验实测结果确定模型参数,计算分析地震动特性对砂土震陷的影响。研究结果表明：地震波加载次序、不对称性、加载方向、地震波类型、加载维数对砂土变形影响显著。当大的应力脉冲出现时,砂土竖向应变明显增大,其增量的大小受到大波出现的时刻和次序影响明显;在其他条件相同时,地震波不对称性越明显,砂土竖向应变越大;反向加载对砂土具有向下压应力作用,提高竖向应变值,正向加载效应则与此相反;现有的一些规范方法取20周作为转换后的等幅应力波的标准作用次数进行震陷定量计算,其对于振动型和冲击型地震波输入等效性结果差别较大;Tokimatsu 和Seed（1987）震陷分析方法按2倍单向水平地震动引起的砂土震陷简化确定多向地震动引起的砂土震陷,其结果尚待商榷     

有关砂土地基承载力数值解析问题的讨论

以砂土地基的极限承载力为对象,讨论了古典理论解与室内模型实验值之间的差异,并结合试验中所观察到的现象对其原因进行了简要的分析,最后,利用有限元解析对各种极限承载力的计算方法进行了客观地评价.砂土材料强度具有明显的各向异性以及软化特性,并与周围压力大小以及密度相关.另外,砂土地基的破坏呈渐进性,砂土的粒径大小影响它的承载力以及变形破坏.结果表明,只有考虑砂土以上的各种特性的数值解析方法才能合理地得到砂土地基的极限承载力.     

节理岩体弹塑黏性疲劳本构模型研究

在疲劳荷载作用下节理岩体具有明显的瞬时塑性应变,有必要研究考虑瞬时塑性的节理岩体疲劳本构模型。提出节理塑性疲劳元件和双触发非线性黏性疲劳组合元件,假定节理塑性应力与应变成幂函数关系,加速疲劳应变为二阶非线性黏性应变。通过并联圣维南体改进伯格斯疲劳模型模拟稳定疲劳。在此基础上,提出并验证了一种新的节理岩体弹塑黏性疲劳本构模型。研究表明:该模型能较好地模拟完整岩石、节理岩体试验疲劳应变。该模型可以较好模拟疲劳加载条件下节理岩体稳定疲劳曲线,也可以较好模拟节理岩体非稳定疲劳的瞬时弹性和瞬时塑性应变、减速疲劳阶段应变、等速疲劳阶段与加速疲劳阶段应变。该模型拟合结果表明:节理岩体的疲劳瞬时塑性应变在疲劳瞬时应变中占较大比例,不能忽略其对疲劳应变的影响。该研究结果对预测节理岩体工程的疲劳变形和疲劳稳定性具有参考价值。     

Computational simulation of time-dependent behavior of soil–structure interaction by using a novel creep model: Application to a geosynthetic-reinforced soil physical model

In this paper, a model geosynthetic-reinforced soil retaining walls (GRS-RW) is tested by vertically loading it through a rough footing on the top near the retaining wall and the results are simulated by a sophisticated nonlinear Finite Element Method (FEM) having a novel rate dependent constitutive model for both the backfill material and the geosynthetic reinforcement. Usually, polymer geosynthetic reinforcement is known to exhibit more-or-less rate-dependent stress–strain or load–strain behavior due to their viscous properties. The geomaterials (i.e., clay, sand, gravel and soft rock) also exhibit viscous properties. The viscous behavior of geometrials are quite different from that of the polymer based geosynthetic-reinforcements. It has been revealed recently that viscous behavior of sand is a kind of temporary effect, which vanishes with time. So the rate-dependent deformation of backfill reinforced with polymer geosynthetic reinforcement becomes highly complicated due to interactions between the elasto-viscoplastic properties of backfill and reinforcement. In the present study, a scaled model geosynthetic-reinforced soil retaining wall is tested with a vertically loaded rough rigid footing. The results of the model test are simulated by using an appropriate elasto-viscoplastic constitutive model of both sand and geogrid embedded in a nonlinear plane strain FEM.     

砂土应力-应变关系的加载速率效应分析

分析研究了两种砂土在排水平面应变压缩PSC试验和不排水三轴压缩TC试验条件下的加载速率效应,既实现了不同恒定应变率加载条件下的试验,也实现了不同的加载阶段采用不同的恒定应变率（即应变率分阶段变化）的试验。在加载速率为不同恒定应变率时,砂土的应力-应变响应是唯一的,与应变率无关。在加载速率分阶段变化时,依据应力-应变关系对应变率突变的响应程度,对砂土的加载速率效应进行了评价。分析结果表明,砂土应力-应变关系的加载速率效应表现为黏性消散特性,在应变率发生突变的瞬间,由于应变加速度的影响,应力-应变曲线也相应地突变并表现为刚度很大,近似弹性的特性,随着应变的进一步增加,这一近似弹性的行为逐渐消失。     

中主应力系数影响下的冻结砂土损伤本构模型

人工冻结法是饱水砂层开挖过程中常用的止水和临时支护方法,通过冻土损伤特性研究为冻土力学特性和冻结体稳定性分析奠定基础。为研究冻结砂土的损伤力学特性,在-5℃下进行了不同中主应力系数的冻结砂土三维室内试验。从冻土微元破坏服从Weibull随机分布的特点出发,将Drucker-Prager强度准则作为冻土微元统计分布变量,利用应变等价性假说,建立了三维应力状态下冻结砂土损伤本构模型;在此基础上,讨论模型参数F₀与m和中主应力系数的关系,对模型参数进行合理修正,建立中主应力系数影响下的冻结砂土损伤本构模型,并与试验结果进行对比。分析结果表明:参数F₀和m随着中主应力系数的增大呈现先减小后增大的趋势;参数F₀反映了冻结砂土的强度特性,参数m代表了冻结砂土的延性及脆性特征,考虑中主应力系数影响的冻结砂土损伤本构模型能很好地模拟冻结砂土应力-应变全过程曲线。研究成果为人工冻结法工程设计提供一定的理论依据。移动阅读      

基坑土体卸荷平面应变试验离散元数值分析

对基坑开挖影响范围内土体的应力路径进行平面应变试验离散元数值模拟,以研究结构性与卸荷形式对坑周土体宏微观力学特性的影响。首先,将一个描述土颗粒间胶结效应的简单三维胶结接触模型植入三维离散元软件PFC3D;其次,对初始K0固结状态的重塑土、结构性土试样分别进行常规三轴以及平面应变条件下4种不同卸荷应力路径的离散元模拟;最后,对经历不同卸荷形式的坑底土体单元进行再加荷模拟。模拟结果表明,在卸荷过程中,被动区土体峰值强度以及破坏时竖向应变随卸荷比增大而增大,且其强度小于主动区土体强度;在卸荷、再加荷过程中,被动区土体峰值强度随卸荷比增大而增大,但均小于不卸荷而直接加荷条件下的峰值强度;由于结构性的存在,土体由应变硬化向应变软化过渡,且强度增长;结构性与卸荷形式显著影响土体体积改变。在微观尺度,增大卸荷比或结构性均会增大垂直大主应力方向的平面上的法向接触力,进而提高其强度。     

冻结砂土体积变形影响因素的敏感性分析

为了分析三轴试验中冻土体积变形影响因素的敏感性,选定包括内因和外因在内的6种影响因素,选用青海省德令哈的砂土按照正交试验方案进行常规三轴试验,并采用灰色关联分析法对试验结果进行分析,给出各影响因素的敏感性排序。结果表明,在选定的6种影响因素中,含水率、加载速率及温度的敏感性超过70%,需重点考虑。在较小含水率条件下,冻结砂土先体缩再体胀,且应力峰值点和应变峰值点所对应的轴向应变基本一致,而在饱和条件下仅发生体积膨胀。加载速率对冻土的影响主要表现为对其力学特性和破坏形态的改变,随着加载速率的增加冻土的体缩量、切线模量和峰值强度增加,但峰值应变却表现为减小趋势,冻结砂土性质趋近脆性。土样温度降低,土颗粒间的黏结力增加,孔隙压力转变为有效应力,从而导致冻结砂土的强度增加、体积膨胀量增加。分析结果可为相关试验及工程优化设计提供一定的参考。     

适用于砂土循环加载分析的边界面塑性模型

基于临界状态土力学框架,建立了一个适用于砂土排水循环加载的边界面塑性模型。采用了考虑虚拟峰值应力比的偏应变硬化准则,初始加载阶段应力点位于边界面上,反向加载阶段以历史最大屈服面作为边界面,同时实现了对密砂软化现象的模拟和对历史所受最大应力的记忆。边界面采用修正的椭圆形,引入考虑密度与应力水平的状态相关剪胀函数,采用非相关联流动法则和以应力反向点作为映射中心的径向映射准则。模型仅有10个参数,通过常规三轴试验即可确定,并且使用一套参数可以模拟不同围压、密度的单调和循环加载情况。分别对饱和砂土的单调、循环排水三轴试验进行模拟,结果表明,该模型能够合理地反映饱和砂土排水条件下的应力-应变特性。     

土石坝变形计算中的应力路径问题

通过试验资料,说明了应力路径对砂土的应力-应变关系的影响;从实测资料及有限元法计算的结果,分析了土石坝中应力路径的特点;然后介绍了部分现有在土石坝变形计算中考虑应力路径影响的方法;最后,通过砂土的等应力比及变应力比路径试验资料的分析,揭示了二者之间具有良好的相关关系,推导了变应力比路径下非线性弹性模型参数的计算方法,提出了在土石坝变形计算中考虑应力路径影响的分析方法。     

A high strain‐rate constitutive model for sand and its application in finite‐element analysis of tunnels subjected to blast

The paper presents a constitutive model for simulating the high strain‐rate behavior of sands. Based on the concepts of critical‐state soil mechanics, the bounding surface plasticity theory and the overstress theory of viscoplasticity, the constitutive model simulates the high strain‐rate behavior of sands under uniaxial, triaxial and multi‐axial loading conditions. The model parameters are determined for Ottawa and Fontainebleau sands, and the performance of the model under extreme transient loading conditions is demonstrated through simulations of split Hopkinson pressure bar tests up to a strain rate of 2000/s. The constitutive model is implemented in a finite‐element analysis software Abaqus to analyze underground tunnels in sandy soil subjected to internal blast loads. Parametric studies are conducted to examine the effect of relative density and type of sand and of the depth of tunnel on the variation of stresses and deformations in the soil adjacent to the tunnels. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.