考虑非共轴特性的吸力桶基础竖向荷载-变形特性研究

土体在剪切变形过程中会产生较为显著的主应力方向旋转,主应力方向与塑性主应变增量方向将呈现出显著的差异即非共轴现象.采用砂土非共轴弹塑性本构模型,以吸力式桶形基础为研究对象,研究土体主应力方向旋转和非共轴角度的变化规律,探讨非共轴特性对地基荷载-位移关系的影响.研究结果表明:在竖向荷载作用过程中,土体主应力方向处于单调旋转状态,吸力桶形基础高径比对土体主应力方向的旋转规律(方向、速率和极值)有显著影响.非共轴特性对荷载-位移关系的发展趋势有显著的减缓滞后作用,该作用在地基变形中期比较显著.随着高径比的增加,非共轴特性逐渐显著,该特性对地基竖向荷载-位移关系的影响逐渐明显.     

基于广义位势理论的非共轴本构模型验证

基于广义位势理论提出的考虑拟弹性塑性变形的弹塑性模型,把塑性应变增量分解为满足弹性分解准则的拟弹性部分和符合传统塑性理论假设的纯塑性部分,这样得到的塑性应变增量方向不仅与应力状态有关,而且与应力增量相关,为解决土的非共轴性问题提供一种有效的方法。通过单剪试验结果及含主应力轴旋转的土体平面问题数值模拟对模型的合理性进行检验。研究结果表明:本文模型计算结果与试验结果吻合较好,且能够描述单剪试验过程中的非共轴现象;此外,与共轴模型数值模拟结果相比,本文模型能够考虑主应力轴旋转产生的土体塑性变形,计算结果更符合实际。     

竖向偏心荷载作用下吸力桶荷载-变形特性非共轴本构数值分析

在竖向偏心荷载作用下建立吸力式桶形基础数值分析模型,采用砂土非共轴弹塑性本构模型研究土体主应力方向旋转和非共轴角度的变化规律,探讨非共轴特性对吸力桶力学特性的影响.主要研究结论表明:在地基变形过程中,非共轴角度呈现先增大后减小的发展趋势.随着偏心距的增加,等效塑性应变在地基中的分布范围逐渐减小,非共轴特性也将减弱,非共轴特性对荷载-变形特性的影响逐渐减弱.对于桶壁端部阻力和桶壁外侧摩擦阻力,非共轴特性的影响随着偏心距的增加而减弱.对于桶体顶部阻力和桶壁内侧摩擦阻力,非共轴特性的影响随着偏心距的增加而逐渐显著.     

非共轴本构模型在吸力式桶形基础承载力数值计算中应用

当吸力式桶形基础承受竖向荷载作用时,其周围地基容易发生整体剪切破坏,由主应力旋转引起的非共轴现象不容忽视.基于有限元软件ABAQUS二次开发端口UMAT,将非共轴本构模型应用到桶形基础的竖向地基承载力问题的有限元计算中.结果表明,非共轴模型对地基的整体剪切破坏模式没有影响,但是对地基竖向承载力-位移曲线具有显著的软化作用,同时,对地基的竖向极限承载力具有降低作用.如果通过竖向位移来确定地基容许承载力,则非共轴模型得到的计算结果是比较安全的.     

非共轴特性对岩土材料应变局部化行为影响的数值研究

岩土材料的各向异性特征使其在主应力旋转的加载条件下出现主应力和主塑性应变率不共轴的现象,而传统的塑性流动理论默认两者是共轴的,导致无法正确预测应变局部化分叉的开始。另外,基于经典连续体理论的传统本构模型在模拟应变局部化边值问题时,由于没有任何内部长度参数,导致无法反映剪切带的宽度及发展演化。为此,本文建立了一个基于微极理论的非共轴弹塑性本构模型,研究岩土材料非共轴特性对剪切带的萌生、宽度和演化的影响,并与基于经典连续体理论的结果进行比较。发现基于微极理论的非共轴弹塑性模型不仅能够准确预测剪切带的萌生,而且能够很好地描述非共轴特性对剪切带宽度的影响。     

考虑小应变下刚度衰减特征的软土本构模型

针对上海软土统一本构模型不能模拟小应变情况下土体剪切模量的衰减特征问题,结合小应变下经典刚度理论对小应变范围内的上海软土统一本构模型进行改进,以使软土本构模型能够模拟土体在小应变下的刚度变化规律,并将模拟结果与上海浅层软土在小应变下的三轴剪切试验结果进行对比,以验证改进的软土本构模型的合理性.结果表明,改进的软土本构模型能够模拟小应变情况下土体较高的初始切变模量及其非线性衰减特征,并能够较好地表征自然黏土体的结构和超固结特性.     

定轴剪切实验中砂土的非共轴变形特性

针对目前主应力轴固定单调剪切情况下砂土是否存在非共轴性这一争议,以山东汶河粉细砂为研究对象,采用空心圆柱仪对砂土进行一系列不同大主应力方向角的定轴剪切排水实验,对饱和砂土的强度、应力应变以及非共轴变形特性进行研究。结果表明:大主应力方向角对于砂土的强度特性具有明显的影响,随着大主应力方向角的增大,强度呈现先减小后增大的规律,同时变形表现出明显的各向异性;更为重要的是,在不同大主应力方向角下进行主应力轴固定单调剪切时,主应力方向与主应变增量方向存在明显的非共轴角,这种非共轴现象不可忽略。     

双向耦合剪切条件下砂土的变形特性

采用空心圆柱扭剪仪对粉细砂进行一系列偏应力幅值和大主应力角同步增大条件下的剪切排水实验,研究该双向耦合条件下饱和砂土的变形规律和非共轴特性,分析中主应力系数等因素对砂土变形特性的影响。结果表明:砂土在该椭圆应力路径条件下产生了一定的塑性变形,并表现出明显的非共轴特性;随着中主应力系数的增大,土体径向应变和体应变逐渐减小,而环向应变由压应变逐渐转变为拉应变;初始偏应力和偏应力增长幅度对土体变形也有明显的影响,随着这两者的增大,土体的剪应变明显增大,体应变也呈现出由体胀向体缩转化的趋势,非共轴角则呈现减小的趋势。     

土体全弹塑性模型及其工程应用

为了模拟基坑开挖卸荷土体变形的全程弹塑性特征,将岩土弹塑性理论引入到Duncan-Chang模型中,建立了一个全弹塑性土体模型,模型的参数可通过三轴试验确定.在分析了基于该模型的基坑开挖数值计算方法的基础上,编制了相应的有限元计算程序,该程序能考虑基坑开挖过程和桩土之间的相互作用.通过对某基坑工程开挖模拟,并与Duncan-Chang模型比较,结合以往分析经验初步验证了模型的合理性.建立的土体模型更适于松砂和粘性土等应变硬化土体的卸荷过程模拟,提高基坑工程等挖方工程的模拟精度.     

上海软土的非共轴修正的弹塑性模型

根据上海粘性土在π平面上屈服函烽的轨迹,将小应变的弹塑性本构方程推广为有限应变弹塑性模型,在此基础上叠加非共轴项,提出上海软土的非轴修正的弹塑性模型。     

土的应力短时型非线性本构模型

提出了一种新的、适用于正常固结土在静荷作用下的应力矢量型非线性本构模型、该模型不仅能够同时考虑应力的大小和方向变化对变形的作用效应,而且能够很好地描述土的非线笥、硬化性、剪胀剪缩性、非共轴性以及变形与应力路径的相关性等多种主要变形特性。     

复合主拱圈弹塑性本构关系等效方法

 基于原拱圈和加固层共同工作、协调变形原理，以复合主拱圈加固圬工拱桥的拱段为研究对象，推导出适合有限元分析的混凝土与砌体理想弹塑性本构关系。对加固后的拱段应用推导的本构关系，采用有限元软件ANSYS建立了数值分析模型，并对该本构关系进行实验校核。结果表明，采用混凝土与砌体理想弹塑性本构关系，有限元数值和实测数值非常接近，有限元极限承载力数值比实测极限承载力数值小6.8%～9.2%；建立的混凝土和砌体的理想弹塑性本构关系在复合主拱圈加固圬工拱桥时可靠性较高，可供同类桥梁结构分析应用。     

倾斜荷载盐渍土地基承载力数值计算与试验研究

盐渍土是一种四相组成的特殊土。这种特殊性导致工程中确定的盐渍土地基承载力尤其在倾斜荷载作用下时,容易出现偏差。本文以柴达木盆地典型盐渍土地基承载力特征为研究对象,采用现场载荷试验和数值模拟计算的方法,研究了倾斜荷载作用下盐渍土地基承载力特征。结果表明,在倾斜荷载作用下,数值模拟计算确定的盐渍土地基承载力特征值和现场试验确定的特征值相差2.37%,数值模拟计算结果和现场试验结果基本一致。在建立数值模拟计算模型时,需要考虑盐渍土地基中存在结晶盐楔体被压碎、溶陷造成土层附加应力非线性分布特征。数值模拟计算结果可做为确定倾斜荷载作用下的盐渍土地基承载力的特征值的依据。     

沉桩挤土作用的有限元分析

进行了沉桩挤土效应的有限元计算，考虑到桩周土体由于桩桩贯入引起的挤土效应，选和了修正剑桥模型作为土体本构模型，通过相应的试验，拟合出挤土作用对土作用土体初始弹性模量影响的计算公式，确定了土体本构模型和其他相关的计算分析参数，对2个试验进行了分析计算，结果表明，考虑土体的塑性性质和桩体贯入过程的挤土效应对分析桩周土体的应力和变形是必要的。     

筒型基础负压沉贯的物性参数动态模型

分析筒型基础负压沉贯的特点,首先,由有效应力原理和瞬时质量守恒原理确定了渗流方程和应力场方程;其次,建立了新的土颗粒本构关系,利用J2流动理论及各向同性硬化原理计算土体颗粒在渗流力作用下的弹塑性变形,利用离散元法求解土体骨架的体应变;然后,在此基础上导出了筒型基础负压沉贯流固耦合的孔隙度、渗透率等动态物性参数模型;最后,利用导出的模型进行了实例计算,检验了模型的理论性.     

横观各向同性岩土结构极限承载力的数值研究

基于Cosserat连续体,建立了描述横观各向同性岩土材料的弹塑性模型,在该模型中,弹性本构关系由5个变形参数描述,塑性阶段通过引入组构张量及加载方向建立了修正的Drucker-Prager准则.针对上述模型推导了一致性映射返回算法的迭代格式及模量矩阵,结合适用于Cosserat连续体的平面应变8节点减缩单元应用ABAQUS用户自定义单元接口UEL进行了数值实现.数值算例分析了各向异性程度和材料主方向对横观各向同性岩土结构的极限承载力和变形局部化模式的影响.结果表明,所建立模型能较好地模拟横观各向同性岩土结构的应变局部化行为,且较好地解决了伴随应变局部化现象出现的网格依赖性问题.     

环境负温与升温温差作用下冻土强度特性试验研究

随着西部经济快速发展,冻土区工程日趋活跃,冻土灾害问题愈显突出。为了减少灾害,提高工程耐久性,必须进行冻土区地基承载力的力学特性与温度变化的关系研究。采用青海省果洛州海拔4 200 m处冻土,在室内模拟不同环境负温与升温温差的冻土常规三轴压缩试验,得到冻土在不同环境负温、不同升温温差下的应力-应变曲线以及强度-温度关系曲线。试验结果表明,低温冻土到高温冻土的破坏特征是由脆性破坏过渡到塑性破坏,其应力应变关系由广义双曲线模型变为邓肯-张模型;环境负温与升温温差的不同,使得冻土强度折减不同;设计冻土区地基承载力时,需根据当地温度和升温温差等变化特点修正冻土区地基承载力特征值。