饱和土弹塑性理论的数理基础——纪念黄文熙教授
李相崧
(香港科技大学土木及环境工程系,香港)
摘 要:大量土工问题是具有不规则甚至不确定边界条件的多维问题,面临的荷载不仅限于明确定义的单调荷载,还包括时变与随机往复荷载。而土作为一种天然材料,其力学行为极为复杂。多相性、非均质性、各向异性、非线性、加载路径与历史的影响、压力敏感性、体积变形与剪切变形的强耦合等等均为岩土工程师们通常面临和需要处理的问题。当太沙基在80年前以他的划时代的有效应力原理奠定现代土力学基础时,现代计算技术与相应的基础理论并不存在。因而除个别问题如一维固结问题与渗流问题在适度简化后存在解析解外,大量问题的处理必须基于高度简化的面向问题的集总参数模型。这些模型结合工程师的经验对传统土工结构往往能给出合理的或保守的强度指标,但很少能提高和深化我们对问题的内在认识,而且在面对许多现代新型土工结构时,这些传统方法往往显得力不从心。自20世纪中期以来,在应用力学领域内有着一系列重要发展:多相连续介质理论与塑性本构理论趋于成熟,有限元与差分计算方法已成为通用的偏微分场方程求解器,数字计算设备的能力也已获几何级数的提高。以临界状态理论为标志土力学本身也有着重要发展。这一切发展已有可能将土力学的问题纳入一个统一的理论框架内予以系统的处理,而且事实上许多土力学与岩土工程的研究及分析也已在不同程度上基于这样的一个框架,而其中土的本构模型是一个关键。笔者力图从基本的物理和数学原理出发来勾划出一个土弹塑性本构理论框架,其大部分内容都来自经典文献。为避免不确定性,以太沙基有效应力原理为前提,所以该框架仅对饱和土有效。
关键词:弹塑性本构关系;耗散;客观性;各向异性模拟;临界状态
岩土工程技术创新方法与实践
刘汉龙
(1. 河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏南京 210098;2. 河海大学岩土工程科学研究所,江苏 南京 210098)
摘 要:岩土工程学科发展,创新是灵魂。基于笔者与其创新团队对近年来开展的岩土工程新技术研发工作,从技术创新的角度进行了归纳,并力求从技术创新过程中探讨产学研实践方面的研究问题。首先介绍了岩土工程技术创新的内涵和分类,围绕集成、逻辑推理和联想等思路,着重探讨了优缺点互补创新法、逆向思维创新法、组合技术创新法、希望点列举创新法、触类旁通创新法、强制联想创新法和扩散(发散)思维创新法7种方法,基于笔者近年来研发的系列创新技术,围绕上述的7种创新方法,分别阐述每种新技术的研发背景、研发过程和技术内容。以现浇混凝土大直径管桩(即PCC桩)技术创新为例,阐述了产学研的研究思路和研究过程。
关键词:岩土工程;技术创新;创新方法;创新思维;工程科学问题
高土石坝地震安全控制标准与极限抗震能力研究
陈生水1, 2,李国英1, 2,傅中志1, 2
(1. 南京水利科学研究院,江苏 南京 210029;2. 水利部土石坝破坏机理与防控技术重点实验室,江苏 南京 210029)
摘 要:基于土石坝震害调查和原型观测资料分析,针对高土石坝的坝坡稳定、坝体地震永久变形以及混凝土面板接缝位移3个影响高土石坝安全的主要因素,初步建议了相应的地震安全控制标准,并应用于高心墙堆石坝和面板堆石坝的极限抗震能力计算分析。结果表明:按规范设计的高土石坝具有较强的抗震能力,其极限抗震能力在
关键词:高土石坝;地震;安全控制标准;极限抗震能力
基于裂缝扩展的堆石料流变细观模型
邵 磊,迟世春,王振兴
(大连理工大学建设工程学部,辽宁 大连 116024)
摘 要:根据堆石颗粒破碎具有时间效应的特点来研究堆石料的流变性质。首先建立了基于亚临界裂缝扩展的堆石流变细观模型;其次研究流变数值试验的模拟方法,确定合理的颗粒破碎模式,根据两步循环判定法的思想计算宏观时间,并编写了相应的颗粒流程序;最后结合室内流变试验,开展单轴压缩条件下数值流变试验,拟合室内流变试验曲线,确定细观参数。计算表明:数值试验与室内试验流变曲线发展趋势基本一致;颗粒破碎模式对结果有一定的影响,越接近块体实际情况,模拟结果越好;流变的大小主要由瞬时颗粒破碎决定;流变的长期性由微裂缝扩展导致的延时颗粒破碎造成。
关键词:亚临界裂缝扩展;堆石料;流变;颗粒流
堆载预压径竖向固结等体积应变解答
雷国辉1,2,许 波1,2,张旭东3
(1. 河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏 南京 210098;2. 河海大学岩土工程科学研究所,江苏 南京 210098;3. 盐城市交通工程咨询监理有限责任公司,江苏 盐城 224001)
摘 要:现有的含竖向排水体地基固结问题的解析解答大都是在传统的等竖向应变假设基础上建立的,而且在考虑涂抹区土体的渗流和压缩作用方面,还没有真实地体现出涂抹区土体的竖向渗透系数和体积压缩系数,其对地基固结的影响也尚不明确。为此,针对含竖向排水体地基径竖向同时固结的轴对称问题,采用等体积应变假设,考虑井阻作用、涂抹作用、随时间线性堆载预压以及地基附加球应力任意分布,推导了完整的径竖向固结微分方程的解答,给出了超静孔隙水压力和固结度的显式表达式,分析了侧向变形即泊松比效应以及涂抹区土体的竖向渗透系数和三维体积压缩系数对地基整体平均固结度的影响。结果表明,泊松比效应较为明显,基于传统的等竖向应变假设的解答高估了地基的固结速率;不考虑涂抹区土体体积压缩的解答虽然也高估了地基的固结速率,但影响有限;而涂抹区土体的竖向渗透系数对于地基固结的影响则几乎可忽略不计。
关键词:竖向排水体;随时间线性加载;涂抹;井阻;超静孔压;固结度
排水状态下饱和土中基桩动力特性分析
丁伯阳,童晓刚,陈 军,欧阳明
(浙江工业大学减灾防护工程研究所,浙江 杭州 310014)
摘 要:饱和砂土在地震作用下会喷砂冒水,一些饱和土中打桩也会冒水,但目前都无法计算排水。根据Biot弹性两相饱和介质控制方程的固相与流相Green函数频域解析解,通过Sommerfeld积分,化为轴对称坐标下的形式,结合基桩的竖向振动方程与排水状态的Lamb积分公式,计算得到桩顶作用集中力时,符合Darcy定律的排水状态下饱和土中圆柱基桩的动刚度、饱和土孔压、排水量等重要参数,讨论了诸如桩径比等参数在排水状态下对桩的动力特性的影响。结论可供饱和土中桩基的动力响应与桩土相互作用的动力特性研究借鉴。
关键词:排水;桩基;动力特性;饱和土;Green函数
杭州原状软黏土非共轴特性与其影响因素试验研究
严佳佳1,周 建1*,管林波2,龚晓南1
(1. 浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心,浙江 杭州 310058;2.同济大学浙江学院,浙江 嘉兴 314051)
摘 要:很多情况下圣维南假设(主应变增量方向和主应力方向相同)对土体材料并不成立,即土体材料的主应变增量方向和当前主应力方向存在非共轴特性,土体这一特性已经被很多试验所证实。利用浙江大学5 Hz空心圆柱扭剪仪对杭州原状软黏土进行了主应力轴连续旋转、往复循环旋转以及主应力方向角和剪应力同时增大等3种应力路径下的试验,对原状软黏土的非共轴性及其影响因素进行研究。不同主应力轴旋转条件下原状黏土的主应变增量方向和主应力方向之间都存在明显的非共轴现象,与砂土类似但表现形式并不完全相同。初始剪应力较大或主应力轴旋转的同时增加剪应力非共轴性都会减弱;主应力轴往复旋转时,中主应力系数b≠0会使非共轴性更为复杂;经历主应力轴逆向旋转之后非共轴角会增大。此外,试验结果还表明随着扭剪应变的显著增大,非共轴角会减小,甚至出现负值。
关键词:原状软黏土;主应力轴旋转;非共轴;非共轴角
衡重式桩板挡墙受力特性模型试验研究
刘国楠1,胡荣华2,潘效鸿3,刘永春1
(1. 中国铁道科学研究院深圳研究设计院,广东 深圳 518034;2. 深圳市房地产评估发展中心地质环境部 广东 深圳 518034;3. 深圳市国土资源和房产管理局直属分局,广东 深圳 518034)
摘 要:衡重式桩板挡墙是一种新型支挡结构。相比悬臂式桩板墙、桩锚结构等支护形式,其施工更方便,造价更低,且造型更美观。鉴于该结构的特殊性、复杂性及其构造上存在的多个可变因素,该结构的受力特性尚不明确。为此,基于相似理论,以衡重式桩板挡墙的一般形式为原型,通过多组几何比例7∶1的模型试验,研究了衡重式桩板挡墙结构的土压力分布模式。由试验结果得出:①卸荷板下土压力为零;②桩前抗力建议使用m法计算;③整体结构的受力模式与土压力计算模式。
关键词:衡重式桩板挡墙;受力特性;模型试验;土压力计算模式
土钉支护中土压力计算
杨育文
(1. 武汉市测绘研究院,湖北武汉 430000;2. 武汉市勘测设计研究院,湖北 武汉 430022)
摘 要:土钉墙柔性面层结构上承受的土压力既不符合传统土压力理论计算适用条件,也没有现有理论可以求解,目前大多根据工程经验确定。基于土钉技术可充分发挥土体自稳性的特点,将上限理论推导出的计算式与实测数据结合起来,得到一土压力计算方法,并应用于一复合土钉墙实例。计算土压力与实测数据相符。分析结果认为,当开挖深度超过土体的自稳高度后,土钉结构上一定承受土压力,其大小与开挖深度、坡角、土层性质、支护结构布置相关。该方法适用于土钉墙、复合土钉墙土压力计算。
关键词:土钉技术;土钉墙;复合土钉墙;土压力;滑动面
重金属Pb(II)在膨润土上去除特性研究
张金利1,2,张林林1,2,谷 鑫3
(1. 大连理工大学岩土工程研究所,辽宁 大连 116024;2. 大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁 大连 116024;3. 大连理工大学土木水利教学实验中心,辽宁 大连 116024)
摘 要:深入研究成本低廉的膨润土对水溶液中Pb(II)的吸附特性,采用Batch试验方法,分析了土水比、pH、离子强度、反应时间、温度及Pb(II)的初始浓度对Pb(II)在膨润土上吸附性能的影响,并对吸附动力学和吸附平衡试验进行了探讨。Pb(II)在膨润土上去除率与pH、离子强度有很强的依赖性。当pH<7时,膨润土对Pb(II)的吸附主要是离子交换,而当7<pH<10时,内表面络合是主要的吸附机理。膨润土对Pb(II)的吸附非常迅速,15 min去除率就达到50%,120 min内可达到平衡。动力学数据符合伪二级动力学模型,吸附速率常数均随Pb(II)的浓度增加而减小。Langmuir模型可成功的拟合等温吸附数据,膨润土对Pb(II)的吸附量可达27.45 mg/g,升温有利于膨润土对Pb(II)的吸附。试验结果表明:膨润土可作为防污屏障和降低水环境中重金属污染物的吸附剂。
关键词:铅;膨润土;吸附;动力学;平衡
挥发性气体通过填埋场复合覆盖层的一维扩散解析解
关 驰1,谢海建1, 2*,唐晓武1, 2,陈云敏1, 2
(1. 浙江大学建筑工程学院,浙江杭州 310058;2. 浙江大学软弱土与环境土工教育部重点实验室,浙江杭州 310058)
摘 要:为了评价填埋场覆盖层对挥发性气体的防渗性能,建立了挥发性气体在复合覆盖层中的扩散运移模型并采用分离变量法获得了模型解析解。解析解的计算结果与数值解结果吻合得较好。分析结果表明,对于土工膜/土工复合膨润土垫(GM/GCL)与土工膜/压实黏土(GM/CCL)组成的覆盖层,覆盖层顶部气体扩散达到稳态的时间比较接近,约为
关键词:填埋场;挥发性气体;复合覆盖层;扩散;解析解;饱和度
矿物成分相关的黏土一维压缩特性分析
金银富1,张爱军2,尹振宇1*,朱启银1,王建华1
(1. 上海交通大学土木工程系,上海 200240;2. 西北农林科技大学土木工程系,陕西 杨凌 712100)
摘 要:为了探索不同黏土矿物成分对黏土一维压缩特性的影响,采用高岭土、伊利土、蒙脱石及绿泥石,按不同质量比例混合来制备重塑土样,进行室内标准一维压缩试验。大量试验结果对比表明:①高岭土与伊利土混合土样的压缩指数(Cc)和回弹指数(Cs)都随伊利土含量的增加而增加;②高岭土、伊利土与蒙脱石混合土样的Cc和Cs随蒙脱石含量的增加而增大,且蒙脱石的作用占主导地位;③高岭土、伊利土、蒙脱石及绿泥石混合土样的Cc和Cs随蒙脱石与绿泥石二者含量之和的增加而增大,且蒙脱石的作用占主导地位。基于试验结果,总结出各黏土矿物成分影响的压缩指数与回弹指数的非线性表达式。此外,试验表明所有混合土样的压缩指数与回弹指数的比值(Cc/Cs)介于6.1和9.1之间变化。
关键词:高岭土;伊利土;蒙脱石;绿泥石;压缩指数;回弹指数
中—强膨胀土地区铁路路堑基床动静态特性模型试验
王亮亮,杨果林
(中南大学土木工程学院,湖南 长沙 410075)
摘 要:为研究以中—强膨胀土为地基的高速铁路路堑基床在不同服役环境下的动静态特性,在实验室内进行1∶1大比例尺模型试验,分别对基床在干燥状态、降雨和地下水位上升3种服役环境下以4 Hz频率进行100万次激振,监测路堑基床不同位置的动态响应和变形规律。结果表明:轨道正下方位置基床范围内的动应力主要受服役环境影响,与激振次数关系不大;动应力沿深度的衰减曲线近似成二次曲线型;膨胀土路堑基床变形受服役环境的影响大于振动次数;干燥状态和降雨时,基床变形随着振动次数的增加先增大后趋于稳定,地下水位上升时,基底膨胀土膨胀变形,并引起基床产生回弹变形;基底膨胀土干缩湿胀过程中的“过程性变形差”会造成轨面标高反复变化,极大的增加线路维护工作量。
关键词:膨胀土;模型试验;过程性变形差;基床;高速铁路
从息壤到土工合成材料
李广信
(1. 清华大学水利水电工程系,北京 100084;2. 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,北京 100084)
摘 要:据说息壤是一种可以自生自长的土,远古的先民们曾用它防治洪水。对这种传说中的岩土材料进行了考据,根据河狸坝与我国古代的治河工程,指出所谓息壤应当是古代人们利用草、木、竹、石、土创造出来的加筋土,用以拦截阻挡洪水。秦汉时期称为茨防,宋代称为埽工。回顾了我国土工加筋及其在河工中应用的长远历史,指出土工合成材料在保护环境、保护资源和我国经济可持续发展中应用的广阔前景。
关键词:息壤;茨防;埽工;河狸坝,土工合成材料
利用弯曲元测量上海原状软黏土各向异性剪切模量
的试验研究
吴宏伟1,李 青1,刘国彬2
(1. 香港科技大学土木及环境工程系,香港;2. 同济大学地下建筑及工程系,上海 200092)
摘 要:在许多发达国家例如英国,土体的小应变特性已被广泛应用于预测地下建筑物施工引起的地表变形。尽管上海的城市地下基础、基坑与隧道开挖日益增多,但是关于上海原状软黏土小应变剪切模量的研究几近空白。利用装有霍尔局部应变传感器与弯曲元测试系统的三轴仪对上海软黏土剪切刚度的固有各向异性进行了研究。在等向应力状态下对方形原状上海软黏土试样进行了两组试验。试验结果表明:较之传统的初达波法和峰–峰法,互相关法一定程度上提高了弯曲元试验中确定剪切波速的客观性。由于土体水平向层理结构与颗粒间胶结作用的影响,上海软黏土呈现出明显的各向异性,实测最大剪切刚度的固有各向异性比(G0(hh)/G0(hv))约为1.21。利用孔隙比函数F(e)=e-1.3能够很好的描述不同平面内最大剪切模量与土体应力状态的相互关系。
关键词:原状上海软黏土;固有各向异性;小应变;弯曲元;剪切模量
深海能源土宏观力学性质离散元数值模拟分析
蒋明镜1,2,肖 俞1,2,朱方园1,2
(1. 同济大学土木学院地下建筑与工程系,上海 200092;2. 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室,上海 200092)
摘 要:首先,引入笔者等[16-17]所提出的微观胶结模型用以反映能源土颗粒之间水合物微观胶结接触力学特性;其次,采用C++语言将模型程序化,建立同商业软件PFC2D的程序接口,将模型引入离散单元法中;然后,通过简化计算方法确定胶结宽度随水合物浓度的变化规律,进而确定水合物微观胶结参数;最后,根据所确定的胶结参数,针对不同水合物浓度试样进行能源土宏观力学特性离散元双轴试验模拟,并从应力应变、体积应变、水合物对能源土弹性模量的影响等方面与Masui等[4]所进行的能源土室内三轴试验进行对比分析。结果表明:所选择胶结模型及微观胶结参数能有效反映深海能源土宏观力学规律;能源土峰值强度、弹性模量均随水合物浓度增加而增加,体积膨胀随水合物浓度的增加越来越显著。
关键词:深海能源土;微观胶结模型;离散单元法
重塑黏土临界状态线随初始含水率的变化规律
卞 夏1,洪振舜1,蔡正银2,曾玲玲3
(1. 东南大学交通学院岩土工程研究所,江苏南京 210096;2. 南京水利科学研究院岩土工程研究所,江苏南京 210024;3. 福州大学土木工程学院,福建 福州 350108)
摘 要:针对具有不同初始含水率的两种饱和重塑黏土进行了一系列的三轴固结不排水剪切试验,探讨初始含水率对黏土临界状态的影响,得到了不同初始含水率重塑土的应力–应变关系和有效应力路径。根据应力–应变关系曲线发现不同初始含水率重塑土均存在临界状态应力比。基于临界状态土力学理论研究了在p´–q平面和v–lnp´平面内临界状态线随初始含水率的变化规律,并分析了初始含水率对临界状态参数的影响。
关键词:重塑土;初始含水率;三轴试验;临界状态线;临界状态参数
某板岩粗粒料湿化特性三轴试验研究
朱俊高1, 2,Mohamed A. ALsakran1, 2,龚 选1, 2,轩向阳1, 2,吉恩跃1, 2
(1. 河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏 南京 210098;2. 河海大学岩土工程科学研究所,江苏 南京 210098)
摘 要:对某板岩粗粒料进行了大型三轴湿化变形试验,分析了湿化体积应变、湿化剪应变等随围压、应力水平变化关系。试验结果表明:湿化体积应变、湿化剪应变随着围压增大或应力水平的提高而增大。利用试验结果研究了沈珠江湿化变形模型对试验所用的板岩粗粒料的适用性。结果显示,沈珠江模型不能满意地反映湿化体积应变,但是,能较好地反映湿化剪应变与应力状态的关系。分析湿化后剪切强度性质,发现不同应力水平下湿化对粗粒土的强度指标影响很小。
关键词:湿化变形;大型三轴试验;强度指标;沈珠江模型
基于与围岩相互作用的冻结壁弹塑性设计理论
杨维好1,2,杨志江1,2,柏东良1
(1. 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏 徐州 221008;2. 中国矿业大学力学与建筑工程学院,江苏 徐州 221008)
摘 要:冻结壁设计理论是冻结法凿井技术的核心之一。传统的冻结壁厚度弹塑性设计公式在冻结壁与围岩的弹性模量之比小于10时有较大的误差。为了更合理地设计冻结壁,建立了考虑开挖卸载作用的冻结壁与围岩相互作用弹塑性力学模型,推导了应力与位移解析解,建立了新的弹塑性冻结壁厚度计算公式,分析了各因素对冻结壁厚度的影响规律。分析表明,新公式较传统的多姆克公式更合理,并建议选用Coulomb-Mohr屈服准则进行冻结壁厚度计算。
关键词:冻结壁;围岩;相互作用;弹塑性分析;设计理论
高碱溶液对高庙子膨润土侵蚀作用的研究
陈 宝,张会新,陈 萍
(同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室,上海 200092)
摘 要:采用NaOH溶液模拟高放射性核废物处置库中可能产生的高碱性孔隙水,对初始干密度为
关键词:膨润土;高碱性孔隙水;扫描电镜;透射电镜
钢波纹管涵洞受力与变形特性模拟试验研究
冯忠居1,乌延玲1,2,贾彦武1,3,熊山铭1,4,王彦志2
(1. 长安大学公路学院,陕西 西安 710064;2. 赤峰市公路管理处,内蒙古 赤峰 024000;3. 中国水电顾问集团西北勘测设计研究院,陕西 西安 710065;4. 江西省赣南公路勘察设计院,江西 赣州 341000)
摘 要:通过室内模拟试验,选取钢波纹管涵洞中间断面,在特征点布设应变片、土压力盒及变形测量仪器,对钢波纹管涵洞的力学特性、管周土压力及涵管变形规律进行了研究,分析了应变与应力、管周土压力及涵管变形的变化规律。研究结果表明:钢波纹管内、外部波峰与波谷环向拉、压变化规律一致;在最高填土高度为
关键词:路基工程;钢波纹管涵洞;模拟试验;受力与变形特性;设计参数
立柱桩在深基坑分步开挖过程中的上拔位移分析
楼晓明1,杨 晶1,李德宁1,刘建航1, 2
(1. 同济大学地下建筑与工程系,上海 200092;2. 上海申通地铁公司,上海 200031)
摘 要:基于对坑底地基卸荷应力与回弹变形的新认识和一种可考虑桩间土承受附加荷载与变形的广义荷载传递法,提出了深基坑立柱桩因开挖而隆起的分析方法。该方法可考虑立柱桩的变截面特性以及分步设撑、开挖的施工工况,可分析桩土之间的荷载传递特性。由于支撑立柱桩容易实施位移观测,立柱桩的分析结果便于与实测结果比较,为分析方法的完善、计算参数的合理选取提供基础。通过和2个工程实例对比,验证了用本方法计算立柱桩在开挖过程中受力及位移的合理性,同时对计算值与实测值的差异原因进行了讨论。
关键词:深基坑;立柱桩;荷载传递法;隆起;上拔位移