考虑封闭作用和应力扩散的软土地基临塑荷载

在深入分析硬壳层对下卧软土层的封闭作用和扩散作用的基础上,推导了能考虑这两种作用的软土地基临塑荷载计算公式。同时通过对封闭作用产生机理的分析,指出传统的弹性力学分析方法无法考虑封闭作用对软土地基临塑荷载的影响。     

考虑应力路径的地基临塑(界)荷载计算

土的固结不排水剪总应力强度指标在许多地基规范中被建议采用,具有明显的应力路径相关性。推导一个考虑应力路径影响的地基塑性区和临塑(界)荷载计算公式,将此公式和应用室内常规三轴试验指标理论值计算的结果进行了比较,分析了室内常规三轴指标的适用性。     

基于Lade-Duncan准则的平面应变强度公式

在弹性-理想塑性和相关联流动法则的假设下,基于Lade-Duncan准则,得到了平面应变破坏的中主应力条件,提出一种新的平面应变条件下的强度公式。该公式将平面应变条件和常规三轴压缩条件下的抗剪强度指标联系起来,只须通过常规三轴试验,就可确定平面应变条件下的内摩擦角和黏聚力,可以有效反映中主应力对平面应变内摩擦角的提高效应。证明了等效内摩擦角达到极大值的条件即为平面应变条件下无黏性土的破坏条件,以及绘制π平面上3种准则的几何关系,阐明平面应变强度公式的数学意义。最后,通过地基承载力试验结果验证了该公式的有效性。在使用规范方法或有限元软件进行平面应变计算时,该公式可考虑中主应力的影响,选取更为有效的抗剪强度指标。     

平面应变条件下土的强度准则分析及验证

应用Mohr-Coulomb、Lade-Duncan、广义Mises、Matsuoka-Nakai、AC-SMP强度准则,以及平面应变条件和相关联流动法则,建立了平面应变条件下土的强度准则。通过分析不同平面应变条件强度准则,确定最大、最小主应力比随土的内摩擦角的变化规律,分析了各强度准则的适用性。当内摩擦角小于30°时,各强度准则的差异性较小;当内摩擦角大于30°时,各强度准则的差异逐渐增大;内摩擦角较大时,广义Mises平面应变强度准则已不适用于描述土的破坏应力条件。同时,考虑黏聚力的作用,将无黏性土平面应变强度准则推广应用于黏性土,根据黄土的平面应变试验结果对各强度准则进行了初步验证,结果表明:Matsuoka-Nakai强度准则适用于描述砂土的强度,Lade-Duncan、AC-SMP强度准则可以很好地描述黄土的强度。     

复杂应力路径下杭州原状软黏土破坏标准研究

采用空心圆柱扭剪仪对主应力轴方向固定不变定向不排水剪切应力路径下杭州原状软黏土破坏标准进行试验研究,重点探讨了中主应力参数b、大主应力方向角?及孔压积累对剪切过程中黏土抗剪强度的影响,并提出原状软黏土剪切破坏的标准。试验结果表明,中主应力参数的变化没有对应力应变变化模式和试验应力路径产生影响,随着中主应力参数的增大,黏土抗剪强度的变化并没有呈现出一定的规律性;大主应力方向角对原状软黏土强度的影响反映出原生各向异性对黏土抗剪强度的控制作用;黏土样在剪切后期会产生显著的孔压积累,影响了黏土强度的发挥。考虑中主应力参数等影响因素,通过分析广义剪应力-应变曲线的变化情况,取广义剪应力qJ的峰值作为原状软黏土的剪切破坏标准。     

平面应变状态下边坡安全系数的近似求解

Mohr—Coulomb屈服准则不考虑中间主应力对材料强度的贡献,是一个保守的强度屈服准则,在近似平面应变状态下,匹配于Mohr-Coulomb屈服准则的Drucker-Prager屈服准则能给出边坡安全系数偏保守一些的估计;相对而言,Matsuoka—Nakai和Lade-Duncan屈服准则均考虑了中间主应力对土体强度的影响,在近似平面应变状态下,匹配于Matsuoka-Nakai和Lade-Duncan屈服准则的Drucker-Prager屈服准则能给出岩土类材料较为合理的破坏强度预测,土体的抗剪强度能被更有效地发挥出来,因而借助这些转化的Drucker-Prager屈服准则能给出平面应变状态下土坡安全系数较为合理和真实的预测。文中的边坡稳定算例证实了这些观点。     

基于中主应力修正关系的边坡稳定性分析

边坡稳定性分析时通常将应力条件简化为平面应变状态,采用三轴试验强度计算出的边坡稳定性偏于保守。在充分考虑中主应力物理含义及力学机制的基础上,将Mises屈服准则与Mohr-Coulomb（简称M-C）内切圆屈服准则进行匹配,得到了平面应变条件下土体屈服破坏时中主应力的理论修正关系,进而也得到了该条件下最大主应力与最小主应力的比值关系,从理论上证明了该比值关系是与土体平面应变破坏时内摩擦角成一定关系的常数,也在平面应变试验中得到了验证,从侧面反映出中主应力理论修正关系的合理性。由上述两种关系建立了土体平面应变破坏条件下的应力路径,结合Lade-Duncan强度准则,建立了平面应变条件下强度参数与三轴试验试验条件下强度参数转换公式,由该转换公式得到的平面应变条件下的强度参数与平面应变试验实测值误差在2%左右,大幅缩小了三轴试验实测值与平面应变试验实测值的误差。在均质边坡稳定分析中分别采用常规三轴试验强度值与由公式转换得到的平面应变强度值进行计算。研究结果表明,三轴试验条件下内摩擦角为10°～20°之间时,基于两种强度参数得出的安全系数相差不大;当三轴试验条件下内摩擦角大于20°时,平面应变条件下安全系数较三轴试验条件下提高19%左右,但该成果只在文中计算案例有效,两者误差的准确关系还有待于进一步研究。值得关注的是,由于平面应变条件下土体强度变大,边坡的临界滑面深度变浅了,其形态相应变陡。     

统一强度理论在地基承载力确定中的应用研究

基于统一强度理论,考虑中间主应力对地基承载力的影响,给出了静止侧压力系数 条件下的地基临塑与临界荷载公式。结合实例,对基于统一强度理论和Mohr-Coulomb准则的地基承载力计算结果进行了对比分析。新的理论公式更为确切地反映了地基承载力的实质,有利于地基土体强度的充分发挥。基于河北境内177组不同土质地基的土性指标及载荷试验资料的统计分析,对中间主应力系数b的取值进行了深入细致的探讨,研究表明,对于粉土及黏性土地基,b的取值范围在0～0.5之间变化,理论计算所得地基承载力特征值与载荷试验实测值间的相对误差一般不超过5%     

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。     

真三维状态下土体强度及变形分叉影响

通过引入应力Lode角建立合理的角隅函数描述偏平面形状,对三维Mohr-Coulmb强度准则进行修正,使之能合理反映中主应力比对土体峰值内摩擦角的影响。修正后的准则在偏平面上的强度线与Lade-Duncan准则相似,但更具灵活性,预测结果更符合松砂真三轴试验结果。由于土体在加载过程中常发生应变局部化现象,导致其强度得不到充分发挥。基于非共轴塑性模型的分叉分析研究了应变局部化发生对土体强度发挥的影响,通过与密砂真三轴试验结果对比表明,分叉强度能合理反映在不同中主应力比条件下应变局部化发生对土体强度的降低作用。     

中主应力对砂土抗剪强度影响的分析

土的抗剪强度参数一般通过三轴压缩试验确定。而三轴压缩试验中土的应力状态是轴对称的,这往往与实际工程中土体的受力情况不相同。因此,探讨一般应力条件下与三轴应力条件下强度指标之间的相互关系是至关重要的。基于砂土的空间滑动面强度准则即SMP准则,针对不同中主应力系数,通过数值分析探讨了中主应力系数对砂土抗剪强度指标的影响。分析结果表明,中主应力对土的抗剪强度指标具有显著的影响,一般地在平面应变条件下这种影响最大。     

初始固结应力对平面应变黄土剪切破坏特性影响

针对黄土工程中大量存在的平面应变问题,在均压固结条件下研究的较多,但与土实际的应力状态不符,利用平面应变改造后的真三轴仪,模拟土体的实际应力状态,通过原状黄土在不同初始固结应力比、含水率和围压条件下的竖向加载平面应变试验,揭示不同初始固结应力比、含水率和围压对原状黄土强度特性影响及破坏时中主应力变化规律。研究结果表明：偏压固结原状黄土的强度随着初始固结应力比的增大而增大,且明显大于均压固结;抗剪强度及破坏时p、q随着初始固结应力比的减小或含水率的增大而减小;土体原生结构损伤程度随着初始固结应力比的增大而增大使得黏聚力减小;当次生结构形成土颗粒间挤密使得内摩擦角增大;破坏时刻的中主应力随初始固结应力比增大而增大;破坏时刻的中主应力系数范围在0.15~0.45之间;平面应变条件下原状黄土破坏时的固结围压及含水率对中主应力系数的影响较明显。研究结果对进一步完善原状黄土的平面应变试验研究,进而解决平面应变条件下的黄土工程建设问题,提供试验依据和理论基础。     

平面应变条件下M-C材料屈服时的中主应力公式

基于Mohr-Coulomb准则,通过引入罗德角参数及Mohr-Coulomb准则平面应变等效广义Mises准则,推导了平面应变条件下材料屈服时的中主应力公式,并给出其与基于SMP准则（Spatial Mobiliaztion Piane）的平面应变中主应力公式之间的关系式。对平面应变条件下的条形地基进行了有限元数值模拟,计算结果验证了所推导的平面应变条件下M-C材料屈服时的中主应力公式的正确性,其公式为岩土体的强度和变形分析、中主应力的强度效应的进一步研究,以及Mohr-Coulomb准则的修正提供了有力的基础。     

复杂应力状态下土质高边坡稳定性分析

结合现有的实际滑坡场地,开展了关中盆地黄土塬边的高边坡稳定性研究。基于弹塑性理论和非关联流动法则,根据双剪统一强度理论,建立了双剪统一弹塑性本构模型的显式有限差分格式。针对陕西省泾阳县南塬高边坡滑坡的现场勘测和室内试验,分析了滑坡的规模和滑坡前后的地形特征。在此基础上,还原了滑坡前的边坡地形概状,建立三维计算模型并运用三维拉格朗日有限差分方法分析了中间主应力对高边坡稳定性的影响;然后考虑中间主应力的影响对不同地下水埋深和渗流时边坡的稳定性进行分析。结果表明,考虑中间主应力情况下,随着地下水位升高,坡顶水平向位移增大;当不考虑渗流时,坡顶水平位移增大到一定值后边坡达到稳定状态,而考虑渗流时坡顶水平位移持续增大,并且容易发生突然的破坏失稳。期望对泾阳南塬滑坡群的破坏机制研究提供一定参考。     

基于统一强度理论的地基极限承载力公式

现有的地基临塑荷载及极限承载力公式均以Mohr-Coulomb强度理论为基础建立的,没有考虑中间主应力的效应,其计算结果一般偏小,没有充分发挥土体强度潜能。基于统一强度理论考虑中间主应力的影响,以Terzaghi公式的假设与原理为基础,导出地基极限承载力公式的一般形式,太沙基地基极限承载力公式是其特例。由于考虑中间主应力的影响,计算的地基承载力比太沙基地基极限承载力要大,可发挥土体的强度潜能,得到一系列的解答。     

考虑中间主应力Hoek-Brown强度准则及其适用性

为考虑中间主应力对岩石极限破坏强度作用,在广义Hoek-Brown强度准则幂率项中添加定量表征中间主应力项,构建新的三维Hoek-Brown强度准则。该准则在主应力空间是通过3个角点外接Hoek-Brown准则包络面的曲六面体,在 空间包络线是幂律型曲线。通过与Hoek-Brown准则、Drucker-Prager准则和Mogi准则分别对4组真三轴压缩强度试验数据的拟合对比分析,探讨其反映中间主应力效应的适用性。结果表明,修正的Hoek-Brown强度准则拟合试验数据效果总体最好,Mogi准则次之,Hoek-Brown准则和Drucker-Prager准则较差。从而修正的Hoek-Brown强度准则最适用于粗面岩、大理岩和花岗岩等硬脆性岩石的真三轴强度预测及中间主应力影响规律描述。