2.5维有限元分析高铁荷载下弹塑性地基动偏应力与沉降

为分析高铁荷载引起的弹塑性地基动偏应力分布规律并据此开展沉降计算,建立了高铁荷载下弹塑性地基2.5维有限元计算模型,将高铁荷载分别简化为准静态列车荷载和考虑随机激振力的修正列车荷载,对比了2种荷载下弹塑性地基中动偏应力的分布规律,并利用循环荷载下软黏土累积塑性应变模型计算了均质弹塑性地基沉降。研究表明,弹塑性地基中动偏应力呈马鞍形分布,最大值出现在道床边缘附近土体中;车速小于土体瑞利波速时沿地基表面和轨道中心沿深度方向土体动偏应力的衰减曲线光滑,车速接近或大于土体瑞利波速时,在马赫效应的影响下动偏应力呈波动衰减;修正列车荷载下弹塑性地基中动偏应力分布更符合实际情况;高铁运营初期地基沉降较快,随时间增加沉降速率逐渐趋于稳定;计算高铁运行产生的地面沉降时,需同时考虑列车运行速度和随机激振力的影响。     

软土的循环累积变形模型研究

基于上海地区饱和软土的动三轴试验成果,通过对累积变形影响因素及累积变形发展规律的分析,引入等效循环动应力水平的概念,建立能综合考虑列车荷载循环次数、静偏应力和和动偏应力的耦合作用、固结方式等影响因素的软粘土循环累积变形模型.结合试验成果对模型进行验证,确定不同试验条件下模型中的试验系数.研究结果表明:此模型能够很好地反映多种因素对软土循环累积变形规律的影响;此模型仅适用于软土正常固结且循环应力比小于临界循环应力比的情况;为提高模型计算和预测的精度,用室内试验确定模型中的试验系数时,应采用与现场实际相符的加载和固结条件.     

地铁列车移动荷载作用下饱和软粘土地基动力响应及长期累积变形研究

为了研究地铁列车荷载反复作用下饱和软黏土地基的动力响应和长期累积变形,本文通过进行室内固结不排水动三轴试验,得到了地基累计变形计算参数,并建立了车辆-轨道相互作用动力学模型,对列车反复荷载作用下软土地基的动力响应和累积塑性变形进行研究。研究结果表明：土体中的累积塑性应变随深度逐渐减小,同样的深度位置,累积塑性应变随荷载作用次数增加而增加;在车辆荷载作用的早期,累积变形的增长速率最大,随着荷载次数的增加,累积变形的增长速率逐渐减小,且累积变形曲线有明显的拐点。     

循环荷载下饱和软黏土累积变形遗传分数阶导数开尔文模型

研究循环荷载作用下饱和软黏土的累积变形对计算交通荷载引起的地基沉降具有重要意义。对饱和软黏土分别进行围压为100k Pa、150k Pa、200k Pa的等向固结动应力比为0.1、0.2和偏压固结动应力比为0.06、0.1、0.2的循环加载试验,得到轴向循环塑性应变与时间的关系,分析得到围压、动应力比及固结形式对轴向循环塑性应变的影响规律;将Abel黏壶引入开尔文模型,得到分数阶开尔文模型;利用遗传算法优化轴向循环塑性累积应变的开尔文模型和分数阶开尔文模型的参数,通过分析两组模型的计算值与试验值的对比曲线,得到分数阶开尔文模型更适合模拟计算循环荷载下饱和软黏土的累积变形。     

地铁列车移动荷载作用下饱和软黏土地基动力响应及长期累积变形

为了研究地铁列车荷载反复作用下饱和软黏土地基的动力响应和长期累积变形,通过进行室内固结不排水动三轴试验,得到了地基累计变形计算参数,并建立了车辆-轨道相互作用动力学模型,对列车反复荷载作用下软土地基的动力响应和累积塑性变形进行研究。研究结果表明:土体中的累积塑性应变随深度逐渐减小,同样的深度位置,累积塑性应变随荷载作用次数增加而增加;在车辆荷载作用的早期,累积变形的增长速率最大,随着荷载次数的增加,累积变形的增长速率逐渐减小,且累积变形曲线有明显的拐点。     

长期循环荷载下粉细砂的累积变形特性

在分析循环荷载下粉细砂轴向塑性累积变形受初始孔隙比、有效固结压力及动应力比等因素影响规律基础上,考虑动偏应力水平及初始固结压力影响,建立了一种参数具有明确物理意义的计算粉细砂在循环荷载作用下轴向塑性累积变形的显式模型.通过对上海地区粉细砂非等向固结排水循环三轴试验结果进行模拟,得到了相关参数,验证了模型的有效性和合理性.     

交通荷载作用下结构性软土地基长期沉降计算

为了合理预测结构性软土路基长期运营沉降,基于力学-经验法开展了交通移动荷载下软土地基动力附加沉降的计算分析.首先,通过对天然软土循环三轴试验结果的模拟与分析,验证了根据人工结构性土建立的稳定型和破坏型累积应变预测模型的有效性,建立了临界动应力比与应力灵敏度的定量关系,提出了适用于结构性土累积应变的预测模型.然后,采用数值方法确定了考虑荷载速率效应的动应力空间分布,结合累积应变经验模型与分层总和法,提出了交通荷载下结构性软土地基长期沉降的实用计算方法,并通过典型低路堤断面运营沉降的模拟计算,验证了所提方法的合理性与有效性.最后,开展了长期沉降的参数敏感性分析,结果表明:行车速度大于80 km/h和路堤高度小于2 m时,地基动应力显著增大,土结构性易受到损伤破坏;土体灵敏度越低,变形状态越易从稳定型转变为破坏型,地基浅层塑性变形显著增大.     

不排水循环加载作用下饱和软粘土的蠕变特性

为了探讨珠江三角洲饱和软粘土在交通行车荷载作用下的变形特性,在K0固结状态下进行了一系列不排水的单向循环加载蠕变试验.研究表明:根据循环荷载的大小,饱和软粘土的累积变形可分为衰减型和破坏型;衰减型循环蠕变的累积应变速率与循环次数的关系可用幂函数来表示,引入相对偏应力水平参数,可综合考虑动偏应力、初始静偏力和围压的影响,累积应变速率可用相对偏应力水平的指数函数来表示.文中还基于流动理论,建立了珠江三角洲饱和软粘土的应变速率状态方程,该模型较好地表达了衰减型循环蠕变的应变速率―应力水平―循环次数关系.     

饱和软粘土不排水循环加载作用下蠕变特性的研究

为了探讨珠江三角洲的饱和软粘土在交通行车荷载作用下的变形特性,在K0固结状态下进行了一系列不排水的单向循环加载蠕变试验。研究表明：根据循环荷载的大小,饱和软粘土的累积变形可分为衰减型和破坏型;衰减型循环蠕变的累积应变速率与循环次数的关系可用幂函数来表示,引入相对偏应力水平参数,可考虑动偏应力、初始静偏力和围压的综合影响,累积应变速率与相对偏应力水平的关系可用指数函数来表示。基于流动理论,建立了珠江三角洲饱和软粘土的应变速率状态方程,该模型较好地表达了衰减型循环蠕变的应变速率—应力水平—循环次数关系。     

固结状态不同的饱和软土中桩基竖向循环承载特性

为了研究地基土在不同固结状态下竖向循环荷载对桩基承载力的影响,在三组不同固结围压、固结度的饱和软土单桩基础中,分别进行了初始静载和循环加载后静载两个独立试验,其中循环加载采用位移控制,依次施加四个递增振幅。通过数值模拟进一步分析桩基承载力的循环弱化规律。结果表明:当循环荷载大于桩周土硬化应力阈值时,桩土系统会发生强度弱化和刚度软化,桩基动刚度随着循环次数增加而减小。地基土固结围压、固结度的增加使桩周土硬化应力阈值提高,桩土系统抗弱能力提高。当循环荷载小于硬化应力阈值时,桩土系统强度弱化不明显,甚至发生刚度硬化,桩基动刚度随着循环次数增加而增大。地基土固结围压越大、固结度越高,桩基极限承载力越大,弱化后的桩基极限承载力也越大,相应的残余承载比越小。循环加载时,桩侧摩阻力和桩端阻力共同弱化,桩端阻力的弱化速率滞后于桩侧摩阻力,桩侧摩阻力的弱化是该桩基承载力弱化的主要原因。     

循环荷载下天津软黏土不排水强度弱化模型研究及应用

波浪等循环荷载作用下,饱和软黏土产生超孔隙水压力,土体强度弱化,导致地基承载力和防波堤等近海结构稳定性降低.基于土体强度弱化的原理,建立一种表示土体不排水强度在不同动应力水平下随循环荷载作用次数变化的强度弱化模型.模型通过建立软黏土不排水强度与孔隙水压力增长规律的关系,表示出软黏土不排水强度弱化的具体过程.在有限元软件ABAQUS上进行二次开发,对天津港防波堤地基软黏土的动、静三轴试验进行数值模拟运算,并与试验数据对比.结果表明,文中建立的强度弱化模型简单准确,能够较好地表示土体不排水强度弱化过程.将模型应用到波浪荷载作用下部分回填换砂处理的软土地基上沉箱结构进行沉降变形分析,并与未考虑土体强度弱化的静力、拟静力有限元分析结果进行对比,研究了强度弱化对结构沉降变形的影响.     

路堤高度和加筋对软土地基累积塑性变形的影响

运用有限单元法对交通荷载作用下软土地基进行隐式动力分析,基于累积塑性变形的计算和影响因素分析,研究路堤高度对交通荷载引起的软土地基累积塑性变形的影响,在此基础上,从地基中动偏应力分布的角度,揭示了土工格栅加筋对于减小交通荷载引起的软土地基累积塑性变形的意义和机理.分析结果表明:当路堤高度1 m左右时,在交通荷载作用下,地基中会产生显著的累积塑性变形;随着路堤高度的增加,地基中由交通荷载引起的累积塑性变形迅速减小.对于受交通荷载影响显著的软土地基,土工格栅加筋改善地基表面的压应力分布,减小传递到地基表面的剪应力,加筋后地基土累积塑性变形明显减小,主要是由于加筋减小了地基土的上部由交通荷载引起的动偏应力.     

地铁行车荷载作用下粉质黏土累积塑性应变特性

目的研究地铁行车荷载作用下隧道周围土体变形特性,为城市地下轨道交通工程设计、施工及运营期间的安全稳定评价提供参考.方法通过室内动三轴试验,探索地铁行车荷载作用下粉质黏土累积塑性应变发展规律,在此基础上,利用数理统计知识计算各因素及因素之间的耦合作用对累积塑性应变的影响率.结果在相同试验条件下,累积塑性应变随围压增大而减小,随固结比增大而减小,随动应力幅值增大而增大,随频率增大而减小,随振动次数增大而增大.结论单因素中动应力幅值对累积塑性应变的影响最大,其次是围压和频率,最后是振动次数;围压与振动次数、频率与振动次数之间的耦合作用对累积塑性应变的影响可忽略不计;因素之间的耦合作用在一定条件下比单因素对累积塑性应变的影响效果要显著.     

k0固结饱和黏土的循环强度特性

通过k0固结饱和黏土的循环三轴试验,研究了固结压力、不排水增量静偏应力对k0固结饱和黏土循环强度的影响.结果表明,同一增量静偏应力比下,不同固结压力对应的循环强度曲线有良好的一致性;当增量静偏应力比从0.15增至0.7时,同一循环破坏次数下的循环强度增大18%左右;由于土样破坏时的应力圆与Mohr-Coulomb强度包线之间有良好的相关性,所以可利用Mohr-Coulomb强度关系描述无应力反向时k0固结饱和黏土循环强度的变化;若略去增量静偏应力的影响,则按照较小增量静偏应力对应的Mohr-Coulomb循环强度指标分析循环荷载作用下土体的稳定性可以得到偏于安全的结果.     

考虑固结流变的软土地基单桩下拉荷载计算

为研究大面积堆载作用下软土地基中单桩下拉荷载计算方法,基于非达西流动定律引入软土流变模型,建立了拉格朗日坐标系中考虑固结和流变共同作用下软土地基大变形长期沉降非线性计算模型.模型中考虑了固结流变过程中孔隙比与渗透系数随孔隙水的排出而发生变化.进而以荷载传递法为基础,重点研究了固结流变土体中桩土相互作用时界面抗剪强度的时间效应,提出了软土地基在大面积堆载作用下考虑非达西流动固结与流变耦合效应时单桩下拉荷载理论计算方法,通过假定桩顶变形进行迭代求解,获得了桩身下拉荷载分布与中性点长期变化规律.最后与传统固结计算方法进行比较,并分析了平均固结度、非达西流固结参数、流变参数以及堆载大小对下拉荷载变化的影响.研究结果表明,基于传统土体固结理论的计算结果偏于保守,考虑固结流变共同作用对单桩受力的不利影响极为必要.     

原状海滩粘土不固结不排水循环特性

通过循环三轴试验,研究了沿海滩涂浅层粘土的固结不排水循环特性;依据试验结果分析,提出了描述循环累积应变变化的合理方式,从而把变形与强度的变化统一表示出来;分析了实际问题中累积应变对土单元静应力状态的影响,提出了一种能够考虑动静耦合效应的循环强度曲线表示方法。     

长期循环荷载作用下海洋饱和粉砂的弱化特性

为了研究海洋饱和粉砂在长期循环荷载作用下的弱化特性,对原状饱和粉砂进行了一系列不同固结条件下不排水单调和循环加载三轴试验,并在循环加载过程中通过弯曲元测试土体剪切波速.主要分析固结方式、动应力比以及循环次数对饱和砂土循环弱化特性的影响.试验结果表明,在相同的固结条件下,随循环次数的增加和动应力比的提高,土体的强度和刚度衰减显著,在相同的动应力比作用下,偏压固结相对于等压固结减缓了土体的循环弱化.利用动偏应力水平对海洋饱和粉砂循环荷载作用下强度和刚度的弱化特性进行了描述.     

真空动力固结饱和软土地基非线性固结解析解

为了更深入研究饱和软土地基真空动力固结机理,基于有限应变理论建立了考虑多种因素影响的真空动力固结饱和软土地基非线性固结方程,并通过变量代换和分离变量求出方程解析解,研究结果表明:按照沉降和孔压定义的软土地基平均固结度结果差值受大变形时间因数影响明显,呈现出先增大后缩小特征,且在任意时刻饱和软土地基沉降发展速率明显快于超静孔压消散速率;计算解同室内试验结果变化趋势基本一致,表明了非线性固结方程的合理性,且动力固结和真空降水时间间隔不宜超过1 d。     

交通荷载下路基土动应力应变累积的特性

采用模型试验、循环荷载单轴压缩试验及原位监测试验与理论分析相结合的方法,研究了交通荷载下路基土动附加应力的时空分布规律,提出了路基土动附加应力累积效应的概念,探讨了动附加应力累积与荷载次数、荷载频率、动附加应力水平及深度的关系,分析了交通荷载下路基土塑性应变行为。由此得出动应力累积随加载次数的增加而增大,随深度的增加渐趋平缓,并确定了红黏土的临界应力水平为50%,建立交通荷载下路基土动附加应力量化模型和永久变形量化模型。最后,给出了交通荷载下路基土工后沉降的3种组成模式及其相关控制技术。     

拓宽路基下软土地基工后沉降预测

拓宽路基荷载作用下的软土地基工后沉降是导致高速公路改扩建工程相关病害的主要原因之一。为了准确掌握软土地基的固结沉降状态及工后沉降值,为差异沉降控制手段的设计和动态施工提供依据和指导,建立了考虑蠕变的软土地基沉降模型;基于高速公路改扩建工程现场沉降监测资料,运用3层BP神经网络方法反演了计算模型的计算参数,并在此基础上运用有限元软件对拓宽路基的工后沉降作出预测。研究结果表明,实测沉降值与有限元计算沉降值的曲线基本吻合。