基坑坑底土卸载残余应力特性及其应用

土是一种非弹性的多相散体材料,加载过程中发生的塑性变形在卸载时难以恢复,由此形成的内部变形约束会导致土体内部存在残余应力。本文利用自制的小型模型装置和K0压缩固结仪,对干砂与饱和黏土进行了加、卸载试验,测试了土中竖向和水平向应力以及卸载回弹变形,由此分析了竖向应力残余率和水平应力残余率随卸载比的变化特征。结果表明,在卸载过程中,土中竖向应力和水平向应力的释放是不同步的,且水平向应力残余率比竖向应力残余率要高。在软土地区的基坑工程中,常需加固坑边坑底土以提高水平抗力和刚度,加固坑中坑底土以提高抗隆起能力,本文的研究结果对此设计将具有指导意义。     

考虑残余应力的基坑被动区土压力及强度计算

基坑开挖过程中坑内土体处于竖向卸荷状态,而土体在卸荷过程中是普遍存在残余应力的。为了分析土体卸荷引起残余应力对基坑被动区土压力及强度的影响,进行砂的静力模型加卸载试验,通过试验得到砂在卸荷过程中应力变化规律,即在卸荷初期砂中应力几乎不变,在荷载完全卸除后仍存在残余应力。通过分析影响土中残余应力的因素,建立归一化参数——残余应力系数ξ和卸荷比R之间的函数关系,结合坑内土体的受力特点,建立基坑被动区残余应力的计算公式。结合既有试验成果,提出利用考虑残余应力的竖向土压力和加载时的静止侧压力系数来计算基坑被动区土压力的方法。建立考虑残余应力的基坑被动区抗剪强度计算方法,并与室内试验结果进行对比,验证方法的正确性。     

黏弹性分数导数型饱和土中球形空腔的动力响应

基于Biot理论,在频率域内研究了黏弹性分数导数型饱和土中球形空腔的动力响应。利用分数阶导数黏弹性模型描述土骨架的应力–应变本构关系,并采用与土体孔隙率有关的应力系数合理地确定了衬砌和孔隙水分别承担的内水压力值。通过土体和衬砌接触面处的连续性边界条件,得到了内水压力作用下黏弹性分数导数型饱和土体中球形空腔的稳态动力响应。考察了物性参数对响应幅值的影响,研究表明：土体黏性和材料特性以及多孔柔性衬砌和饱和土的相对渗透性,对系统响应有较大的影响。     

压缩过程中非饱和膨胀土体变特征与持水特性的水力耦合效应

土体压缩是岩土工程领域的基本问题。压缩过程中非饱和土的力学与水力学行为是同时发生且相互影响的,有必要统一考察体变特征与持水特性的水力耦合效应。为此,以荆门弱膨胀土为研究对象,开展土中水密度试验、饱和与控制吸力下的非饱和一维压缩试验,准确测量了压缩与卸荷回弹过程中孔隙比–重力含水率–吸力–竖向净应力关系,探讨了水力耦合状况下非饱和膨胀土的体变特征与持水特性规律,并建立相应本构描述。结论如下:1加载段,非饱和压缩曲线均发生明显转折,体现出屈服行为;随吸力增大,压缩曲线依次发生"穿越"现象;卸载段大体呈线性,其斜率随吸力增大而降低。提出能够描述干缩、压缩、卸荷体胀、屈服、压缩性与卸荷回弹性随吸力变化等行为的非饱和土体变方程,可直接用于分层总和法计算。2不同吸力下重力含水率变化存在较大差异;压缩至2941.8 k Pa时,不同吸力下含水率非常接近。吸力与竖向净应力对含水率变化的耦合影响可用3参数Logistic函数描述。3压缩过程中饱和度随竖向净应力增大而增大,卸荷过程中随竖向净应力降低亦增大。采用饱和度或重力含水率,对压缩过程中的水力路径会出现"湿化"与"脱湿"的不同判断,即水力耦合状况下土体表现出复杂的持水状态变化特征。     

含水率及应力对原状黄土静止侧压力系数的影响EI北大核心CSCD

天然土层静止侧压力系数的确定是岩土工程中一个十分重要的问题。用可以测量侧向应力的K_0固结仪对不同含水率Q_3原状黄土进行侧限压缩试验,分析加载卸载路径、竖向应力及含水率对侧向应力及静止侧压力系数的影响,基于试验结果提出加载时静止土压力系数K_0与竖向应力及含水率关系的表达式。研究结果表明,原状黄土的静止土压力系数值不是常数,且不能用Jaky公式进行预测,而是与竖向应力、含水率及加卸载条件密切相关;加载时K_0随竖向应力的增大而增大且趋于稳定值,卸载时静止土压力系数K_(0OC)随竖向应力的减小而增大,且可能大于1;加载及卸载时静止土压力系数皆随含水率的增大而增大;含水率及竖向应力相同时,卸载时K_(0OC)值比加载时K_0值大。加载时不同含水率原状黄土的K_0与竖向应力关系皆可以用双曲线模式描述,用此模式可以较好地预测K_0值;卸载时K_(0OC)与超固结比间呈幂函数关系,但幂指数不等于前人的建议值。     

平面应变加、卸荷条件下考虑初始应力的原状黄土#br# 强度与变形特性试验研究

针对黄土工程中的众多平面应变加、卸载问题,利用平面应变改造后的西安理工大学真三轴仪,模拟黄土原位沉积方向及不同初始应力状态,在不同围压下对不同初始应力状态原状黄土进行竖向加载和侧向卸载平面应变试验,揭示不同初始应力状态原状黄土在加、卸载不同应力路径条件下的强度和变形特性。研究结果表明：两种应力路径条件下的应力应变曲线均呈硬化型,加载曲线均高于卸载,加载强度大于卸载强度,但卸载时,土的强度发挥较快。剪切过程中,黄土的侧向变形与竖向变形均呈非线性关系。竖向加载时,土的初始应力状态k值对土强度和变形的影响与固结围压的大小关系紧密;侧向卸载时,k值的增大可以限制侧向变形的发展。竖向加载条件下的体积应变均为剪缩,侧向卸载时均为剪胀。加、卸载条件下p-q平面内的破坏强度线基本一致,近似呈线性关系。侧向卸载条件下土体破坏时的应变远小于竖向加载和常规三轴试验。随着k值的增大,加、卸载应力路径时,黏聚力均线性减小,内摩擦角均线性增大。     

含水率及应力对原状黄土静止侧压力系数的影响

天然土层静止侧压力系数的确定是岩土工程中一个十分重要的问题。用可以测量侧向应力的K_0固结仪对不同含水率Q_3原状黄土进行侧限压缩试验,分析加载卸载路径、竖向应力及含水率对侧向应力及静止侧压力系数的影响,基于试验结果提出加载时静止土压力系数K_0与竖向应力及含水率关系的表达式。研究结果表明,原状黄土的静止土压力系数值不是常数,且不能用Jaky公式进行预测,而是与竖向应力、含水率及加卸载条件密切相关;加载时K_0随竖向应力的增大而增大且趋于稳定值,卸载时静止土压力系数K_(0OC)随竖向应力的减小而增大,且可能大于1;加载及卸载时静止土压力系数皆随含水率的增大而增大;含水率及竖向应力相同时,卸载时K_(0OC)值比加载时K_0值大。加载时不同含水率原状黄土的K_0与竖向应力关系皆可以用双曲线模式描述,用此模式可以较好地预测K_0值;卸载时K_(0OC)与超固结比间呈幂函数关系,但幂指数不等于前人的建议值。     

复杂加载下统一硬化模型的有限元应用

等幅循环加卸载条件下,经典弹-塑性模型无法描述再加载过程中土体的塑性变形。统一硬化模型参数与Cam-clay模型完全相同,不仅能够描述土的剪缩、剪胀、硬化、软化和应力路径依赖性等特性,而且能够描述循环加载条件下再加载过程中土体发生的塑性变形。通过将UH模型推广应用到复杂加载情况,并进行循环荷载作用下地基承载力有限元的模...     

基于SCPTU原位状态参数确定方法及液化应用试验研究

状态参数可以有效地评价无黏性土的相对密实度和液化势。然而,目前状态参数的确定主要依赖于室内试验,难以反映现场土层的真实状态。地震波孔压静力触探(SCPTU)测试可以获取土层的原位锥尖阻力、侧壁摩阻力、孔隙水压力与剪切波速等原位参数。本文基于SCPTU测试确定状态参数的研究成果,根据3个工程场地的SCPTU原位测试资料,首先对不同状态参数评估方法进行了比较,其次建立归一化剪切波速V_(s1)与原位状态参数的相关关系,绘制剪切波速与有效应力(V_s-σ′_(v0))平面中状态参数剖面等值线图;提出归一化小应变刚度(G_0/q_c)与状态参数的修正模型。最后应用于无黏性土密实度与液化势的评估中。结果表明:本文提出的2种计算方法能够有效地评估无黏性土的状态参数,并且预测的状态参数可有效地用于评价土体密实状态与液化势的可靠判别。     

正常固结原状饱和黏性土的三剪统一结构性本构模型

基于扰动状态概念,采用非线性弹性本构模型来表征原状黏性土的相对完整状态,将三剪统一强度准则与修正剑桥模型相结合来表征原状黏性土的完全调整状态,提出了饱和原状黏性土结构性本构模型。通过坐标平移法确定的破坏应力比使所提出模型能够反映全应力状态变化下的强度区间效应和拉压差,也能够描述黏聚力在土体受力过程中的作用。为验证所提出模型的正确性,以江西原状饱和红黏土为试验土样,做了排水和不排水条件下的常规三轴压缩试验,将模型计算结果与试验结果进行对比,结果表明,所提模型能够较好地反映江西原状饱和红黏土的力学和变形特性。     

平面应变加–卸载试验中砂土的黏性特征及本构模型化

 通过丰浦砂的平面应变循环加载试验,分析砂土在加–卸载条件下相应的黏性特征。试验比较不同加载应变速率下2组砂土的应力–应变响应,进行蠕变加载,着重研究卸载过程中砂土的黏性特征。试验表明砂土的黏性特征与加载速率以及应力水平密切相关,且加载速率变化所引起的砂土黏性会随着加载的继续和应变的增大而逐渐衰减。卸载开始后,砂土垂直应变并未立即降低,而在一段时间范围内仍旧保持增大趋势。卸载过程中的蠕变试验还表明砂土具有“蠕变恢复”的特性。针对砂土的以上黏性特征,基于三要素模型的基本框架,提出瞬时黏性效应(TESRA)模型用以模拟加载和卸载阶段砂土黏性特征。根据试验所得到的砂土应力–应变关系,对第一次加载循环(初始加载–卸载)的砂土应力–应变响应和时程响应进行模拟,并证明瞬时黏性效应(TESRA)模型能够比较精确地模拟砂土在加–卸载循环中的黏性特征。     

Prediction of Lateral Effective Stresses in Sand using Artificial Neural Network

Predicting the lateral effective stress and the coefficient of lateral earth pressure at rest values is an important task in geotechnical engineering since it is used in the design and analysis of earth retaining structures, slope stability, piles and pier foundations. It needs sophisticated test procedures. The laboratory and in situ tests are also expensive and time consuming. In this study, an artificial neural network model is developed to predict the σ′_h, lateral effective stress in cohesionless soils. Back propagation neural networks are used for function approximation and model has been trained by Levenberg-Marqurdt (LM) learning algorithm. The data used in the running of network models have been obtained from extensive series of oedometer tests on Kilyos, Ayvalik and Yalikoy sands. Tests were carried out on loose, medium dense and dense state of compactness in normal loading, unloading and reloading conditions. The test results demonstrate that there is a linear relationship between vertical and lateral stresses for normally loaded cohesionless soils under K₀ conditions. K₀ values obtained for the loose state of compactness are higher than for the dense state of compactness. The results of the artificial neural network model indicate that the model serves as simple and reliable tool to predict σ′_h and also K₀ in cohesionless soils. The variation of K₀ values with internal friction angles is obtained and a simple expression is derived from this relationship.     

Hoek-Brown准则在初始地应力场评估中的应用研究

以基于岩体波速的Hoek-Brown准则为理论基础,根据岩体的稳定性条件建立了初始地应力场中水平地应力σ_H取值范围的计算模型,并通过已有的地应力测量数据验证了计算模型的合理性。在该计算模型的基础上,对平均水平地应力σ_Hmean、水平地应力和垂直地应力的比值σ_H/σ_V、侧压系数λ沿深度h的分布特征进行了研究,从岩体稳定性的角度较合理的解释了σ_H/σ_V在地层中的分布现象。在给定σ_Hmean和λ沿h分布的边界条件的基础上,建立了σ_Hmean和h之间、λ和h之间的非线性函数关系式,并将后者应用于工程实例中的初始地应力场计算。结果表明:在此初始地应力场条件下模拟出的岩体开挖后的应力和位移分布与现场地质调查情况基本相符,在地应力资料缺乏的情况下为初始地应力场评估提供了新的思路和方法。     

不同温度梯度冻结深部黏土偏应力演变规律研究

 采用先冻结后K0固结(FC)的传统冻土试验方法进行4种不同温度梯度冻结深部黏土的加、卸荷三轴试验,研究不同温度梯度冻结深部黏土在加、卸荷过程中的偏应力增长速率及偏应力的衰减规律。结果表明：不同温度梯度冻结深部黏土加、卸荷过程中偏应力增长速率与均匀温度下的试验结果基本相同,均可用变换的Duncan- Chang双曲线模型进行拟合,但温度梯度对冻结深部黏土偏应力增长速率衰减影响程度远大于温度;温度梯度减弱冻结黏土偏应力增长速率,同时抑制其衰减程度,这种弱化效应在加、卸荷初期最为显著;相同轴向变形对应的偏应力随温度梯度增长而衰减的规律可以通过衰减因子A加以描述,A与温度梯度的之间的关系符合广义双曲线模型;卸荷过程明显增加了加、卸荷初期冻结黏土偏应力增长速率的衰减,且随温度梯度增长,卸荷过程对冻结深部黏土偏应力衰减幅度和衰减速率影响均大于加荷过程;不考虑冻结壁(冻土墙)冻土温度的非均匀性以及卸荷路径的影响将高估冻土强度。     

平行黏结模型中细观参数对宏观特性影响研究

 采用理论分析与数值模拟相结合的方法,对平行黏结模型中细观参数对宏观特性的影响进行系统研究。首先通过理论研究,定性提出细观参数与宏观特性的理论公式,然后运用PFC2D数值模拟,定量地给出两者之间的关系式。研究表明：(1) 计算模型宏观弹性模量主要由颗粒接触杨氏模量和颗粒黏结杨氏模量决定,且与二者均呈线性关系,同时受颗粒接触法向刚度与切向刚度之比、颗粒黏结法向刚度与切向刚度之比及颗粒尺寸的影响,且均呈对数关系;(2) 泊松比主要由颗粒刚度决定,且呈对数关系,受颗粒尺寸的影响较小;(3) 抗压强度由颗粒黏结应力比?b,m/?b,m决定,受颗粒摩擦因数?的影响轻微,当0＜?b,m/?b,m＜2时,抗压强度主要受?b,m的影响,当?b,m/?b,m≥2时,抗压强度主要受?b,m的影响。并给出具有一定参考意义的相关关系式,结合实例进一步对相关分析式的可靠性进行论证。研究成果对快速、合理确定PFC模型细观参数具有指导意义。     

轴向应力循环加卸载作用下含瓦斯煤渗透性研究

 针对构造煤渗透率对轴向应力循环加卸载的响应特征,利用自行研制的含瓦斯煤热–流–固耦合三轴渗流试验装置,进行试验研究,并结合试验结果进行渗透率动态模型分析,结果表明：含瓦斯构造煤的渗透率与应变的关系呈斜“V”字型走势,峰值强度后,煤样渗透率增加趋势明显,且增速大于初始压缩阶段渗透率的降速;煤样渗透率与轴向应力在加卸载过程中符合负指数函数分布,渗透率在加载过程中减小,卸载过程中有所恢复,渗透率与有效应力未形成封闭曲线,循环加卸载使煤样中孔隙进一步压缩,渗透率损失量增大,同时渗透率对于有效应力的敏感度降低;通过引入加载过程渗透率敏感性损失因子及卸载过程中渗透率损耗因子,建立循环加卸载过程中渗透率与有效应力的动态演化模型,试验数据与理论计算数据对比验证了模型的适用性。     

高地应力条件下卸荷速率对锦屏大理岩力学特性影响规律试验研究

 岩石所处的初始应力状态及开挖等工况诱发的卸荷速率大小对其力学特性具有明显的影响,通过室内三轴卸荷试验和破裂断口的SEM细观扫描分析,研究高应力环境中不同卸荷速率下锦屏一级水电站大理岩的变形破裂及强度特征。卸荷速率vu和初始围压 越大,岩石脆性及张性断裂特征愈明显,快速双向卸荷时甚至可在次卸荷方向产生张拉裂缝。张性破裂断口细观形态随vu和 的增大依次呈现“树枝形张裂状”、“千层饼形撕裂状”和“近光滑平面形弹射状”;卸荷过程中轴向压缩应变增量 随vu和 增大而减小,而侧向膨胀应变增量 却增大;不同的卸荷变形阶段卸荷速率vu对变形模量E的影响规律不同,峰前E随vu的增大而增大,而峰值E随vu增大先逐渐增大再迅速降低;卸荷过程中岩石的泊松比 逐渐增大,并随vu和 增大而显著,特别是从峰值点后;相对于加载试验,卸荷条件下岩体的黏聚力c大大减小,而内摩擦角j却有少量增大,vu越快,c减小得越多,j增大的较少。     

考虑坑侧堆载基坑开挖土体应力路径试验研究

基坑开挖过程中,基坑坑侧各区域土体受到不同程度的卸荷或堆载作用,从而呈现出复杂的应力路径。因此,开展了常规三轴固结不排水剪切试验、K₀固结不排水剪切试验、K₀固结侧向卸荷试验和K₀固结侧向卸荷轴向加荷试验等不同的应力路径试验,来研究基坑开挖前后基坑坑侧土体的不同应力路径变化情况,比较分析了各应力路径条件下土体的抗剪强度、应力应变的变化情况,归纳了基坑开挖前后复杂应力路径条件下土体的应力变形及强度特征。研究表明,在不同的应力路径条件下,土体所对应的应力变形及强度参数,具有明显的差异性;软黏土在不同的侧向卸荷应力路径情况下,应力应变曲线均呈现应变软化型,且侧向卸荷对土体强度影响较大,坑侧堆载引起的轴向加荷对土体强度变化也有一定影响。     

裂隙岩体卸荷渗透规律试验研究

边坡开挖等岩体工程使得岩体形成卸荷作用,同时引起岩体中地下水性态的改变。水库蓄、放水使库岸边坡产生加载、卸荷效应,库岸边坡的稳定性受到影响。这都涉及到有关卸荷-渗流问题,因此研究裂隙岩体卸荷渗透规律具有重要意义。文章通过裂隙岩体的卸荷-渗流试验,探讨了裂隙岩体的渗透系数在卸荷过程中的变化规律,不仅揭示了裂隙岩体渗透系数与卸荷量的近似双曲线关系,还验证了裂隙岩体在加载、卸荷过程中渗透系数的迟滞现象。同时从理论上推导了裂隙岩体卸荷量与渗透系数之间的关系式,并对式中的试验系数进行了优化计算,其计算结果与试验结果吻合较好。