挡土结构位移与土压力关系有限元分析

以天津市文化广场某地铁车站基坑工程为例,应用 Midas/GTS 建立了基坑开挖施工模型,研究单层土层、多层土层工况下基坑开挖过程中挡土结构的位移—土压力关系曲线。研究结果表明：单层土与多层土的位移土压力曲线能够较好地符合双曲线型,并且随着土层深度的增加,极限土压力随之增加,水平基床系数随深度增加而增加;单层土层与多层土层在深度、土质、位置都相同的情况下,位移与土压力关系曲线能够较好地符合相同的曲线方程。     

土的应力状态和基于Mohr-Coulomb准则的结构性模型

为建立原状土的结构性模型,对土的初始应力及其在形成土材料过程中的作用进行了研究,并在分析常规Mohr-Coulomb准则适用性的基础上对该准则进行了修正和改进。基于土的诸多属性均依赖于其特定的结构性并最终依赖于对应的初始应力这一客观现实,给出了加(卸)载比的概念,并建立了能反映初始应力和增量应力的修正Mohr-Coulomb强度屈服准则。在此基础上,进一步给出了Pisa原状软粘土和九州火山灰撒砂法试样2种结构性土真三轴试验的各向异性屈服模型。结果表明:基于初始应力和增量应力的修正Mohr-Coulomb屈服准则以初始应力线而不是等倾线为轴线,修正准则能合理反映原状土的结构性和各向异性,且与试验结果吻合较好。     

饱和非饱和土的位移土压力及非极限力学指标研究

为了客观评估非极限平衡条件下,土力学强度参数的发展变化规律,基于摩擦定律、土压力与位移的双曲线模型、饱和非饱和土的Mohr-Coulomb强度准则、非极限平衡土力学参数同步发挥的假设,采用应力路径分析方法,研究了非极限平衡条件下饱和非饱和土的位移土压力对应的应力状态,并给出了位移土压力依赖于非极限内摩擦角、粘聚力和吸力内摩擦角等参数的理论计算公式.研究结果表明:当挡土结构由K0状态发生向着土体的正向位移时,基于位移的土力学参数先随着位移的增大而减小,在减小至0后又随着位移的增大而逐步增大,直至被动极限平衡状态;当挡土结构由K0状态发生背向土体的负向位移时,基于位移的土力学参数随着位移的增大而逐步增大,直至主动极限平衡状态;该方法为进一步研究挡土结构的力学性能、工作状态、安全储备提供了理论基础.     

一类三维土压力盒的设计及试验验证

为测试土体内部一点的三维应力状态,基于常规应力状态与主应力之间的关系,给出了一类三维土压力盒的设计原理和制作方法。与普通土压力盒相比,该类三维土压力盒能测试空间一点完整的应力状态,即3个正应力和3个剪应力。该类装置均由1个特定基座和6个镶嵌于基座上的微型土压力盒组成。基座的形式可以多种多样,但根据6个土压力盒法线的方向余弦得到的转换矩阵必需是满秩的。考虑工程应用方面的要求,分别阐述3种三维土压力盒的制作方法和数据处理方法,并进行了误差和适用性分析。在一个模型槽内对某重塑土进行了压缩试验,分别用给出的3种三维土压力盒测试土中不同深度处的三维应力状态。研究结果表明：土体在一维侧限压力作用下,2个水平方向的正应力均小于竖向应力且与之具有线性关系;随着土体固结度的增加,外荷载引起的土体应力状态变化偏于平缓;采用分层密实方法制备的模型土体仍具备明显的各向异性,外荷载作用下土中的各向应力增量仍存在一定差异;侧限形式和外荷载大小是引起土体应力状态不同的主要因素,分层密实导致的土体初始各向异性在加载-卸载作用后趋于缓和;测得的竖向应力随深度增加逐渐减小,反映出随深度增加附加应力的扩散效应,从而初步证实该类测试装置是科学和可靠的。     

粒间吸引力对非饱和土变形及强度的影响分析

基于球形颗粒理想化最松散堆积模型, 研究了弹性条件下外加静水压力和粒间吸引力对非饱和土变形和强度的不同影响.研究表明, 对于变形问题, 外加静水压力引起的变形包括颗粒缺位体积和弹性变形2部分; 粒间吸引力引起的变形只包括颗粒的弹性变形.因此, 在粒间吸引力作用下土体的体变要大大小于等值外加静水压力作用下产生的体变.对于强度问题,主要研究了摩擦力和咬合力.对于前者, 2种加荷方式都有作用, 但外加静水压力的作用要大于粒间吸引力的作用; 对于后者, 外加静水压力有增强作用而粒间吸引力则没有.     

冻土导热系数的聚合模型研究及试验验证

为揭示土体冻结过程中导热系数的变化规律,建立基于均质球形颗粒的聚合几何模型。该模型由若干半径相等的球形土颗粒在正交方向上堆积而成,且土颗粒之外的区域全部被液态水填充。依据孔隙水首先在远离土颗粒的区域开始冻结的客观规律,建立冻结核在球形颗粒之间的几何中心产生并呈同心球向外扩展的聚合模型。基于土颗粒、水、冰的三相组成,从饱和冻土的组成和球形颗粒之间的接触等微观角度出发,建立导热系数的混合流计算方法。依据建立的几何模型和未冻水含量测试结果,结合给出的导热系数混合流计算方法,能够确定冻土在不同负温阶段的导热系数。另外,给出修正的正交热传导几何模型以计算不同干密度冻土的导热系数,并将混合流计算方法得出的预测值分别与Johansen法、Wiener法的预测值和探针法的实测值进行比较。研究结果表明：提出的混合流计算方法能够高精度地预测高温冻结阶段砂土的导热系数;聚合几何模型解答了干密度较大的土体冻实后的导热系数不一定较大的现象,具象地揭示出冻土导热系数随不同负温变化的原因是土中冰体含量的动态变化;依据冻结核产生位置建立的混合流导热系数计算方法,赋予了Wiener法在冻土导热系数预测中的具体物理意义;聚合模型和混合流导热系数计算方法能够对冻土在不同负温阶段的导热系数进行可靠预测,该研究期望为寒区和冻结法中的水-热-力耦合问题研究提供保证。