缓倾角层状高边坡变形破坏机制物理模拟研究

针对某高速公路缓倾角顺层岩质高边坡滑坡,为了研究其变形破坏机制,尤其是岩层缓倾坡内和缓倾坡外两种情况下的异同,通过野外实际调查和论证,在对该滑坡形态、结构及变形破坏特征进行详细研究的基础上,选取其主剖面,并恢复其滑动破坏前的近似坡面情形,利用物理模拟研究方法中的底摩擦试验,分岩层缓倾坡外和缓倾坡内两种情况,再现了该边坡变形破坏的全过程,并对不同阶段的变形及最终破坏机制进行了深入分析。认为岩层缓倾坡外时边坡属滑移—压致拉裂型破坏,层间错动明显;岩层缓倾坡内时边坡基本处于稳定状态,无明显层间错动。     

非均质与各向异性临坡地基承载力上限计算

为探究土体非均质与各向异性对临坡地基承载力的影响,运用极限分析上限方法,结合单侧临坡条形基础地基破坏模式,引入土体内摩擦角、黏聚力、基础与边坡坡顶距离等参数,分析临坡地基极限承载力的变化趋势。首先,根据极限分析上限理论,建立破坏模式的机动许可速度场,考虑非均质与各向异性原理,在计算中导入非均质系数与各项异性系数,得到机构各部分内能耗散计算公式,推导出地基承载力系数N_c的计算表达式。在此基础上,设定机构所需满足的约束条件并导入用Matlab软件编制的优化程序,程序考虑了非均质与各向异性对地基破坏面位置及形状的影响,最终得到地基承载力最小上限解所对应的非均质与各向异性下地基承载力系数N′_c。结果表明,计算数据与现有成果具有较好的一致性,揭示了非均质与各向异性对临坡地基承载力系数N′_c的作用规律。当非均质系数η增大时,N′_c随之增大;当各向异性系数k增大时,N′_c随之减小,且减小幅度趋缓,有效地弥补在临坡地基承载力中土体非均质与各向异性研究领域的不足。当破坏模式转化为水平地基形式时,所得结果与其他方法计算结果很好吻合,证明了此方法解决水平地基问题的可行性。     

考虑土体重力时圆形浅基础承载力研究

针对圆形浅基础地基承载力,采用极限分析法上限定理推导出圆形浅基础地基承载力公式。公式推导过程中,考虑土体重力做的功,假定地基破坏模式服从普朗特尔滑动机构,通过研究土体发生无限制塑性流动时的外部功率与内能耗散率求解出极限承载力。计算结果表明:本文计算结果较参考文献计算值总体偏大,与实测值的误差控制在20%范围内,可为计算圆形浅基础地基承载力提供参考。     

顺层缓倾复合介质边坡水力驱动型滑移破坏机制研究

为了对水力作用下顺层缓倾复合介质边坡稳定性进行定量研究,以沪蓉高速公路彭家湾某同类边坡为例,基于极限分析上限法原理建立针对性的简化力学计算模型。首先,根据位移协调条件以及塑性力学关联流动法则,构建出一个机构允许的应变速度场;其次,根据流体力学原理,在Hoek和Bray假设的基础上,建立适合顺层缓倾复合介质边坡的水压分布模型。通过边坡内水压分布特性分析,得出水力作用（潜滑面扬压力、潜滑面动水压、后缘张裂隙静水压）均与后缘张裂隙内充水高度直接相关;在此基础上,分别建立临界充水高度与临界降雨强度表示的边坡滑移失稳判据。通过该力学模型,计算工程案例边坡滑坡时后缘张裂隙临界充水高度值与临界降雨强度值,确定边坡滑移失稳时滑移面具体位置,并进行边坡稳定性的敏感性因素探讨。研究结果表明：当后缘水位达到临界充水高度或降雨强度达到临界值时,边坡沿着稳定性系数最小的潜滑面发生滑移破坏;底层滑体厚度仅影响底层滑体的稳定性;岩层倾角小于15°时,各潜滑面稳定性受倾角影响较大;水力作用下边坡稳定性下降主要由潜滑面扬压力与张裂隙静水压引起,动水压几乎没有影响。     

缓倾顺层岩质边坡病害成因数值分析及处治对策研究

针对永宁高速公路的边坡病害,以石壁滑坡为依托,采用数值分析法,对缓倾顺层岩质边坡受主控结构面影响的沿基岩面的平面变形进行数值定量分析,其主要变形模式为岩体的拉裂滑移破坏。其病害是由于坡体不利结构面存在、工程开挖破坏坡脚和大气降雨所致。同时结合极限平衡法反分析,对滑坡各阶段的稳定系数及加固措施进行计算,结果表明,治理措施满足工程实际与规范的要求。     

地震作用下的层状岩质边坡块状-弯曲倾倒解析分析

为了进行地震作用下块状-弯曲倾倒破坏边坡的稳定性评价,基于极限平衡理论,运用逐步分析方法,建立了地震荷载作用下块状-弯曲倾倒破坏的地质力学模型,并推导出了地震荷载作用下块状-弯曲倾倒破坏的解析公式,分析了地震荷载对岩质反倾边坡稳定性和破坏模式的影响。采用边坡几何力学参数、潜在破坏岩块编号及地震影响系数作为稳定分析中的变量,运用MATLAB编写了求解不同变量下的边坡安全系数和破坏模式的计算程序,此外,还将该方法与传递系数法、数值模拟结果进行了对比分析。研究结果表明：随着地震惯性力的增大,边坡稳定性逐渐下降;部分相邻块体的潜在破坏模式不同,滑移破坏和倾倒破坏交叉出现,但随着地震影响系数的增大,整体破坏模式逐渐由倾倒破坏转变为滑移破坏;随切坡角度增加,边坡的稳定性下降,较易发生倾倒破坏;不同地震影响系数下岩层厚度对边坡的影响不同。     

复杂缓倾角岩体边坡的三维稳定性分析

为了建立复杂缓倾岩体边坡的三维稳定性分析方法,以含有层面和多组结构面的缓倾角岩体边坡为研究对象,根据现场调查资料将缓倾角岩体边坡相邻岩块间的接触关系分为脱离、面接触和线接触3种模式,依据每种岩块接触方式构建相应的接触力学模型,明确岩块的受荷情况,基于材料力学以岩块的竖向位移和转角为中间变量建立3种接触情况下的层间荷载计算方法。根据各岩块受到的荷载,推算出岩块后部结构面处的拉应力、剪应力和扭矩计算式,再基于断裂力学方法获得了该结构面的第1,2和3型应力强度因子,进而获得结构面的联合应力强度因子计算表达式。将结构面的断裂韧度与联合应力强度因子的比值作为各岩块的稳定系数,通过比较该岩块稳定系数与1的大小关系判断各岩块是否稳定,并将该分析方法应用于綦江羊叉河缓倾角岩体边坡。研究结果表明：该方法计算获得的坡顶破坏位置与现场边坡已经开裂的位置基本一致,说明该方法基本可行;改变岩块后部结构面贯通段的长度和弹性模量,稳定系数变化幅度达分别为74.32%和16.45%,不考虑Z方向各列岩块的相互影响岩块的稳定系数将增大5.16%~11.72%;研究结果可为缓倾岩体边坡的防治提供初步的理论支撑。     

滨海区淤泥质土搅拌桩芯样力学试验研究

无侧限抗压强度是计算水泥搅拌桩单桩承载力的重要参数，抗剪强度是验算搅拌桩复合地基稳定性的重要参数。开展了搅拌桩试桩工作，达到龄期后采用单动双管法钻取搅拌桩芯样，测试了搅拌桩芯样的无侧限抗压强度和抗剪强度，分析了试验曲线的特征，并采用统计分析方法获得了无侧限抗压强度与抗剪强度、弹性模量的换算系数。研究结果表明：搅拌桩芯样无侧限受压时呈黏弹塑性的变形特征；弹性模量与无侧限抗压强度呈线性关系，拟合公式E_c=142.32f_cu+49.101,弹性模量与无侧限抗压强度换算系数可取120;抗剪强度与无侧限抗压强度相关性较差，工程上抗剪强度可取抗压强度的0.4倍。     

倾斜坡顶黄土边坡垂直裂隙深度计算方法

垂直裂隙在黄土层中发育极为普遍，为研究黄土边坡坡顶垂直裂隙深度的问题，改进传统裂隙法中存在的缺陷，分别建立单裂隙与多裂隙滑动模型，并结合边坡滑动后垂直裂隙后壁形成的垂直张拉段土体自稳特点，采用极限平衡法对2种滑动模型进行受力分析，建立边坡极限状态方程；并进一步利用最优值法对方程进行求解，推导出黄土边坡倾斜坡顶垂直裂隙极限深度的计算公式。根据编写的计算程序，探究裂隙深度随不同影响因素的变化规律，并根据极限分析上限法及实际工程算例对公式进行验证分析。结果表明：单裂隙情况下垂直裂隙极限深度是传统裂隙法中深度的2倍，且该深度大小与坡顶倾角β取值无关；多裂隙情况下垂直裂隙极限深度的计算公式较为复杂，其大小与土体重度γ、黏聚力c、内摩擦角φ、坡顶倾角β以及地质调查参数L₂的取值有关；裂隙深度影响系数k_K随β增大而减小，随γL₂/c和φ增大而增大；滑动面倾角α随β和φ的增大而增大，随γL₂/c增大而减小，但β对k_K和α影响较小。采用极限分析上限法推导出的单裂隙和多裂隙模型中裂隙深度计算公式，与极限平衡法结果一致；其次对黄延高速公路沿线实际边坡垂直裂隙深度进行理论计算，计算结果与现场实测结果相对误差为3.76%，表明该计算公式的可靠性。     

加筋格宾组合式挡墙破裂面及承载力特性

为提出加筋格宾组合式挡墙(加筋格宾+绿色加筋格宾结构)破裂面及承载力公式,通过对湖南省湘潭至衡阳西线高速公路第12合同段加筋土实体结构进行现场试验监测,总结了各层拉筋应变变化规律,提出了基于简化破裂面转折点位置为H/3(H为墙高)的新折线型潜在破裂面,推导了该折线型破裂面在2种破坏模式下的墙顶部表面承载力通用计算公式;采用极限平衡法,讨论了拉力破坏下其极限承载力公式,统一了0.3 H简化破裂面和朗肯破裂面形式下的承载力计算公式,并与4种规范加筋土典型破裂面进行了比较分析。结果表明:采用该折线型破裂面计算,比公路规范和BS8006规范安全,比铁路规范经济;双绞合六边形钢丝网加筋为拉力破坏,试验结果与计算结果相吻合。     

复合型开孔板连接件抗剪性能试验

为提高开孔板连接件(PBL)的抗剪性能，提出了带柔性套筒的复合型PBL连接件，并对其抗剪性能进行试验研究，建立复合型PBL承载力计算方法。基于贯穿钢筋弯拉受力模型，推导其抗剪作用表达式，得到PBL孔内应力扩散角对贯穿钢筋抗剪作用的影响规律。设计制作8个PBL推出试件并进行破坏试验，探究柔性套筒壁厚对复合型PBL抗剪刚度、承载能力、延性、破坏模式及孔内钢筋混凝土榫传力机制的影响。研究结果表明：极限状态下，复合型PBL的贯穿钢筋弯拉变形较大，荷载-滑移曲线呈现明显的强化特征，且连接件延性得到显著改善；与无柔性套筒的常规PBL比较，贯穿钢筋周围包裹2 mm壁厚套筒的复合型PBL极限承载力和相应滑移分别提高了40.0%和42.6%；继续增大柔性套筒壁厚，由于孔内混凝土榫的有效剪切面积削弱，且两侧混凝土对贯穿钢筋的局部支撑作用减小，连接件承载力有所降低，但延性得到持续改善。将试验结果与已有常规PBL承载力计算公式进行对比分析表明，以钢筋混凝土榫剪切变形为主的常规PBL承载力计算公式对复合型PBL抗剪承载力计算误差较大，相关公式计算值均小于试验实测值。结合复合型PBL传力机理，给出了考虑混凝土榫剪切作用、贯穿钢筋作用和混凝土板局部支撑作用的PBL承载力计算公式。与试验结果对比发现，所提承载力公式计算值与试验结果吻合良好，可用于复合型PBL抗剪承载力的确定。     

层状岩体地下洞室施工阶段围岩精细化分级

围岩分级方法在实际应用中存在结果处理复杂、围岩分级量化数值范围交叉及围岩分级精度较低等问题，为了对层状岩体地下洞室施工阶段的围岩进行精细化分级，基于HC分类法，重点考虑层状岩体的层厚与产状对围岩稳定的影响，通过有限元软件Midas GTS对25种由正交试验方法得到的代表性工况进行了数值模拟，并将位移计算结果进行了极差分析。结果表明：层状岩体隧洞位移分布方向主要取决于结构面走向与洞轴线夹角α及结构面倾角β,而位移分布范围的大小主要取决于岩层厚度h;对层状岩体隧洞稳定性影响的大小排序为，饱和单轴抗压强度R_c>结构面走向与洞轴线夹角α>张开度W>层状岩体层厚h>结构面倾角β,因此，层状岩体隧洞围岩分级时，应充分考虑结构面产状的影响；饱和单轴抗压强度R_c、结构面走向与洞轴线夹角α均与层状岩体隧洞的稳定性近似呈正比，张开度W则与层状岩体隧洞的稳定性近似呈反比；层状岩体层厚h=0.6 m时，层状岩体隧洞稳定性最差，结构面倾角β=60°时，层状岩体隧洞稳定最差。基于HC分类法提出了基于隧道相对变形的修正分级区间，并分别采用了模糊物元...     

考虑坡顶倾角的土质裂隙边坡稳定性分析

自然界或人工填土边坡常因裂隙的出现而导致其稳定性降低。裂隙的发育不仅与岩土体的材料性质相关，还取决于边坡的几何形态。为了研究边坡的坡顶倾角对裂隙边坡稳定性的影响，基于极限分析上限定理，以坡顶存在一定倾角的裂隙边坡为研究对象，利用平面应变的对数螺旋旋转机构对其进行计算和分析。考虑静力作用和地震力作用的影响，构建了在这2种作用力下裂隙边坡的速度相容运动场及相应的能量平衡方程。采用裂隙的深度和位置均未知、裂隙的深度已知而位置未知、裂隙的位置已知而深度未知这3种计算模式，通过序列二次规划程序计算了不同坡体参数（坡角β、坡顶倾角α、内摩擦角φ）、不同地震力（k_h=0.1，0.2，0.3）作用下裂隙边坡的稳定性系数。结果表明：与坡顶水平相比，坡顶倾角越大，边坡的稳定性系数减小百分比越大；考虑坡顶倾角与否，稳定性系数相差高达15%，并且地震力越大，坡顶倾角对稳定性系数减小百分比的影响越明显；随着坡顶倾角增大，临界裂隙的深度会逐渐增大，其位置也会逐渐远离坡肩；裂隙在坡顶一定范围内时边坡的稳定性系数才会降低，而坡顶倾角和地震力的影响会使得这一坡顶范围增大；在静力作用下，随着边坡坡角增大，稳定性系数减小百分比呈先增大后减小的趋势。最后，通过OPTUMG2对计算结果进行验证可知，该研究对裂隙边坡坡顶倾角的考虑具有合理性。     

浅埋条形基础抗震承载力拟动力分析

采用拟动力法推导出基岩至地表之间不同深度土层地震加速度时程，在此基础上针对砂性土地基，利用极限分析上限定理推导了地震作用下地基极限承载力系数N_γE的求解方法，并进一步分析了地震动向地表传播过程中，不同深度土层振动相位差与地震加速度幅值放大效应对N_γE的影响。研究结果表明:采用拟动力法计算出的N_γE随地震加速度和地基土内摩擦角的变化关系呈现出与拟静力计算结果相同的趋势，但振动相位差的影响导致前者明显高于后者，且地震波长越短，二者差异越明显；地表地震加速度是N_γE的主要影响因素，其在地基发生极限破坏时总是达到幅值；幅值放大效应由于放大了地表地震加速度幅值而导致N_γE显著降低。     

UHPC中短栓钉抗剪性能试验及理论分析

为深入研究超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete,UHPC）中短栓钉的抗剪性能,提出精细化的计算理论和方法,指导工程设计,共完成9个静力推出试验。试件参数包括短栓钉直径、界面处理情况以及加载方式。根据试验受力模式,提出了一种三维精细有限元分析模型,利用ABAQUS显式分析方法,探讨焊缝形式、短栓钉直径、短栓钉高度、UHPC强度等参数对UHPC中短栓钉抗剪性能的影响。最后结合试验数据及有限元分析结果提出UHPC中短栓钉荷载-滑移全曲线实用经验公式和抗剪承载力计算公式。试验及分析结果表明：短栓钉抗剪承载力主要受短栓钉直径和焊缝形式的影响,随短栓钉直径的增大而提高,有限元中模拟焊缝相比于不模拟焊缝时短栓钉抗剪承载力提高48%~93%;短栓钉抗剪刚度主要受短栓钉直径和界面处理情况的影响,界面黏结将提高抗剪刚度;加载方式（单调加载和循环加载）、短栓钉高度和UHPC强度对短栓钉抗剪性能影响较小;2种不同直径短栓钉最大滑移均不超过4 mm,设计时可按照弹性连接件设计方法计算;收集的国内外68组有效试验数据与理论计算结果吻合度较高;建议取0.3P_u~0.4P_u（短栓钉抗剪承载力）处的割线刚度平均值作为UHPC中短栓钉抗剪刚度,抗剪刚度试验值与理论计算结果对比表明该方法具有较高的精度。     

缓冲型防落梁钢圈限位装置力学性能试验

经合理设计的防落梁限位装置可以有效减小地震发生时桥梁上、下部结构间的相对位移，阻止落梁破坏的发生，而明确限位装置力学性能是对其进行合理设计的必要前提。为探明缓冲型防落梁钢圈限位装置的滞回性能和破坏模式，并提出极限位移和极限承载力的计算方法，制作了6个试件进行拟静力试验研究。分析了钢材种类、限位装置截面高度h和直线段长度a等设计参数对其力学性能的影响，试验结果表明：①在初期的加、卸载过程中，试件以弯曲变形为主，刚度及承载力低。由于弧段部位过早出现塑性，卸载后出现永久性变形；试件在反复加载过程中，累计塑性变形增加，后期以拉伸变形为主，刚度大。试件达到最大承载力后，发生颈缩、断裂破坏，最终丧失承载能力。②分析试件圆弧段测得的应变，加载初期内侧受拉，外侧受压；随着位移的增加，弧段外侧达到最大压应变后，试件被拉直，中性轴偏离截面形心；破坏时，试件各部位均出现较大的拉应变。③参数a对试件启动限位功能时机影响较大，对试件初期刚度几乎没有影响；参数h增加时，承载力的增长速率、初期刚度以及最大承载力均增加，但对位移影响较小；改变钢材种类对承载力影响较大，对位移影响较小。在试验研究的基础上，提出了该类限位装置的极限承载力与极限位移计算公式，并验证了计算公式的有效性。     

面向自动驾驶编队的沥青路面结构疲劳寿命预估模型

与传统有人驾驶货车相比，自动驾驶货车编队具有更为紧凑的队列形式与更快的行驶速度，极大提高了道路通行能力与运输效率，但同时也使得车辆荷载作用特点发生了显著变化，从而影响沥青路面的疲劳寿命。针对现行疲劳寿命预估模型在自动驾驶货车编队行驶场景下适用性不足的问题，以编队荷载作用下的沥青路面结构层底应变波形特征为切入点，建立了面向自动驾驶货车编队的柔性基层沥青路面疲劳寿命预估模型。通过分析375种不同编队荷载工况下的沥青层层底应变波形，发现层底最大拉应变随行驶速度、前后车间距、左右车间距的增大而减小，随单列车辆数的减少而减小；针对波形参数的主成分分析结果表明，编队荷载下的应变波形可以用D、β_D-、θ_1sμ、θ_2sμ、ε_n共5个相互独立的特征参数进行表达，且该波形特征参数与编队行驶特性参数之间存在不同程度的相关性；依据等效损伤理论计算标准温度(20℃)下柔性基层沥青路面达到疲劳破坏时的编队荷载作用次数，进而提出了基于应变波形特征的沥青路面结构疲劳寿命预估模型。对比仿真结果与模型计算结果发现自动驾驶货车编队场景下...     

UHPC-NC键槽界面抗剪性能研究

为明晰超高性能混凝土（UHPC）加固RC结构的界面剪切力学行为,批量开展键槽定量化处理UHPC-NC界面抗剪承载性能试验研究。设计制作8组包含不同深度（t）、宽度（w）和间距（d）的UHPC-NC组合构件,分析了界面剪切荷载-滑移曲线特征,剪切应变分布规律、破坏形态以及极限抗剪承载力。试验结果表明,键槽处理方式能显著增强UHPC-NC界面初始剪切刚度（刚度值高于250 kN·mm^-1）并有效提高界面极限抗剪强度（1.46~3.98 MPa,其中大于3 MPa的试件占总数的57.1%）。不同键槽参数t,d和w对UHPC-NC界面抗剪强度的影响权值逐渐递减,且正角度开槽对界面抗剪强度的提升幅度为13%~32%,普遍优于负角度组;当深度t较小且w/t≤2时,后浇UHPC键槽部分承受较大剪切荷载,此时UHPC-NC界面出现“混合剪”破坏模式,能够有效发挥UHPC的抗弯拉性能;相同条件下,当w/t≥4时,后浇UHPC键槽面积在界面处占比增大,致使裂缝移至NC侧发展,即由NC主要承担界面剪力。此外,增大键槽间距d可改善界面域的剪力分配,“密集开槽”方式虽能有效提高界面抗剪能力,但考虑到此方式对原结构的损伤较大且施工成本较高,应对开槽深度和间距进行合理优化。提出基于断裂面法的UHPC-NC界面抗剪承载力计算公式,计算误差均在17%以内,计算结果表明,提出的公式可较好地评价定量化键槽处理的UHPC-NC界面抗剪性能。