二维有限区域饱和软土Biot固结的数值模拟

针对二维有限矩形区域饱和软土固结问题,选取四种不同边界条件组合,利用数值模拟方法研究了在上表面剪切载荷作用下土体沉降变形的特征和规律。结果表明:在剪切载荷单独作用下,土体位移以水平位移为主,同时竖向位移也客观存在。这反映了土体固结过程中流固耦合的物理现象。土层最终变形量(沉降和水平位移)由剪切载荷与土体物性决定,与边界透水性无关;边界条件对土体的变形模式有着决定性影响。剪切载荷作用、法向载荷作用及二者联合作用的计算结果对比表明:虽然软土Biot固结是复杂的流固耦合过程,但在这个过程中载荷叠加原理依然成立。     

SEVERAL PROBLEMS ON THEORY OF THE ANISOTROPIC BOUNDING SURFACE MODEL

土体边界面模型通过采用塑性模量场插值,来反映土体变形的非线性,边界面模型适合对小应变情况下的土体非线性变形进行模拟. 在Wheeler 模型的基础上,结合边界面理论,构造一个土体各向异性边界面模型,模型可以反映天然土体的各向异性特性. 本文对该模型研发过程中遇到的几个问题进行理论探讨,为理解和掌握各向异性边界面理论,并进一步进行新型边界面模型的研发,提供了理论借鉴.     

考虑刀盘影响的饱和土盾构对地层干扰分析

为深入研究盾构施工过程中饱和土所受扰动问题,在已有研究的基础上,使用Biot固结方程变换求解得出的土体初始位移解和超孔隙水压力解,经坐标变换,推导了包括面板式刀盘与辐条式刀盘在内的,刀盘正面摩擦力和刀盘侧面摩擦力引起饱和土体竖向变形与孔隙水压力值解析式,对引起土体变形各因素进行模拟,并给出了盾构施工引起饱和土竖向总变形与总超静孔隙水压力的表达式。结合工程算例进行计算模拟,切口附加推力、盾壳摩擦力、土体损失的沉降曲线在垂直于盾构推进方向上对称分布,最大值集中在盾构轴线正上方。盾构刀盘正面与侧面摩擦力对地表盾构轴线两侧产生非对称变形,在盾构轴线正上方的地表处刀盘因素对地表变形基本无影响。两类刀盘对地表变形影响区别不大,辐条式刀盘在刀盘所处断面处引起隧道周围孔隙水压力的响应较为明显,沿盾构方向衰减也较快。     

饱和土–隧道动力响应的2.5维有限元–边界元耦合模型

针对饱和土中异形隧道的三维动力响应问题,建立了2.5维有限元与边界元耦合模型.将隧道结构视为弹性体,采用2.5维有限元建立隧道模型;将地基土视为饱和多孔介质,采用2.5维边界元建立饱和土体模型.借助组合辅助问题基本解消除了边界积分方程的奇异性.利用饱和土与隧道接触面的位移、面力连续和完全透水或完全不透水边界条件,实现2.5维有限元和边界元模型的耦合求解.模型具有计算效率高、适用范围广的优点.通过与完全透水和完全不透水边界条件下轴对称问题的半解析解以及单相介质的2.5维有限元与边界元耦合模型对比,验证了本文模型的正确性.最后利用该模型计算了饱和土体中类矩形隧道在移动载荷作用下的三维动力响应,分析了不同土体渗透性下位移及孔隙水压力沿隧道轴向、环向和深度的分布规律.结果表明:(1)孔隙水压力随土体渗透性增大而显著减小,位移受土体渗透性影响小;(2)位移及孔隙水压力在隧道环向主要分布在距载荷作用点两侧约2 m的范围内;(3)孔隙水压力沿深度的衰减比土体位移快,且孔隙水压力和轴向位移沿深度的分布受土体渗透性影响大.     

橡胶圆柱体的平面外剪切变形分析

利用Gao Y C给出的一类不可压缩的应变能函数,分析了不均匀橡胶圆柱体受平面外剪切变形问题.通过平面外剪切变形问题的变形模式,并结合应力和位移的边界条件以及界面连续条件得到了位移场和应力场在瞬时构型中的解析解,并讨论了材料的不均匀性对位移场及应力场分布的影响.结果表明:不均匀模型可以方便地退化成均匀模型;橡胶圆柱体的不均匀性对位移场和应力场的分布有着重要影响.     

测量土体内部位移场的一种新方法

采用数字图像相关分析方法,对砂土受均布荷载作用的全场位移进行了测试分析,并与传统的布辛奈斯克解计算结果相比较,得到了满意的效果,该法在连续体的位移场测量方面已有广泛应用,而用于土体的位移测量却少见,测得位移场后,再根据土的本构关系即可求得相应的应力场。这为土体模型试验中量测变形开拓了新的途径,也为岩土和地基工程的深入研究提供了一种更有效的方法。     

层合板六参量几何非线性高阶剪切理论

提出了层合板六参量的高阶剪切变形理论的位移场假定,以考虑在大变形条件下层合板法向变形和厚度的变化。同时对ｖｏｎ Ｋａｒｍａｎ应变位移简化假设进行补充修改,考虑某些有限变形条件下被忽略小量的影响,建立了对应于该文六参量模型和更加适凳大变形分析的层合板几何非线性关系,平衡方程和边界条件。利用该文模型分析了橡胶复合材料简支板的大变形弯曲行为,并对比Ｒｅｄｄｙ五参量几何非线性简单高阶剪切变形层合理论解和弹     

饱和黏土中考虑土塞效应的柱孔扩张分析

为研究静压开口管桩的挤土效应,在考虑土塞效应的前提下,采用柱孔扩张理论对管桩压入饱和软黏土时的扩孔过程进行了分析。基于可以合理描述黏性土强度特性的拓展Lade-Duncan屈服准则,对柱孔扩张过程中的桩周土体进行了弹塑性理论推导,得到了桩周土体应力场、位移场、塑性区半径、极限扩孔压力和塑性区外侧边界径向位移的解析解。在此基础上,通过室内模型实验获得了软土中开口管桩的土塞高度,且运用等效替代法验证了理论解答的合理性;并通过引入土塞长度比对参数进行了分析。结果表明:在沉桩过程中随着土塞长度比的增大,塑性区半径、极限扩孔压力和塑性区外侧边界径向位移均逐渐减小;土体的剪切模量和黏聚力对沉桩挤土效应有显著的影响,挤土效应始终随着土塞效应的增强而减弱。该研究成果对开口管桩工程的实际应用具有一定理论指导意义。     

考虑侧面摩擦的侧限压缩模型的数值解法

海上箱筒型基础结构下沉到位后,舱内土体的受力变形可以看作是侧限压缩模型问题,上部荷载引起的侧壁摩擦力与土体应力之间的关系较为复杂。本文通过简化模型,列出了侧限压缩模型的平衡微分方程,分析了方程解析计算时存在的难点,结合摩擦应力边界条件的特点,构造函数迭代法对该方程进行数值求解,展示了计算的收敛过程,得到接触侧面上水平应力和土体表面位移的非线性分布规律,并将其结果与ABAQUS数值模拟结果进行了对比。结果表明,函数迭代法收敛速度较快,计算过程稳定,对其他存在变量耦合边界条件的微分方程数值求解有一定的参考价值。     

考虑侧面摩擦的侧限压缩模型的数值解法

海上箱筒型基础结构下沉到位后,舱内土体的受力变形可以看作是侧限压缩模型问题,上部荷载引起的侧壁摩擦力与土体应力之间的关系较为复杂。本文通过简化模型,列出了侧限压缩模型的平衡微分方程,分析了方程解析计算时存在的难点,结合摩擦应力边界条件的特点,构造函数迭代法对该方程进行数值求解,展示了计算的收敛过程,得到接触侧面上水平应力和土体表面位移的非线性分布规律,并将其结果与ABAQUS数值模拟结果进行了对比。结果表明,函数迭代法收敛速度较快,计算过程稳定,对其他存在变量耦合边界条件的微分方程数值求解有一定的参考价值。     

油松和落叶松根与土界面摩擦特性

通过直接拉拔试验研究了加载速率、根系埋深和不同树种对根系与土体的摩擦特性的影响.结果表明：被拉断的根系最大拉拔力和位移关系曲线分为陡峭上升和陡峭下降两个阶段,被拔出的根系最大拉拔力和位移关系曲线分为陡峭上升、陡峭下降和平缓下降3个阶段;加载速率或埋深增大时,根土静摩擦力及其对应位移亦增大;落叶松的根土静摩擦力及其对应位移比油松的根土静摩擦力及其对应位移大.     

Experimental study of frontal resistance force in soil cutting

The paper presents an experimental study of the frontal resistance forces in soil cutting, with emphasis on their dependence on tool displacement during the loading and unloading stages under quasistatic and dynamic regimes. Laboratory tests on undisturbed soil, using specially developed equipment, showed that:During the loading stage, at pre-limiting levels of the frontal resistance force, the soil undergoes both reversible and residual deformations.At the onset of the unloading stage, the restoring force undergoes a downward jump.The limiting value of the frontal resistance force increases considerably in the cutting velocity interval of 0.1 to 3–5 mm/s; at higher velocities, up to 25 mm/s, this force slowly. At the initial velocity of 3 m/s, the limiting value of the frontal resistance force exceeds by about 20% its counterpart appearing at the velocity of 0.1 mm/s.The frontal resistance force is linearly related to the tool width and non-linearly to the depth of cutting.     

软粘土卸载特性计算模型研究

本文从三个方面对软粘土的卸载特性进行了理论研究。采用太沙基一维固结理论，编制了内嵌固结计算的修正剑桥模型程序．对软粘土卸载强度进行了分析。推导了基于修正剑桥模型的孔压表达式并编制了相应的程序对软粘土的卸载孔压特性进行了研究，结果显示，在伸长条件下．孔压先由零逐渐发展到负的最大值．然后又逐渐减小至零。突破零位后，发展成为正孔压并最后达到正的最大值。围压越大，产生的负孔压的极值越大，最终的正孔压越小。将传统边界面模型的线弹性卸载过程改进为弹塑性．建立了软粘土的边界面广义弹塑性模型，从而使边界面模型可用于分析软粘土卸载过程中的塑性变形问题。理论分析结果与试验进行了比较验证，证明理论研究方法是可行的。     

散粒体卸载特性的三轴伸长试验研究

根据岩土体的加卸载变形过程和应力状态,卸载曲线分为弹性卸载段和卸载伸长段.采用三种不同粒径的玻璃珠和标准丰浦砂散粒材料进行了三轴伸长卸载试验,对比分析了不同材料、初始偏应力和不同围压下散粒体的卸载特性.研究表明散粒体的单向伸长卸载强度主要取决于与卸载方向垂直的围压和颗粒的内摩擦,且与围压成线性关系,初始偏应力状态及各向异性对于散粒体的伸长强度无影响,但影响其破坏发展形态.此外,材料特性包括表面粗糙度和级配、孔隙率等对内摩擦及伸长卸载特性均有影响.     

弹塑性微凸体侧向接触相互作用能耗

传统的结合面研究多基于光滑刚性平面与等效粗糙表面接触假设,忽略了结合面上微凸体侧向接触及相邻微凸体之间的相互作用,这导致理论模型与实际结合面存在较大出入.针对承受法向静、动态力的机械结合面,从微观上研究了微凸体侧向接触及相互作用的接触能耗.将法向静、动态力分解为法向分力和切向分力,获取弹性/弹塑性/塑性阶段考虑微凸体侧接触及相互作用的加、卸载法向分力-变形和切向分力-位移的关系.通过力的合成定理,从而获取加、卸载法向合力与总变形之间的关系,由于法向分力产生的塑性变形及切向分力产生的摩擦,导致加载、卸载法向合力-总变形曲线存在迟滞回线.通过对一个加、卸载周期内的法向合力-总变形曲线积分,获得一个周期的微凸体接触能耗,包括应变能耗及摩擦能耗.仿真分析表明:微凸体在3个阶段的能耗均随变形的增大而非线性增大.微凸体侧向接触角度越大,能耗越大,且在弹性阶段最为明显.在弹性阶段,仅存在侧向的摩擦能耗,故结合面在低载荷作用下必须采用双粗糙表面假设.在塑性阶段,由于微凸体接触能耗为应变能耗,且接触角对其能耗影响甚微,故结合面在大载荷作用下可采用单平面假设对其进行研究.相对于KE和Etsion模型,本文提出的模型与Bartier的实验结果更吻合.     

桩-土接触效应及对桥梁结构地震反应的影响

目前有关涉及桥梁桩基础地震反应的研究大多是基于桩与桩侧土体之间无相对滑动、位移保持协调的假定。本文针对地震作用下桥梁桩基础的接触面效应及其对结构地震反应的影响问题,以某桥梁工程为背景,通过在桩-土交界面处设置接触单元来模拟桩-土间的接触非线性,建立了土-桩-桥梁结构相互作用体系的三维分析模型。利用这一模型,分析了地震作用下桩-土交界面处的动力反应形态,探讨了桩-土间的接触非线性及其对桥梁结构地震反应的影响。初步分析结果表明：在强震作用下,桩-土间会产生较强的接触非线性,在本文模型中,这种非线性主要表现为桩-土交界面处的滑移;考虑桩-土间的接触面效应将使结构的位移反应结果较基于桩-土间位移协调的情形有所增大。     

Minimum energy consumption of soil working cyclic processes

Analysis of some experimental studies concerning the processes of soil penetration and cutting indicates that the loading stages of both these processes as well as their unloading stages are respectively analogous. This means that the relationships between the frontal resistance forces of soil and tool displacement for penetration and cutting can be characterized by an identical mathematical model of soil.An analytical investigation of energy consumption for a generalized cyclic soil working process is carried out. This investigation shows that the minimum energy consumption can be reached if, on the loading stage, the tool displacement is equal to a so-called optimum displacement per cycle, which can be calculated according to the formulas derived in this analysis.The necessary and sufficient conditions of existence of optimum displacements per cycle are determined. These conditions are expressed by a definite correlation between some mechanical characteristics of soil.It is shown that the energy consumption of a corresponding quasistatic soil working process considerably exceeds the minimum energy consumption of a cyclic process.     

Uniaxial deformation of a random packing of particles

Summary Mechanical behavior of dense packing spheres with small irregularities is investigated in this paper. A generalization of the hertzian contact model for surfaces of the form x ^k yields a normal contact force F _n , which is proportional to ζ^{1+1/ k} , with the normal displacement ζ. For oblique forces, the frictional force can be calculated, [10]. Different load cases are explained in detail. It is shown that the stress-strain curve during initial loading of the packing is identical with the force-displacement relation at the contact point, using an appropriate constant. The results for uniaxial loading, unloading and reloading are illustrated. As experimentally observed, the axial pressure in unloading is smaller than during loading, while the lateral pressure increases. The stress-strain relation is compared with well-known empirical relations of rock and soil mechanics, and the wave velocity for spherical irregularities agrees with earlier geomechanical theories for random packing of smooth spheres. Received 19 July 1998; accepted for publication 19 October 1998