降雨入渗引起非饱和土边坡破坏的水-土-气三相渗流-变形耦合有限元分析

为了全面地了解降雨入渗引起的边坡失稳破坏机制,基于有限元-有限差分理论(FE-FD scheme)的水-土-气三相渗流-变形耦合有限元数值分析方法被提出。程序中采用了Zhang等~([1])提出的以Bishop有效应力和饱和度作为状态变量的非饱和土弹塑性本构模型,从而可以连续地描述在降雨入渗时土体由非饱和状态转化为饱和状态过程中力学特性的变化。同时用Green-Naghdi客观应力速率张量来考虑边坡失稳过程中的大变形问题。程序不仅可以模拟由于降雨入渗引起的水分迁移、孔隙水/气压力变化的过程,而且可以很好地反映出由于降雨入渗所引起的边坡变形、塑性剪切带形成等力学行为。选取室内边坡模型试验为研究对象,用所提出的水-土-气三相渗流-变形耦合有限元程序来进行数值模拟,并与试验结果对比,验证了所提出的有限元数值方法的有用性。     

三向土工格栅筋-土界面特性拉拔试验研究

现有关于格栅与土的筋-土界面特性研究多以单、双向格栅为研究对象,而对三向土工格栅筋-土界面特性开展的试验研究较少。以三向土工格栅为研究对象并考虑0°和90°两种拉拔方向的影响(记为TX_0工况和TX_90工况),开展了一系列室内拉拔试验,通过对三向土工格栅沿拉拔方向4个断面的位移进行量测,分析了格栅拉伸应变、筋-土相对位移、界面摩阻力分布及格栅变形与破坏模式,并分别从峰值剪切强度和残余剪切强度两个方面对筋-土界面强度参数和表观摩擦系数的变化规律进行了探讨。研究结果表明:由于平面外挠曲变形的影响,TX_0工况下横肋的嵌锁作用随法向应力增大而增强,从而使TX_0工况的拉拔性能逐渐优于TX_90工况;拉拔过程中,筋-土界面摩阻力的发挥是一个渐进的过程,其分布形式不断发生调整,筋-土界面呈弹塑性-软化特征;TX_0工况的筋-土界面摩擦角显著大于TX_90工况,黏聚力则刚好相反,法向应力较高时TX_0工况的筋-土界面强度更高,更有利于材料性能的发挥。     

砂土中桶形基础吸力值的设定范围

吸力桶形基础沉贯与所施加的吸力密切相关,吸力值设置太小会导致吸力基础沉贯速度过慢,施工效益降低;吸力值设置太大将产生较高的桶内土塞,吸力基础下沉不到预定位置,从而使其承载力达不到设计要求,或引起砂土地基产生管涌破坏,因此必须确定合理的吸力值以满足工程建设需要。通过吸力桶形基础的静力平衡条件获得了沉贯所需最小吸力值;根据桶壁底部土体破坏特性,并依据Hencky应力方程建立了桶壁内、外侧土体之间的有效应力表达式,求解了土塞加速上升时的临界吸力值;基于吸力桶形基础内部砂土的管涌破坏机制确定了最大吸力值,结合最大和最小吸力的理论公式得到了吸力桶形基础的最大沉贯深度。最后,采用实例数据验证了所提出的最小、临界和最大吸力理论公式的合理性。     

考虑横向惯性效应时桩侧土-管桩-土塞纵向耦合振动特性研究

与实心桩相比,由于土塞与管桩内壁复杂的相互作用,开口管桩的桩-土动力相互作用问题更为复杂。因此,需深入研究考虑土塞效应时的管桩-土体动力相互作用问题。首先,考虑管桩的横向惯性效应及其黏性性质,采用Rayleigh-Love动力杆件模型和附加质量模型建立了桩侧土-管桩-土塞系统的纵向振动控制方程。进一步,采用积分变换和阻抗函数传递技术,分别得到了任意荷载形式下管桩桩顶速度频域响应的解析解以及半正弦脉冲激励作用下桩顶速度时域响应的半解析解。最后,通过与现有解及模型试验的对比研究验证了理论解的合理性,并研究了管桩设计参数对桩顶纵向振动特性的影响。结果表明,当管桩其他设计参数不变时,管桩截面尺寸越大或长度越小时,应力波传播过程中的弥散效应越明显。对于同样外半径的管桩,壁厚越大时,越容易检测到土塞顶部界面及桩尖传来的反射信号,就能对管桩的施工质量进行更为合理的评价。     

地铁列车荷载作用下饱和土中圆形衬砌隧道和轨道系统动力响应分析

为研究地铁列车运行引起的轨道系统及饱和土体动力响应问题,采用解析法建立了饱和土全空间中圆形衬砌隧道和轨道结构耦合分析模型,用一系列符合列车几何尺寸的移动常荷载或移动简谐荷载模拟地铁列车,用无限长圆柱壳模拟衬砌,用Biot饱和多孔介质理论模拟土体,用Euler梁理论模拟钢轨、浮置板并组成两层叠合梁单元,结合轨道与衬砌仰拱处的力和位移连续条件,实现浮置板轨道结构与衬砌及周围饱和土体的耦合。通过算例对比了饱和土体模型和弹性土体模型动力响应的差异,分析了饱和土渗透系数、荷载移动速度和自振频率对轨道结构位移、饱和土体位移及孔压的影响。结果表明:当土体渗透性较差时,饱和土位移响应与相应的弹性土位移响应区别明显,土体模型对轨道结构响应影响较小;随着渗透系数的降低,饱和土体孔压增大;荷载移动速度和自振频率对轨道结构和土体动力响应影响显著。     

覆盖层上混凝土-堆石混合坝模型试验研究

混凝土-堆石混合坝由混凝土墙、堆石以及之间的垫层和过渡层组合而成,作为一种新型结构,目前针对其受力机制及变形特性的研究较少。基于此,开展覆盖层上混凝土-堆石混合坝模型试验研究,测得填筑和蓄水期不同高度处墙体的土压力和位移,探讨混合坝的工作机制,最后根据模型试验结果提出了考虑墙体位移的修正土压力计算公式。研究结果表明:在填筑期,堆石处于主动极限状态和静止状态之间,混凝土墙受到的堆石压力较小;蓄水后,堆石接近静止状态,混凝土墙受到的堆石压力比填筑结束时刻增加了一倍左右;修正土压力公式能够较好地反映混合坝在填筑期和蓄水期土压力随墙体位移变化的规律;混凝土墙的抗滑安全系数最小值出现在填筑结束时刻,满足相关要求,说明混合坝对覆盖层有较好的适应性。     

含水率对路基压实土小应变剪切模量的影响规律

运营期内路基土的含水率会由初始碾压含水率逐渐增大至平衡含水率,含水率的变化将会导致路基土路用性能的演化。结合已有文献中压实土剪切模量随含水率变化的实测结果与室内补充试验数据,研究了不同条件下含水率及压实度对压实土剪切模量的影响规律。结果表明:压实度不变时,路基土剪切模量随含水率的增加而减小,且压实度越大,剪切模量降低得越快;在低含水率下,剪切模量随压实度的增大而增加,但在较高含水率下,剪切模量随压实度先增加后降低,且峰值模量对应的压实度随含水率的增加而减小;峰值剪切模量对应的含水率略小于最大干密度对应的最优含水率;压实土剪切模量随稠度呈先增大、后减小的趋势,但不同黏粒含量的土体获得峰值剪切模量的稠度状态不同,且峰值模量对应的稠度与黏粒含量具有良好函数关系。     

基于联合强度的黄土主动土压力公式与计算比较

土压力计算问题虽然是岩土工程中的传统研究课题之一,但对于结构性黄土而言,抗剪强度和抗拉强度是结构性黄土强度特性的两个方面,因此,黄土抗拉强度在黄土土压力计算中存在的影响需要进行合理的评价。基于建立的可综合考虑黄土抗拉和抗剪特性的联合强度理论,开展了主动极限应力平衡分析,推导了主动土压力新的计算公式,对该计算公式进行了验证并与朗肯主动土压力进行了比较。研究结果表明:在主动土压力计算与比较中,基于黄土联合强度确定的主动土压力比基于传统的Mohr-Coulomb理论确定的朗肯主动土压力要大,且墙后填土拉张区开裂深度相对要小。由于Mohr-Coulomb强度理论高估了黄土的抗拉强度,导致朗肯主动土压力计算值偏小,而基于黄土抗拉强度建立的联合强度可以合理地评价黄土的主动土压力。     

真三轴条件下原状Q_3黄土的土-水特征

土-水特征曲线反映了非饱和土三相介质存在状态和相互作用的基本特性,非饱和土的受力状态变化和变形发展必然影响其土-水特性变化。为了揭示复杂应力作用下非饱和原状黄土的土-水特征曲线变化,利用真三轴仪对不同初始吸力的非饱和原状黄土进行了常含水率的等向固结和不同中主应力参数b值的剪切试验,探讨了不同试验条件下非饱和原状黄土的土-水特征,并对相应的土-水特征曲线进行了拟合,得出其拟合函数。研究结果表明:饱和度皆随着净平均应力、b值和净围压的增大而增大;吸力随着饱和度的增大而减小,饱和度较大(S_(r0)≥43%)时,吸力减小速率越小,饱和度较小(S_(r0)43%)时,吸力减小速率越大;饱和度一定时,吸力皆随着净平均应力、b值和净围压的增大而增大;较低净平均应力(p≤300 kPa)时,应力变化对原状黄土等向固结完成后土-水曲线的影响较小,为了工程应用方便,可以归一用幂函数来描述;拟合了可以反映净围压和中主应力共同作用影响的真三轴剪切完成后的土-水特征曲线表达式,与试验结果吻合较好。     

考虑三维波动的饱和土中管桩群桩的水平振动研究

考虑桩周饱和土和桩芯饱和土的三维波动效应研究了饱和土中管桩群桩的水平振动,得到了管桩群桩的水平动力阻抗。将桩周土和桩芯土视为两相饱和土,并利用多孔介质理论来描述其力学特性。运用数学物理手段求得了桩周饱和土和桩芯饱和土的水平动力阻抗。运用波的传播理论和叠加原理,同时考虑边界条件和三角函数的正交性,求得了管桩群桩中任一根管桩的水平作用力。考虑刚性承台处管桩桩顶位移协调条件和桩顶水平作用力平衡条件,得到了饱和土中管桩群桩的水平动力阻抗。以2×2管桩群桩为例分析和讨论了有关物理参量对饱和土中管桩群桩水平振动特性的影响。研究结果表明:实芯群桩与管桩群桩的水平动力阻抗都存在一定的差异,频率较小时需要考虑桩芯饱和土与桩周饱和土性质的差异对管桩水平动力阻抗的影响,管桩长径比和管桩壁厚对饱和土中管桩群桩水平振动的影响较大,在实际工程设计中需要重点考虑桩身尺寸。