砂土应力路径试验的数值模拟

在一组应力路径试验的基础上,利用砂土的状态相关本构模型,对不同应力路径下饱和砂土在三轴固结排水剪切过程中的变形特性进行模拟。将模拟结果与试验结果进行比较,发现这种状态相关本构模型不仅能够较好地模拟出不同应力路径下砂土固结排水试验的应力–应变关系和紧砂的应变软化现象,而且能够反映出砂土的剪缩和剪胀等变形特性,但是在模拟拉伸应力路径下砂土的体积应变变化趋势方面有待于进一步的研究和改进。     

饱和砂土的物态变化特性

通过饱和砂土的往返加卸载三轴试验 ,揭示了饱和砂土的初剪缩、剪胀、次剪缩、反向剪缩等物态变化特性 ,论证了它们与不排水条件下饱和砂土孔压的变化和排水条件下剪缩剪胀体应变的变化具有内在的联系 ,从而验证了往返加卸载复杂应力条件下饱和砂土不同物态的客观存在性 ,为进一步揭示动荷条件下饱和砂土的复杂变形特性提供了研究基础。     

砂土液化大变形的弹塑性循环本构模型

循环剪切过程中饱和砂土的3个体积应变分量(有效球应力变化引起的体变、剪切引起的可逆性体变和不可逆性体变)的变化规律决定了液化后剪应变的发展。基于上述机理、对剪切引起的可逆性和不可逆性体变的数学描述、体积相容性条件以及边界面本构理论框架,建立了一个可描述饱和砂土液化后大变形的弹塑性循环本构模型。通过对饱和砂土排水和不排水循环扭剪试验结果的模拟表明,该模型不仅可以合理地模拟饱和砂土循环加载条件下从液化前到液化后、从小剪应变到大剪应变的变形发展过程,而且可以合理地模拟饱和砂土液化后再固结大体变的累积特性。本文的研究为定量描述砂土液化后大变形提供了一条合理而有效的途径。     

考虑应力主轴循环旋转效应的砂土弹塑性本构模型

 已有试验研究表明,应力主轴循环旋转条件下砂土具有以下基本变形规律：(1) 体应变随循环周数的增加而增加,但增加速率随其自身累积值的增加呈递减趋势;(2) 剪应力–剪应变关系曲线存在明显的滞回圈,随循环周数的增加,滞回圈由未封闭型转化为封闭型;(3) 应力主轴旋转条件下砂土的非共轴流动具有分段特征;(4) 中主应力系数对应力主轴循环旋转条件下砂土的变形有重要影响,体应变的累积速率随中主应力系数的增加而增加。基于对上述应力主轴循环旋转条件下砂土的基本变形规律的认识,采用将主应力幅值变化以及应力主轴旋转产生的塑性变形单独加以考虑的办法,建立一个可合理考虑应力主轴循环旋转效应的砂土弹塑性本构模型,并对该模型在包含应力主轴旋转的多种复杂循环应力路径下的有效性进行验证。数值模拟结果与试验结果的对比表明：该模型可较好地考虑应力主轴循环旋转效应,对不同条件下各应变分量及体应变的发展历程能够进行较为合理的模拟,初步验证了该模型良好的适用性及有效性。     

饱和砂土循环流动的三维多重机构模型(英文)

根据虚功原理建立了一个饱和砂土循环流动的三维多重机构模型。砂土的复杂变形特性用一个宏观的体变机构和空间上离散分布的一维等价微观剪切机构来模拟。每个一维等价微观剪切机构由一个微观应力应变关系和一个微观应力剪胀关系组成。文中给出了宏观材料参数与微观材料参数之间的关系 ,并成功地模拟了饱和砂土循环流动的室内试验     

砂土剪胀剪缩特性及其对抗剪强度的影响

为了研究饱和砂土的剪胀剪缩特性及其对抗剪强度的影响,选取滹沱河细砂,利用空心圆柱扭剪仪较系统地开展了一系列不同初始密度、不同固结压力条件下的排水与不排水纯扭剪试验研究,在总应力保持不变的情况下研究了砂土的剪胀剪缩特性,着重探讨了在排水与不排水试验中,不同密度和不同有效围压的砂土在单调剪切荷载作用下的应力-应变关系、硬化与软化、土体的剪胀剪缩以及强度等特性。结果表明:砂土密度和固结压力对砂土剪胀剪缩特性具有显著的影响;砂土的剪胀剪缩特性对砂土的排水、不排水强度以及应力-应变关系产生显著的影响;由于剪胀剪缩特性的影响,砂土的不排水抗剪强度甚至可能高于排水抗剪强度;研究成果可为今后砂土的本构模型和数值模拟提供试验资料。     

砂土循环累积变形规律与显式计算模型研究

海洋基础在上部结构风和波浪等长期循环荷载的作用下产生累积变形,易影响海上风电机组等构筑物的正常服役性能,其本质是基础周边土体的循环累积变形问题。针对该问题,开展了一系列饱和砂土在排水条件下的循环剪切三轴试验,研究了动应力比、初始密实度、初始平均应力和初始静应力比等土性和应力参数对循环累积变形的影响,发现随动应力比、初始平均应力和初始静应力比的增大及初始密实度的减小,饱和砂土的轴向循环累积应变增大。从试验数据分析来看砂土轴向循环累积应变和循环次数之间近似存在双对数线性关系。将砂土轴向循环累积应变与第一次循环轴向应变归一化能消除上述土性和应力参数的影响,进而分析了第一次循环轴向应变与土性和应力参数之间的关系,通过引入与密实度相关的砂土抗剪强度计算表达式,建立了饱和砂土在排水条件下的循环累积变形显式计算模型,适合海洋基础长期循环累积变形分析。     

饱和松砂的双向耦合剪切特性试验研究

为了模拟海床及海洋建筑物遭受波浪荷载时所引起的循环应力,进行了一系列均等固结条件下的应力控制式轴向-扭转双向耦合循环剪切试验。试验时在竖向和扭转向同时施加动应力,使加载路径在正应力偏差(σz-σθ)/2与剪应力τzθ应力空间内为椭圆。分别控制竖向和扭转向循环荷载的大小,以此来探讨双向耦合剪切试验中竖向应力与剪应力幅值的变化对饱和松砂变形特性的影响。试验结果显示,所有的竖向应变均以拉伸向为主。对于椭圆应力路径所包围的椭圆面积相同的一组试验,当竖向荷载分量与扭转向荷载分量之比小于某一临界值时,竖向应变完全表现为单拉伸方向的变形,大于临界值时则呈现出拉伸向更为显著的双向循环累积特性破坏。剪应变虽都表现为双向循环累积,但是两个荷载分量的比值不同,应力应变关系的滞回圈曲线形状不同。而椭圆面积的大小对土样的变形特性几乎没有影响。     

砂土三维多重机构边界面模型

以土的临界状态和边界面塑性理论为基础,引入状态参数,考虑砂土的剪胀特性,提出一个新型三维多重机构边界面模型。模型将复杂的宏观变形行为分解为一个宏观体应变机构和一系列空间分布的虚拟一维微观剪切机构。每个微观剪切机构包含一个微观剪应力–应变关系和一个微观应力–剪胀关系。利用三轴压缩试验中的应力条件,建立典型宏微观参数之间的关系。模型包含13个参数,多数可通过具有明确物理意义的土性参数来确定。通过对砂土三轴压缩试验和空心圆柱扭剪试验结果的数值模拟,表明模型不但能够合理反映在排水或不排水条件下砂土的硬化及软化特性,而且能在不增加任何参数条件下预测应力主轴旋转产生的变形累积特性和应变增量主轴与应力主轴之间的非共轴特性。     

复杂应力条件下饱和松砂振动孔隙水压力增长的能量模式

利用新研制的土工静力–动力液压三轴–扭转多功能剪切仪,针对相对密度为30%的饱和福建标准砂,进行了均等固结条件下的不排水循环单向剪切以及轴向和扭转双向耦合循环剪切等多种复杂循环剪切试验,并在控制不同的初始固结参数的三向非均等固结状态下,进行了循环扭剪试验。分别研究了循环剪切应力路径、初始主应力方向、初始偏应力比、初始中主应力系数等因素对孔压与累积耗散能关系的影响。初步建立了复杂应力条件下饱和松砂的孔隙水压力增长的能量模式。     

主应力方向循环变化对饱和松砂不排水动力特性的影响

利用新研制的土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪进行了主应力轴循环变化的多种模式竖向和扭转双向耦合循环剪切及普通循环扭剪试验。针对福建标准砂, 在均等固结条件下着重研究了振动过程中主应力方向的不同变化模式对饱和松砂不排水循环特性的影响。试验研究结果表明: 振动过程中主应力方向的变化方式对饱和砂土不排水动强度具有显著的影响, 在所采用的五种类型循环剪切应力路径中, 主应力方向连续旋转条件下的动强度最低。进一步的研究发现: 对于初始均等固结条件,分别采用初始平均有效固结压力和循环破坏次数归一化的循环孔隙水压力比与循环次数比之间的关系与振动过程中主应力方向变化方式无关, 这种归一化循环孔隙水压力比随广义剪应变的变化规律及累积广义剪应变与循环次数比之间关系均与振动过程中主应力方向变化方式无关。     

基于功能系统分析技术的葵岗隧道围岩施工方案选择研究

 基于价值工程中的功能系统分析技术,结合专家知识和群决策(DSS)技术,对高速公路隧道施工方案的优化选择方法进行研究,建立一个针对不同围岩类别的施工方案优化理论模型。然后结合一个具体案例(葵岗隧道施工优化)来阐述该模型的应用。实践证明,这种模型很适合大型隧道工程的施工方案优化选择决策。     

考虑主应力轴旋转效应的交通荷载下饱和软黏土变形特性试验研究

 采用空心圆柱扭剪仪对原状饱和软黏土开展交通荷载诱发主应力幅值与主应力轴旋转耦合加载路径下的不排水试验研究。通过与循环三轴压缩试验对比,探讨主应力轴旋转对孔压、变形和应力–应变的影响。分析广义剪应力对循环刚度和非共轴性的影响。试验结果表明,相比较循环三轴试验,交通荷载应力路径下所诱发的主应力轴旋转使孔压和应变显著变大,应力–应变滞回圈刚度显著弱化。循环耦合加载路径下,存在剪切应力–应变和正偏应力–应变2种响应,应力–应变刚度呈现各向异性弱(强)化,应变增量矢量有显著的非共轴性,非共轴性有显著分段特征。较低剪应力水平下,应变路径轨迹趋于稳定,循环刚度表现为强化,非共轴性趋于增大;而较高剪应力水平下,应变路径轨迹趋于破坏,随循环弱化,非共轴性减小。     

主应力轴往复循环旋转下砂土的变形特性研究

针对波浪、交通等动荷载下土体所受应力状态往往具有主应力轴循环旋转这一特性,本文对粉细砂进行了一系列主应力轴往复循环旋转应力路径下的空心圆柱扭剪试验,分析了粉细砂在主应力轴往复循环旋转条件下的基本变形规律,并重点研究了粉细砂的非共轴变形特性。通过试验发现,在主应力轴往复循环旋转的应力路径下,粉细砂会产生明显且随旋转次数增加逐渐累积的塑性变形;中主应力系数和循环起始角度对粉细砂轴向应变、剪切应变及体应变等的变化有着明显影响;主应力轴往复循环旋转过程中砂土的非共轴角不可忽略,其变化规律受循环起始角度的影响;主应力轴旋转方向相反时,对应于同一主应力方向角非共轴角会相差90°左右。     

偏应力往返作用下饱和砂土变形特性的试验研究

在固结排水条件下保持球应力不变,进行了偏应力往返作用下的动三轴试验,分析了饱和砂土的体积变形特性。结果表明:(1) 体应变可视具体条件表现为C1型剪缩(初次加荷)、C2型剪缩(卸荷前未产生剪胀)、C3型剪缩(卸荷前产生剪胀)、剪胀P及剪刚R(再加载无胀缩)等物态有规律的变化;(2) 各物态的体应变均与所作用的偏应力比有良好的线性关系。其参数与综合反映应力特征及土性特征的各物态起始体应变间均有良好的指数或直线关系;(3) 体应变可跟踪偏应力的往返变化,区分加荷、卸荷段的各不同物态,依序考虑各物态起始时的体应变,在对应确定相应参数的基础上进行计算,计算的结果与试验关系间有良好的一致性。     

砂土在小应变下考虑应力路径影响的本构模型的试验研究

以标准砂为试样,利用GDS数字控制应力路径三轴仪进行了K0初始应力条件下8条特殊应力路径试验。在小应变区域内,通过刻画在应力空间的等应变应力线的变化规律,推导了可以考虑任意应力路径和应力路径方向变化的杨氏模量计算方法,并对泊松比进行了研究,建立了砂土在小应变区域内可以考虑复杂应力条件的本构模型。模型可以反映小应变时砂土的高模量、非线性以及模量急剧变化等主要特征;也可以模拟一般模型所不能考虑的应力路径方向变化引起的模量变化。     

双向耦合剪切条件下饱和砂土动强度特性试验研究

针对饱和粉细砂,利用双向耦合多功能剪切仪进行了均等固结条件下的循环耦合剪切试验。应用已有的动强度定义,着重研究了双向动荷载的相位差β,双向动荷载的幅值比值λ对砂土动强度及孔压特性的影响。实验结果表明,砂土液化动强度与相位差β及幅值之比λ密切相关,现有的动强度定义在复杂加载情况下具有一定局限性;双向动荷载相位差β以及幅值比值λ对孔隙水压力增长速度影响显著,但对归一化孔隙水压力发展模式没有显著的影响。