基于广义有效应力原理的水土压力统一计算理论

为弥补水土压力合算与分算之间的跳跃,需要建立水土压力统一计算理论。以理想饱和砂土模型为分析对象,在"非充分浮力"和"充分浮力"概念的基础上,从一个全新的角度阐述了有效应力原理公式的物理本质及推导过程;在此基础上,通过引入折减系数,将适用于饱和砂土的狭义有效应力原理扩展到适用于饱和岩石等孔隙发育不充分介质的广义有效应力原理;在广义有效应力的基础上,以水土分算为基础,推导出了水土压力合算与分算的统一计算公式;为解决统一计算公式中的抗剪强度指标选取问题,依据有效应力强度指标和总应力强度指标,推导了统一抗剪强度指标公式。水土压力统一计算公式理论依据充分、推导过程严谨,实现了水土压力计算结果从砂土到黏性土的过渡,具有很强的理论意义和工程应用价值,可为完善土力学基础理论体系提供参考借鉴。     

关于水土压力计算及抗剪强度指标选用的探讨

抗剪强度指标是岩土计算中的重要参数,不同试验条件下的抗剪强度指标如何在工程实践中应用关乎工程的安全稳定与否,这一问题一直是工程界争论的热点.从基本概念入手,对一些似是而非的概念进行了梳理,提出了水土合算无实际工程意义,有效自重压力不能等同于有效应力的论断,概括了工程实践中如何选用抗剪强度指标的基本思路,期望能对正确理解土力学原理及工程实践有借鉴指导意义.     

支挡结构上的水土压力特性试验研究

针对当前水土压力计算中很少考虑土自身性质对其影响的研究现状,以自制试验槽为研究工具,通过使用3种不同渗透性土样进行的支挡结构上水土压力测试研究,对比了水土压力实测值和由水土压力分算、水土压力合算得到的理论计算值,分析了孔隙水压力和土压力的变化规律。由试验结果可以得到,由水土压力合算得到结果偏小,但在一定条件下尚可以接受,在发生主动位移情况下墙后土体会产生负超孔压,渗透系数影响着负超孔压的消散和孔隙水压力的传递程度,并进一步影响支挡结构上水土压力的分布情况。由试验结果推知,当土体渗透系数小到一定程度时,水土压力合算的方法是合理的。     

饱和黏土水土压力合算的计算公式

由于水、土压力合算法存在一定的争议,首先对国内现行水、土压力合算公式在完全不排水条件和稳定渗流情况下计算正常固结黏土水、土压力的误差进行了定量的分析,发现计算结果在大多数情况下偏危险,误差可超过40%;然后根据等效原则,推导出了饱和正常固结黏土和超固结黏土的水、土合算公式,得到的公式与文献[2]建议的公式一致,同时证明了该公式与国外采用固结不排水抗剪强度的水、土压力合算公式也一致;对于正常固结和轻微超固结饱和黏土,由等效原则得到的水、土压力合算公式高估存在渗流时主动极限平衡状态水、土压力的合力,而对于重度超固结饱和黏土,水、土压力合算可能低估存在渗流时主动极限平衡状态水土压力的合力,最危险的状态是负超静孔压完全消散时。水、土压力合算公式是采用总应力指标计算在假定完全不排水条件下饱和黏土进入主动或被动极限平衡状态时的水、土总压力,公式并不能考虑渗流对水、土压力的影响,而渗流对水、土压力的影响显著,在实际工程中应加以考虑。     

水土合算法土压力计算时的强度指标

提出了水土合算时接近其实际固结状态和应力路径的强度指标公式,据此分析了常规三轴压缩指标应用时可能引起的误差.     

某围护结构上土压力实例分析

对某公路大桥超深锚锭基础围护结构上实测的土压力、孔隙水压力分布及其位移变化规律进行了详细分析。围护结构上土压力的实测值远小于计算的主动土压力值,且随开挖加深而不断减少,变化规律也随土层分布的差异而有所不同,围护结构上的侧向位移随开挖加深不断减少,孔隙水压力的变化受坑外水位影响较大。     

由异常孔隙压力造天然水力裂隙的新观点

阐述了高孔隙压力单独作用能产生天然水力裂隙，并使之保持一段很长时间张启的机理。这样的裂隙可以出现在张性、中性或压性构造背景下。瞳管裂隙的方向由区域应力场控制，但在水平应力差不足以引起区域性拉张时，裂隙仍可以产生并保持张启。更确切地说，这些裂隙是寄主岩石的固化组的收缩的结果。     

基于统一硬化模型的孔隙水压力系数

影响孔隙水压力的因素主要包括总平均应力、广义剪应力和应力洛德角。在总结了前人对孔隙水压力系数的研基础上,推导了基于统一硬化模型的孔隙水压力系数,采用变换应力的方法可以使该模型实现三维化,因此,新的孔隙水压力系数能反映上述3因素的变化对孔隙水压力的影响。     

沉降统一计算模式及其可视化实现

利用VC++6.0编译平台,通过编制可视化应用程序,对浅基础与桩基础的沉降统一计算模式进行了探讨.这一模式对计算荷载的确定、附加应力的计算及孔隙比的确定进行了统一,从而,不需要分别编制应用程序来计算浅基础与桩基础沉降,提高了编制应用程序的效率,数据输入、输出及沉降计算过程均通过可视化界面进行操作,计算过程简单方便,计算结果重复性好,具有很好的实际应用价值.     

基于双剪统一空间轴对称特征线场理论的竖井井壁压力计算方法

基于双剪统一强度准则提出了有重材料的双剪统一空间轴对称特征线场理论,并用该特征线场理论研究了岩土工程中竖井井壁压力的计算问题,得出了新的井壁压力计算表达式。算例结果表明,由双剪统一空间轴对称特征线场理论导出的竖井井壁压力随井深的变化是非线性的,强度统一强度准则中的参数b对井壁压力计算结果有较大影响,在相同井深条件下,井壁压力随b增大而减小。     

组合桩型复合地基计算与应用分析

为完善组合桩型复合地基设计理论，以单一桩型复合地基计算方法为基础，给出了其承载力和沉降量计算方法，提出了静载试验结果的尺寸修正方法，并与测试结果进行了验证。结果表明：经修正后，承压板下组合桩型复合地基承载力试验值与采用本文公式所得计算值吻合；采用桩间土的压缩模量乘以承载力的提高幅值，所得复合压缩模量计算组合桩型复合地基，最终沉降满足工程要求。     

组合式棚洞结构优化及其计算方法

棚洞是山区公路常见的崩塌落石灾害防治结构。本文通过增设夹心层和增设薄壁管二次消能装置对组合式棚洞结构进行了优化。通过对夹层结构等效并采用薄板理论,建立了棚洞优化结构的内力计算式。利用圆柱壳冲击动力学分析二次消能特性,将组合式棚洞优化结构在落石冲击作用下的动力响应分为四个阶段,建立了三个临界冲击速度的计算式。实例分析表明,棚洞优化结构横梁和纵梁的上、下侧最大弯矩比优化前分别降低了19.7%, 23.7%和10.2%。第一、第二、第三界限冲击速度分别为6.24 m/s、13.50 m/s、15.20 m/s。研究成果对组合式棚洞优化结构的构件预制有指导意义。     

基于统一强度理论带帽刚性桩承载力上限分析

基于塑性极限理论的上限分析法,借鉴已有数值分析和室内模型试验所揭示的带帽刚性桩破坏模式,构建了其运动许可速度场,并引入统一强度理论,根据能量平衡原理,推导了能考虑中主应力影响的带帽刚性桩极限承载力上限计算公式。同时通过参数分析,得到了带帽刚性桩极限承载力随桩帽尺寸、土的黏聚力和内摩擦角的变化规律。研究发现：考虑中主应力影响的带帽刚性桩的上限解较不考虑时有较大的提高,对于带帽刚性桩承载力计算时,实际统一强度理论中反映中主应力影响的参数取0.1～0.2附近较为合理。带帽刚性桩承载力随着桩帽尺寸的增大而增大,且桩帽直径与桩径之比 时,承载力增大趋势较为明显;承载力随着土体黏聚力和内摩擦角的增大而增大。通过与已有理论方法和试验结果对比分析发现,本文提出的方法不仅在理论上更严密,而且可得到更符合实际的计算结果。     

基于统一强度理论的灰土桩复合地基挤密影响区半径计算

灰土桩复合地基因桩体鼓胀变形使得桩间土体挤密,可以确定其挤密影响区范围,对评价地基加固效果有着十分重要的意义。采用统一强度理论,结合桩土变形协调条件,推导出复合地基沉降量与挤密影响区半径的关系式,并讨论不同b值、不同桩径d、不同深度条件下挤密影响区半径的变化趋势及影响特性。研究表明,挤密影响区半径随着地基深度的增加而减小,灰土桩最佳挤密深度范围为桩顶至1/3桩长深度之间;挤密影响区半径在1.51d～1.68d（d为桩径）之间,增大d可以有效扩大挤密影响区半径;应考虑中间主应力效应对岩土材料强度发挥的积极作用。     

统一强度理论在边坡稳定性分析中的应用

基于统一强度理论,以某高速公路路基边坡的典型断面为例,运用刚体极限平衡理论中的毕肖普简化法进行计算,得到不同的统一强度理论参数、不同的双剪应力状态参数与边坡稳定系数之间的关系。在此基础上,讨论了边坡问题的强度理论效应。通过分析可知,中间主应力在边坡稳定性分析中不容忽视。实际工程中,应根据具体边坡的岩土特征及应力状态确定统一强度理论参数和双剪应力状态参数,确切地反映岩土强度特性,界定稳定系数的上下限范围,有效地发挥材料的强度潜能,节约工程费用。     

Effective stress concept in unsaturated soils: Clarification and validation of a unified framework

The effective stress principle, conventionally applied in saturated soils, is reviewed for constitutive modelling purposes. The assumptions for the applicability of Terzaghi's single effective stress are recalled and its advantages are inventoried. The possible stress frameworks applicable to unsaturated soil modelling are reassessed in a comparative manner, specifically the Bishop's single effective stress, the independent stress variables approach and the generalized stress framework. The latter considerations lead to the definition of a unified stress context, suitable for modelling soils under different saturation states. In order to qualify the implications brought by the proposed stress framework, several experimental data sets are re‐examined in the light of the generalized effective stress. The critical state lines (CSLs) at different saturation states tend to converge remarkably towards a unique saturated line in the deviatoric stress versus mean effective stress plane. The effective stress interpretation is also applied to isotropic paths and compared with conventional net stress conception. The accent is finally laid on a second key feature for constitutive frameworks based on a unified stress, namely the sufficiency of a unique mechanical yield surface besides the unique CSL. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

地震荷载作用下条形基础地基动承载力统一强度理论解

基于考虑中主应力影响的统一强度理论,通过假定复合型滑动面,利用拟静力和极限平衡分析法得到了条形基础地基静、动承载力解答。对比分析研究发现:在条形基础地基静承载力方面,本文提出的基于统一强度理论地基承载力系数有不同程度的提高,说明现有方法中地基承载力系数比较保守;而在动承载力方面,不同地震荷载下条形地基动承载力系数Ncd变化不大在2%~6%之间,但动承载力系数Nqd、Nγd值均有20%~75%的降低,而地基承载力有15%~40%的下降。     

基于充分浮力理论的有效应力原理公式推导

有效应力原理奠定了土力学的基础,具有十分重要的地位,而学术界对有效应力原理的推导过程争论较多。为揭示有效应力原理所蕴含的物理力学本质,阐明基本概念、澄清认识上的误区,以饱和土体为研究对象,通过“充分浮力作用”的概念,从一个新的角度推导了土体在自重和外载作用下有效应力原理公式的得出过程,分析了“忽略颗粒接触面积从而推得有效应力原理公式”这一公认方法的不妥之处;根据有效应力原理的本质,提出了一个关于饱和岩石、混凝土有效应力原理的简明修正方法,通过该修正方法得出的有效应力公式与前人的研究成果有较好的吻合。