人工制备结构性土力学特性试验研究

通过对结构性土的研究可以掌握天然土受荷过程中的变形破损过程, 从而为考虑土结构性的结构物设计、地基加固等提供依据。本文尝试了一种简单可行的结构性土样的人工制备方法, 通过在原状土料中加入少量水泥和盐粒以形成颗粒间的胶结作用和大孔隙组构以模拟天然黏土的结构性。然后进行了室内压缩试验和不同胶结强度土样在排水和不排水条件下的三轴剪切试验,分析结构性土样的力学特性,以探讨结构性土的破损过程和变形机理。     

人工制备初始应力各向异性结构性土方法探讨

通过对结构性黏土的研究可以掌握天然土受荷过程中的变形破坏过程,从而为考虑土结构性的结构物的设计、地基加固等提供依据。近年来随着高、深和大型建筑的兴建,结构性黏土的研究变得尤为重要。天然土都具有结构性和各向异性。发展了一种能够考虑初始应力各向异性影响的结构性土的人工制样方法。通过对原料粉质黏土中添加水泥形成颗粒之间的胶结作用,添加盐粒并溶解后形成大孔隙组构分布和在水化过程中的侧限应力状态的结构性土样的端部施加竖向荷载,从而人工制备了具有初始应力各向异性的结构性土样。然后对初始均质结构性土样、初始应力各向异性结构性土样和重塑土样进行了三轴固结排水剪切试验,初步分析了初始应力对结构性土样的应力-应变特性的影响和初始应力各向异性结构性土的破损机制。     

结构性吹填土压缩变形微观机理试验

吹填土是一种人造土,具有大孔隙比、压缩性强、低强度等特点,其微观结构对土的力学性质有很大的影响,是一种强结构性土。通过分析不同轴向应力下压缩土样的微观SEM照片,探讨了孔隙微结构参数与轴向应力之间的关系,得出在吹填土压缩变形过程中存在屈服应力。在所受应力大于和小于屈服应力时,吹填土的压缩性存在差异,其微观表现为微结构参数在压缩过程中产生了突变,其根源是在压缩变形过程中,吹填土的微观结构产生了破坏。简要分析了结构性吹填土压缩变形微观机理。结果表明,吹填土的压缩过程分为孔隙中气体的压缩与水份的运移、团粒的相对滑移和结构破坏与新结构形成3个阶段。     

粘土变形特性分析

从土的微结构出发,以颗粒材料力学特性和微结构模型为基础进行了理论分析,认为结构性粘土的塑性变形包括颗粒的滑移和颗粒的破损。单纯地考虑任何一个方面,只能片面地反映结构性粘土的力学特性,而不能反映其真实变形机理。在岩土破损力学框架内分析了粘土的变形。     

基于数字图像的土、岩和混凝土内部结构定量分析和力学数值计算的研究进展

土、岩及混凝土是一种内部结构极其复杂的材料,内部细观组成和结构决定了它们在外力作用下内部应力和应变等物理场的分布状态,在很大程度上控制了它们的宏观力学响应和破坏机理和过程。自1995年以来,数字图像处理技术作为一种材料细观空间结构及几何形态的精确量测和数字表述手段快速地被应用于沥青混凝土、水泥混凝土、土和岩体材料细观结构定量分析中来。本文在研究相关文献的基础上,分析和研究了数字图像技术在土、岩及混凝土内部结构定量分析和力学数值计算中的发展过程和研究成果,内容包括:单个骨料颗粒形态特征定量分析;土、岩和混凝土内部结构定量分析;岩体结构定量分析中的应用;基于数字图像处理的土、岩和混凝土细观结构力学计算。在此基础上,本文进一步对数字图像技术在岩土领域中的应用进展及未来的发展趋势进行了探讨,认为数字图像作为一种空间分布测量手段和数字表述方法使得它具有巨大的潜力,特别是在岩土领域的纵深发展过程中,它可能实现考虑细微观结构性的岩土力学和工程分析和预测的、新的方法和理论。     

深部土高压卸载变形结构性量化参数确定及本构模型

用取自山东巨野矿区埋深300～600m的深部粘土样,在三轴伺服仪上进行原状和重塑土的高压三轴卸载试验,对比分析其变形特点;提出一种描述深部土高压卸载变形与强度连续变化的土结构性参数的方法,并根据三轴卸载试验结果,确定了巨野矿区深部土高压卸载变形结构性参数,建立了描述巨野矿区深部土高压卸载结构性本构模型。     

原状及重塑黄土双轴试验微观力学特征离散元模拟

黄土作为一种特殊的颗粒材料,微观上颗粒组成的结构决定了其力学特性。原状及重塑黄土因结构的差异而具有不同的力学特性。针对黄土结构性如何影响其力学特征这一基本问题,开展基于电镜扫描获取细观颗粒信息,同时考虑颗粒形状、颗粒破碎可能性进行建模的离散单元法进行原状黄土和饱和重塑土在恒定应变速率双轴试验下的宏观力学和细观力学性能研究。研究结果显示:试样微观结构的差异对变形破坏过程产生显著影响。当轴向应力较低时原状黄土及重塑黄土力链多分布于大型骨架颗粒附近,随着轴向应力增加,原状黄土力链形成网状图案但仍具备主要传导区域,重塑黄土无明显主要传导区,呈现均匀网状。原状土及重塑土骨架颗粒簇周围多形成张拉裂隙,剪切裂隙多数形成于骨架颗粒簇内部,又以颗粒簇相互挤压接触时最为明显。使用该建模方法,可以有效反映原状及重塑黄土由于内部结构组成差异导致相同应力条件下产生的不同内部应力状态。基于以上研究结论,给出了黄土结构性对宏观强度影响的微观解释。研究成果可为黄土地区地质灾害防治提供一定依据。使用该建模方法,可以有效反映原状及重塑黄土由于内部结构组成差异导致相同应力条件下产生的不同内部应力状态。基于以上研究结论,给出了黄土结构性对宏观强度影响的微观解释。     

考虑细观结构演化的非饱和Q_3原状黄土弹塑性本构模型

Q_3原状黄土是典型的非饱和土,具有明显的结构性,其力学变形特征与结构性密切相关。建立黄土的本构模型有必要考虑加载和湿陷过程中结构演化特征,才能真实地反映原状黄土的固有特性。假设原状黄土的屈服应力是重塑黄土与结构性两者的耦合,基于细观结构演化规律,考虑吸力和结构性的影响,提出了一个非饱和Q_3原状黄土的弹塑性本构模型。模型包括土骨架变形与水量变化两个方面,土骨架变形方面以修正Barcelona非饱和土弹塑性模型为基础,引入通过CT三轴试验获得的Q_3原状黄土加载-湿陷过程中的结构演化方程,分别得到描述土骨架在加载和湿陷过程的本构模型,以突出加载和湿陷过程中结构性对变形的影响;水量变化方面则采用广义土-水特征曲线描述,以反映净平均应力和偏应力对持水性的影响。模型总计22个材料参数,均可由试验确定。通过对比若干试验数据与模型计算结果,初步验证了模型的合理性。建立的考虑结构性的弹塑性本构模型为深化认识黄土力学特性提供了可能,并为有效分析黄土地基湿陷变形提供了一定借鉴。     

土的综合结构势及结构性参数研究进展

土结构性是决定土力学特性的一个最为根本的内在因素。基于综合结构势理论的土结构性参数研究是土结构性研究的一种行之有效的方法, 它不仅考虑了土颗粒排列的几何特征和土颗粒联结的力学特征,而且对土结构性进行了综合的、整体的、动态的量化。对已提出的结构性参数进行全面的总结和评述,统一了结构性参数的命名。在此基础上,总结了结构性参数与强度和变形的关系、结构性参数本构模型和结构性参数应用方面的研究现状,并进一步分析了土结构性描述的合理途径以及结构性与固结状态对强度和变形的影响,提出了同一结构性条件下研究结构性土强度、变形本构规律的新观点。     

红粘土微结构特征与变形机理

总结红粘土微观结构已有研究成果,包括观测技术、特征及其形成机理、变形特征及其机理。进一步讨论红粘土的微观结构特征和机理,展望其未来的研究方向,为工程实践提供理论支持。     

基于耦合欧拉-拉格朗日法的锚板在黏土中的极限承载力数值分析

当结构在土体中运动时,往往导致土体发生较大的变形,此类问题采用大变形数值分析方法更为恰当。耦合欧拉-拉格朗日（Coupled Eulerian-Lagrangian, 简称CEL）法是大变形数值分析方法中的一种,在分析大变形问题时具有很强的适用性,但在国内尚未开展CEL法分析锚板承载力的研究。以方形锚板在均质土及线性土中的拔出试验为原型,基于CEL法建立数值模型,对锚板的极限承载力及破坏机制进行研究,并通过用户自定义子程序,实现了线性土的强度分布随锚板拔出而变化。计算结果表明,土体杨氏模量越大,锚板的极限承载力越大;随着位移增大,锚板的抗拔力先增大,后降低;当埋深小于临界埋深时,土体发生整体破坏;当埋深大于等于临界埋深时,土体发生局部破坏。数值计算反映的规律与试验结果基本吻合,体现了CEL法模拟锚板在海床中大位移响应的出色能力。     

人工堆山边坡稳定性数值分析

镇江市蛋山堆山工程是在原蛋山废弃采石场地基上,采用建筑垃圾堆筑起一座具景观功能的新蛋山,堆土厚度最大达50m,该工程西侧地基中分布有厚度较大的软土层,勘察试验结果表明该软土层强度低,压缩性高,对新山体的变形和稳定性有很大的影响.本文以该工程为例,采用数值分析法对软土地基上人工堆山边坡的变形和稳定性进行了研究,计算时对堆...     

人工冻土黏弹塑性本构参数反分析研究

通过大量的人工冻结黏土蠕变试验研究,获得在高偏应力下人工冻结黏土具有显著的蠕变特性：当应力水平较低时,人工冻土发生黏弹性蠕变变性;当应力水平较高时,人工冻土发生黏塑性蠕变变性。因此,以西原模型为基础,增加一个黏弹性元件项和用抛物线屈服函数代替塑性屈服项,构建了高应力下抛物线型黏弹塑性蠕变本构模型。改进的西原模型可以较好描述人工冻土剪切蠕变特性。基于小生境技术的遗传算法和人工冻土黏弹塑性模型有限元理论,在FEPG（有限元程序生成器）自动生成平台上研发了位移反分析程序。利用现场实测数据对深井冻结井筒开挖过程进行了位移反分析,获得了与试验相一致的冻土本构力学模型参数,数值分析结果与实测数据之间的误差在6%以内,反演结果验证了模型的可行性。冻结井筒开挖过程的位移反分析获得的人工冻土本构模型参数,能反映冻结壁施工过程和有效冻结范围内冻土本构参数平均值,因而具有广泛的代表性,对冻结壁应力场、位移场和稳定性预测具有重要工程意义。     

长期循环荷载下人工结构性软土累积变形规律及预测模型

针对软土地区路基运营后显著的长期沉降效应问题,以及天然沉积软土均具有一定结构性的特点,制备了不同胶结强度的人工结构性土,开展了结构性土与相应重塑土的压缩试验和动三轴试验,分析了循环次数、动应力比和结构性强度对土体累积塑性变形的影响规律。试验结果表明:土体累积变形随着循环次数、动应力比的增大而增大,随着结构性强度的提高而减小;累积应变曲线可分为破坏型、稳定型和临界型3种形式。进而考虑土结构性影响,在已有累积变形模型基础上引入应力灵敏度S_σ参数,分别建立了结构性软土的破坏型和稳定型的累积变形模型,较好地预测了结构性软土不同变形状态的累积应变曲线,并分析了模型参数随应力水平和结构强度的变化规律。     

低矮路堤下膨胀土地基渗流与变形耦合研究

二维渗流与变形耦合控制方程是基于流体质量守恒、Darcy定律及膨胀土弹性本构方程得出的。结合云桂高速铁路低矮路堤下膨胀土地基现场浸水试验,并采用考虑耦合和不考虑耦合两种数值模拟方法,分析了低矮路堤下膨胀土地基的膨胀变形特性。研究结果表明,耦合情况下地基表面膨胀变形呈双曲线变化,非耦合情况下地基表面膨胀变形随时间的增加而逐渐增大,对同一时间而言,未考虑耦合效应数值模拟得到的膨胀变形落后于考虑耦合影响的膨胀变形;耦合与非耦合情况下地基的相对膨胀率沿深度方向呈衰减变化。数值计算结果与现场试验结果比较表明,不考虑耦合影响的数值模拟方法难以描述人工浸水条件下膨胀土地基的膨胀变形规律,而考虑耦合影响的数值模拟方法与现场实测值吻合较好。     

玄武岩纤维加筋黏土数值模拟及机理研究

为研究玄武岩纤维加筋黏土的力学特性及纤维加筋机理,采用ABAQUS有限元软件构建了玄武岩纤维加筋黏土数值分析模型,同时基于Python语言对ABAQUS建模进行了二次开发,按纤维与干土质量的百分比0、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%、0.35%和0.60%,考虑了不同纤维长度和分布模式的影响,建立了一系列玄武岩纤维加筋黏土的无侧限抗压试验数值分析模型,并结合室内试验结果进行了对比验证,探讨了纤维加筋机理。结果表明:(1)采用筋土分离的方法,在ABAQUS中基于Python语言进行二次开发可实现纤维加筋土模型的简化建立,模拟结果与室内试验结果基本相符; (2)玄武岩纤维的掺入可以显著提高土体的无侧限抗压强度,并减少土体的侧向鼓胀变形量,纤维掺量、长度和分布模式对土体强度和侧向鼓胀变形量均具有一定影响; (3)纤维加筋机理与纤维在土体中的受力特征有关,通过对不同掺量、长度和分布模式的纤维在土体中受力特征的分析,可以解释其对土体力学特性的影响规律。     

动荷载作用下结构性软土微结构变化的分形研究

为探讨天津滨海新区典型结构性软土的动力特性,采用动三轴试验和压汞试验,对交通荷载作用下结构性软土微观结构变化进行了研究。取原状土和动荷载作用后的土样进行压汞测试,用分形理论对压汞测试数据进行分析,探讨孔隙分布特征,提出孔径划分的方法,给出了卓越频率与土体孔隙变化的规律。研究结果表明：在动荷载作用后,天津滨海新区典型软土的孔隙分布发生改变,可分为3种类型;利用Menger海绵模型研究交通荷载作用下结构性软土的孔隙分布特性是可行的;用孔隙分维数可实现对卓越频率的预测以及路基土体变形行为的机制分析。     

结构性海洋黏土损伤模型的二次开发及应用

原状土的结构性作为21世纪土力学的核心问题,一直以来受到学者们的广泛关注。软黏土的结构性损伤这一力学行为会对海洋结构物基础造成不可忽略的影响。以海底原状土的结构性特征为研究对象,推导了考虑黏土结构性的SANICLAY模型的数值实现格式。通过子增量步显式算法和有限元的二次开发,实现了结构性多屈服面本构模型在有限元方法中的应用。通过与不同应力路径下的三轴试验结果对比,验证了开发的子程序可准确模拟海洋黏土所具有的结构性。基于不同应力路径试验的数值模拟结果,研究了不同固结和剪切条件下土体塑性势面和屈服面的演化规律,揭示了土体固结可降低结构性损伤程度以及剪切过程中土体产生结构性损伤的机制。将二次开发的子程序应用到具体的边值问题中,开展了可考虑土体结构性影响的海上风电筒型基础静承载力研究,揭示了土体结构性对筒型基础的地基破坏模式、峰值承载力和残余承载力的影响;引入残余衰减比来表征土体结构性破坏后筒型基础的残余承载力,并建立了残余衰减比与结构损伤因子之间的关系。