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期刊信息
  • 岩土力学
    Rock and Soil Mechanics
    (月刊,1979年创刊)
    主管:中国科学院
    主办:中国科学院武汉岩土力学研究所
    主编:孔令伟
    编辑:《岩土力学》编辑部
    ISSN 1000-7598 CN 42-1199/O3
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2016年, 第37卷, 第8期 刊出日期:2016-08-11
基础理论与实验研究
重力式挡土墙抗滑稳定分析安全判据和标准
陈祖煜 ,詹成明 ,姚海林 ,陈立宏 ,李 旭,
. 2016 (8):  2129-2137.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.08.001
摘要 ( 1199 )   PDF(552KB) ( 1517 )  
探讨水利、交通等领域挡土墙设计规范中对抗滑稳定安全系数规定的允许值的合理性,认为其相应值与国外相关规定相比偏小。从理论上分析,使用抗力除以土压力的安全系数定义计算土压力相应的强度参数是标准值,而非经分项系数或安全系数折减后的标准值,其允许安全系数宜大于边坡等同类土方构筑物的相应值。认为建立在可靠度理论指导下的分项系数方法可以从根本上摆脱在安全判据方面存在的缺陷。在假定一级建筑物的允许可靠指标为3.7、土的黏聚力和摩擦系数变异系数分别为0.2和0.1的条件下,对一个特定的算例,填土的黏聚力、摩擦系数和基底的摩擦系数分项系数标定值分别为 1.301, 1.209和 1.170,应用提出的相对安全率判据,可以发现上述的分项系数标定值具有普适意义。该成果可以为相关规范的制订提供参考。
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一种新的本构模型及参数标定
卢应发
. 2016 (8):  2138-2144.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.08.002
摘要 ( 942 )   PDF(1906KB) ( 1692 )  
在现行本构模型研究的基础上,建立了一种全新本构模型,它可以描述4种行为特征:弹性-弹塑性-软化、弹性-弹塑性-硬化、理想弹塑性、弹脆性;其模型参数只有4个,现行模型只是该模型的特例(如:邓肯-张模型),介绍了模型参数的决定方法,其决定的依据是:模型所描述的行为特征与实测数据之间相关度最优;分析了岩土体破坏后区特征,提出岩土体破坏后区行为可以定义为视应力-视应变特征。并以实例对该模型进行了说明,结果表明,该模型可以描述岩土体的行为特征,并对虚内键模型、弹簧模型和离散单元法等具有借鉴作用。
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南宁膨胀土的体积含水率-等效介电常数关系
吕海波,蒋文宇,赵艳林,曾召田,
. 2016 (8):  2145-2150.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.08.003
摘要 ( 997 )   PDF(491KB) ( 1217 )  
体积含水率-介电常数关系是时域反射法(TDR)测量土体体积含水率的理论基础。通过对重塑的南宁膨胀土进行试验,选择经验公式法、边界法及理论模型法模拟其体积含水率-等效介电常数的变化规律。研究发现,南宁膨胀土的实测值落在Hashin-Shtrikman边界和Wiener边界以内,但Hashin-Shtrikman边界具有更小的范围;由于膨胀土的黏性较大,结合水存在显著的影响,Topp公式计算值偏高,但采用考虑三相组分含量的Looyenga公式可反映结合水的影响,从而得到更好的结果;理论模型法的Maxwell-Garnett模型和差分有效介质模型(DEM)需要考虑三相的构成,单独采用气相连续或水相连续的模拟结果均不理想,但如考虑土中水、气分布形态,采用饱和度作为权重函数对单相计算结果进行加权平均后可取得较好的效果。
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垂直界面附近椭圆形夹杂对SH波的散射与地震动研究
齐 辉,丁晓浩,张 洋
. 2016 (8):  2151-2158.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.08.004
摘要 ( 825 )   PDF(523KB) ( 801 )  
利用复变函数法和Green函数法给出了SH波对垂直界面附近椭圆形夹杂散射问题的解析解答。首先,将待求的半空间模型沿垂直边界分割为区域Ⅰ和区域Ⅱ两个直角域。通过保角映射的方法将区域Ⅰ内椭圆形夹杂的外域映射为单位圆外域,并利用镜像方法构造出两个区域内满足直角域边界条件的散射波场及适用的Green函数;其次,利用界面契合思想,通过在界面处添加附加力系的方法建立起满足界面处位移和应力连续条件的无穷代数方程组,并截断有限项求解;最后,给出了求解地表位移幅值的具体算例。结果表明,入射波数、入射角度、夹杂位置、垂直界面以及材料参数都对地表位移幅值的分布有影响。
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一种基于弹性应变能的裂隙岩体等效弹性模量评价方法
杨建平,陈卫忠,杨典森,田洪铭,
. 2016 (8):  2159-2164.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.08.005
摘要 ( 1038 )   PDF(683KB) ( 976 )  
基于线弹性断裂力学裂隙面张开位移及剪切位移理论公式,考虑裂隙存在常法向和常切向刚度情况,研究了含单个裂隙岩体加载过程中由于裂隙存在而附加的弹性应变能。基于应变能等效方法并假设两种裂隙变形模型——非均匀变形模型和均匀变形模型,研究了二维非贯通裂隙岩体的等效杨氏模量和等效剪切模量解析表达式。研究结果表明,对于贯通裂隙规则分布情况,均匀变形模型得到的解析解与Amadei等的结果一致;对于非贯通裂隙正态分布情况,考虑裂隙相互作用的非均匀变形模型解明显低估裂隙岩体的等效杨氏模量和等效剪切模量,而考虑裂隙相互作用的均匀变形模型解与有限元数值解的偏差在10%以内。得到的解析表达式在一定条件下可以作为裂隙岩体等效弹性模量评价方法之一。
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荷载-干湿循环共同作用下泥岩的压缩特性
谈云志,胡莫珍,周玮韬,左清军,汪洪星,喻 波,
. 2016 (8):  2165-2171.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.08.006
摘要 ( 927 )   PDF(1011KB) ( 1120 )  
泥岩遇水易崩解泥化,特别是耦合荷载作用后,其力学性能衰减更加明显。为掌握泥岩在环境因素和外部荷载作用下的性能演化规律,开展了干湿循环与上覆荷载共同作用下的压缩特性试验。发现初次浸水后压实泥岩发生膨胀,但随着干湿循环作用的进行,泥岩试样发生压缩变形。然后,对压实泥岩试样进行孔隙分析,结果表明,泥岩孔隙分布呈现双峰特征,峰值大约位于0.3 ?m和10.0 ?m孔径处,干湿循环和荷载的作用引起孔隙体积减小,特别是对大孔径孔隙的影响最显著。最后,依据泥岩的膨胀、压缩和孔隙分布特征,提出了压实泥岩的孔隙-荷载-水分相互作用模型,将压实泥岩的孔隙体积分为团粒内孔隙和团粒间孔隙两类;分析了荷载-干湿循环引起泥岩团粒崩解破碎和充填团粒之间孔隙的演变过程。揭示了泥岩孔隙-水分-荷载的相互作用机制,为泥岩路基的填筑提供了理论参考。
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截齿破岩机制及截线间距优化试验研究
张倩倩,韩振南,张梦奇,张建广,
. 2016 (8):  2172-2179.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.08.007
摘要 ( 896 )   PDF(1430KB) ( 911 )  
根据截齿侵入岩石的断裂特征和相关试验数据,分析了破岩机制及不同截线间距对破岩效果的影响。在单刀旋转截割试验平台上,以不同切削深度和截线间距进行组合试验,并结合比能耗、粗度指数及截割载荷3个评价指标,对截线间距进行优化,研究截割该类型砂岩时截线间距与切削深度的最佳比值。试验结果表明,岩石在单齿旋转截割作用下的破碎过程大致可以分为初始压碎区细粒岩屑生成、密实核形成并储能、各向裂纹的扩展与连通、断裂体崩落、二次压碎区细粒岩屑生成5个阶段,且岩屑的断裂是以拉伸为主并伴随着挤压和剪切的共同作用;在最佳截割条件下,粗度指数较高,岩屑成块率增加,且比能耗低。通过分析岩石破碎过程及对截线间距的优化,可为掘进机破岩机制研究及截齿布置提供参考。
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压剪作用下裂隙扩展过程渗流与应力耦合模型研究
赵 瑜,王超林,万 文,
. 2016 (8):  2180-2186.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.08.008
摘要 ( 1068 )   PDF(456KB) ( 1132 )  
裂隙的剪胀特性及扩展演化规律对岩体的渗流特性具有重要影响。为揭示裂隙剪胀及扩展演化对岩体渗流的影响,基于残余强度提出了一种能较好描述岩石硬化-软化特性的全剪切本构关系;结合剪切变形与裂隙开度的关系,利用最小势能原理和立方定律,建立了压剪作用下考虑裂隙剪胀特性的渗流应力耦合模型;假定压剪作用下裂隙发生Ⅰ型扩展,提出了伴有翼型裂纹的渗流模型,该模型不仅考虑了岩石的剪胀特性,更反映了裂隙扩展过程渗流的演化规律。对不同裂隙粗糙度的剪切应力-位移曲线进行分析,全剪切本构模型表现出较高的拟合精度。在剪切应力-位移关系基础上,通过剪切渗流试验数据对压剪作用下渗流模型进行验证,结果表明,该模型能较好地描述岩体剪胀阶段渗透性演化规律。利用等效裂隙简化裂隙网络,并通过试验数据进行验证,证实了裂隙扩展过程渗流-应力耦合模型的准确性与适用性。
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粗粒料试验缩尺效应的分析研究
武利强,朱 晟,章晓桦,陈文亮,
. 2016 (8):  2187-2197.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.08.009
摘要 ( 932 )   PDF(616KB) ( 968 )  
为了对粗粒料缩尺效应有全面的认识,对粗粒料缩尺效应的表现形式进行了系统地阐述,可分为密实度缩尺效应和力学特性缩尺效应。以此为准,整理了前人的研究成果,并总结了缩尺效应的表现规律。密实度缩尺效应规律为:最大粒径越大,则最大或最小干密度越大,且这种规律与缩尺方法无关。此规律可从级配、颗粒形状及压实功3个方面进行解释。力学特性缩尺效应规律为:同一干密度制样标准下,抗剪强度和变形模量均随最大粒径增大而减小,这可从密实度和颗粒强度两个方面进行解释;但同一相对密度制样标准下,力学特性缩尺规律不统一,机制不清晰,需进行进一步地研究。
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一个描述软黏土时效特性的一维弹黏塑性模型
柯文汇,陈 健,盛 谦,栗晓龙,黄珏皓,
. 2016 (8):  2198-2205.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.08.010
摘要 ( 1201 )   PDF(490KB) ( 947 )  
为了描述软黏土一维应力-应变关系的时效特性,基于Bjerrum的等时间线体系,提出等黏塑性应变率线概念,推导了黏塑性应变率与黏塑性应变增量的关系,建立了软黏土的一维弹黏塑性模型;从理论上分析了新建模型与3种典型的一维弹黏塑性时效本构模型的内在联系,表明新建模型与其他3种模型在本质上是等效的,且形式更简洁,物理意义更明确;利用新建模型对软黏土的固结-蠕变耦合效应、应变率效应、应力松弛效应等时效特性进行了理论分析,并得到了相应的解析解;结合宁波软黏土的一维固结试验,阐述了模型参数的确定方法,并用新建模型对宁波软黏土的固结-蠕变试验、温州软黏土的一维多级等应变率试验、香港海相软黏土的一维应力松弛试验进行模拟,验证了新建模型的有效性。研究结果表明,新建模型能很好地模拟软黏土的一维时效特性。
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基于有限结构面的三维复杂块体切割研究
杨石扣,任旭华,张继勋
. 2016 (8):  2206-2212.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.08.011
摘要 ( 860 )   PDF(3925KB) ( 1252 )  
岩体的块体结构和结构面网络模型生成,是进行各种力学分析和场分析的基础。详细研究了有限结构面进行复杂块体切割的过程,提出了相应的算法,并采用C++语言编写了相应的程序。为描述块体切割后的复连通特性,在块体数据结构中添加了有向壳的概念。结构面可以为简单的凸多边形,也可采用形态更加复杂的凹多边形。通过面-面求交线、交线环路搜索形成有向环、有向环包含关系分析形成有向面、有向面拓扑搜索形成有向壳和有向壳包含关系分析形成块体等过程,将有限结构面分别与各块体进行切割运算,形成进行块体切割的一般方法。在切割过程中将得到的有向环,有向面、有向壳和块体分别进行拓扑有效性校核,满足要求后得到最终的块体和结构面网络模型。选取4个算例来验证该方法的可行性。计算结果表明,该方法可以对复杂块体进行有效地切割,结构面可以选择包括凹形面在内的复杂多边形,方法具有普遍意义。
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分级循环荷载下土工格室加筋路堤模型试验研究
高 昂,张孟喜,刘 芳,梁 勇,
. 2016 (8):  2213-2221.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.08.012
摘要 ( 1964 )   PDF(576KB) ( 952 )  
目前对土工格室加筋路堤研究主要集中在静载条件下,动载条件下研究的比较少。为研究分级循环荷载下土工格室加筋路堤的力学性能,采用USTX-2000的动力加载装置进行加载,对土工格室加筋路堤在不同加筋层数、格室高度、格室焊距等工况下进行一系列模型试验。对分级循环荷载下路堤的竖向变形和坡面法向变形进行研究,并与固定振幅循环荷载及静载作用下的路堤进行对比分析,研究不同加载方案路堤力学性能的差异性。试验结果表明,土工格室加筋能显著提高路堤承受分级循环荷载的能力和减小竖向累积沉降量,在加筋间距一定的情况下,两层及以上加筋效果比单层加筋效果更显著,格室高度增大和格室焊距减小均可不同程度提高路堤承受分级循环荷载能力并减小竖向累积沉降量;加筋可减小路堤分级循环荷载下的坡面法向变形,格室高度增大和格室焊距减小在分级循环荷载幅值相同时均能减小坡顶和坡中处的法向累积变形;分级循环荷载作用下,当振次≥8 000或幅值≥80 kPa时,路堤竖向累积沉降量超过固定振幅循环荷载,当振次≥9 000或振幅≥90 kPa时,路堤坡顶法向累积变形超过固定振幅循环荷载;分级循环荷载作用下,路堤竖向和坡面法向累积变形均大于静载,加筋可有效减小分级循环荷载和静载作用下坡面法向累积变形差。
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一种双折减系数的强度折减法研究
袁 维,李小春,王 伟,白 冰,王奇智,陈祥军,
. 2016 (8):  2222-2230.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.08.013
摘要 ( 974 )   PDF(611KB) ( 1187 )  
传统的强度折减法采用相同的折减系数对黏聚力和内摩擦角进行折减,边坡达到临界状态时的折减系数就是边坡的安全系数,此单一折减系数的折减方法被定义为等比例折减。对于一个边坡几何构型和岩体重度确定的边坡而言,使边坡处于临界状态的黏聚力和摩擦系数组合并不惟一,等比例强度折减法所得到边坡临界状态的黏聚力和摩擦系数只是其中可能的一种潜在组合,因此,其只是众多寻找临界状态方法中的一种折减形式,并不一定就是最优的折减方式。基于以上认识,首先建立不同边坡形状、不同岩体重度条件下临界状态边坡的 - 曲线,假设岩体的黏聚力和内摩擦角在衰减破坏的过程中应沿着距离 - 临界曲线最短的路径折减,进而建立黏聚力和内摩擦角的配套折减原则,提出了一种双参数强度折减法。最后,通过3个算例比较了等比例强度折减法与双参数强度折减法的差异,结果表明,等比例强度折减法和双参数强度折减法得到的边坡临界状态并不相同,后者得到的临界滑动面范围要比前者得到的滑动面范围大。
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红层软岩模型试验相似材料的配比试验研究
杨 旭,苏定立,周 斌,刘 镇,周翠英,
. 2016 (8):  2231-2237.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.08.014
摘要 ( 1141 )   PDF(553KB) ( 1156 )  
相似模型试验是研究红层软岩工程性质的重要手段之一,其试验结果的可靠性依赖于相似材料的正确选择与合理配比。针对红层软岩遇水极易软化的特性,在传统相似材料配比基础上添加生石灰,采用正交设计方法开展了相似材料配比试验,以骨料中铁粉与钡粉质量比例、铁粉与钡粉总质量中铁粉的质量比例、石膏质量、生石灰质量为4个因素,每个因素设置了5个取值水平,共制作25组、610个试样。每组试样均测试了其软化系数、密度、无侧限单轴抗压强度、抗拉强度及黏聚力与内摩擦角等物理力学参数,并研究了这些参数随上述4个因素取值水平的不同而变化的规律。最后,基于上述结果,配制了3种典型的软岩相似材料,并分别开展了真实软岩材料的饱水软化平行对比试验。研究结果表明:(1)根据配比方案所配相似材料物理力学参数可基本满足软岩相似模型试验的要求;(2)相似材料物理力学参数变化规律明显,便于通过调节其配比模拟不同软岩材料;(3)三组对比试验中相似材料饱水软化系数与真实软岩具有较高吻合度。
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基于动力学和材料软化特性的边坡渐进破坏特征研究
薛海斌 ,党发宁,尹小涛,雷 曼,杨 超,
. 2016 (8):  2238-2246.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.08.015
摘要 ( 1114 )   PDF(987KB) ( 877 )  
边坡的失稳是一个从量变到质变的动态渐进破坏过程,此问题也是边坡领域研究的重点与难点之一。在考虑岩土材料软化特性和动力学求解的基础上,建立了边坡渐进破坏仿真的理论框架;利用ABAQUS软件的动力显式求解模块实现了边坡的渐进破坏仿真;根据塑性应变揭露了剪切带的扩展过程,由软化本构确定了滑面材料的分区演化规律,根据等效塑性应变确定了边坡的滑面,通过滑面位置将边坡分为滑体、滑带、滑床,并分别研究了边坡各分区内部特征点运动学变量的发展过程,从而揭示了边坡的渐进破坏过程;基于材料参数沿滑面的时空分布,利用矢量和法得到了边坡不同演化阶段的安全系数。对比该方法与Bishop法确定的滑面位置与安全系数,发现两种方法峰值和残余强度对应的安全系数比较接近,该方法搜索所得滑面位于Bishop法自动搜索的滑面之间,验证了此方法的合理性及可靠性。最后分析了材料软化特征对边坡稳定性的影响,在保持其他参数不变的条件下,增大残余黏聚力,边坡的滑面位置加深,安全系数的初始值减小,安全系数的快速减小阶段有所推迟,并且快速减小阶段经历的时间有所延长,稳定后的安全系数有所增大。保持其他参数不变,增大残余黏聚力对应的等效塑性应变阈值,边坡的滑面位置加深,安全系数的初始值减小,安全系数的快速减小阶段有所推迟,但快速减小阶段经历的时间基本不变,达到稳定的时间有所推迟,同时稳定后的安全系数略微有所增大。
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红黏土工程性状的干湿循环效应试验研究
穆 坤,孔令伟,张先伟,尹 松
. 2016 (8):  2247-2253.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.08.016
摘要 ( 1454 )   PDF(484KB) ( 1075 )  
为研究湿热多雨气候条件诱发的干湿循环过程对红黏土长期性能的影响规律,对制样过程中干湿循环含水率变化幅度控制技术进行改进,制备不同干湿循环次数以及含水率变化幅度试样。利用固结排水三轴剪切与压缩试验,研究了干湿循环次数与干湿循环含水率变化幅度对压实红黏土工程性状的影响规律。结果表明,压实红黏土的黏聚力 与内摩擦角 均随干湿循环次数 的增加而衰减,首次干湿循环之后衰减效应最显著,其后较弱并趋于稳定, 的衰减程度小于c,且在低围压下的抗剪强度随干湿循环衰减更加显著;压缩模量E1-2随N的总体衰减规律与强度参数类似,但衰减幅度小于c而大于 ;随着干湿循环含水率变化幅度增大,压实红黏土c与E1-2略有减小, 基本不变,压实红黏土含水率在 4%变化范围内,具有相对稳定的力学特性。该研究表明,红黏土不宜直接用于填筑路床与边坡表层的填料,可以作为上下路堤堤心的填料,但必须采取防排水工程措施与边坡防护措施。
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岩石裂隙的非饱和渗透特性及其演化规律研究
李 毅,
. 2016 (8):  2254-2262.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.08.017
摘要 ( 924 )   PDF(845KB) ( 1457 )  
岩石裂隙的非饱和渗透特性是岩土、能源和环境等领域科学研究中的热点问题。采用三维激光扫描获取花岗岩裂隙的表面形貌特征,分析裂隙微观形貌特征对非饱和渗透特性的影响。研究在张拉、压缩、剪切等复杂荷载作用下裂隙开度分布的演化规律,建立复杂荷载作用下岩石裂隙非饱和毛细压力曲线演化模型。基于裂隙的微观形貌特征推导了岩石裂隙非饱和相对渗透系数模型,通过与试验数据对比,验证了模型的准确性和有效性,并在此基础上建立了复杂荷载作用下岩石裂隙非饱和相对渗透系数演化模型。研究成果对非饱和条件下裂隙岩体的水-力耦合机制研究具有一定指导意义。
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地表超载对地铁盾构隧道的影响分析
张明告,周顺华,黄大维,王秀志,刘洪波,
. 2016 (8):  2271-2278.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.08.019
摘要 ( 2037 )   PDF(575KB) ( 1125 )  
针对地表超载导致的隧道竖向土压力问题,参照室内模型试验的隧道结构变形与土压力实测结果,建立了有限元模型。在地表超载作用下,分析了隧道穿越土层与隧道上覆土层的压缩性能对隧道周围土压力与结构变形的影响。结果表明:隧道穿越土层的压缩模量越小,地表超载作用导致的隧道竖向土压力越大,且对应的隧道水平土压力越小,隧道结构越容易发生横椭圆变形;隧道上覆土层的压缩模量越小,地表超载作用导致的竖向土压力越小,隧道结构发生的变形也越小;在软土地区地表堆土(超载)导致的隧道竖向土压力要大于按土柱理论计算所得的隧道竖向土压力。研究结果可为软土地区地铁盾构隧道设计与运营期管控提供参考依据。
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不同级配粗颗粒材料动力特性试验研究
傅 华,赵大海 ,韩华强,凌 华,
. 2016 (8):  2279-2284.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.08.020
摘要 ( 1095 )   PDF(586KB) ( 1153 )  
级配是粗颗粒材料最基本特征,根据大量试验结果和长期积累的试验经验,总结出了试验级配缩制的具体原则,并基于粗颗粒材料中小于等于5 mm粒径含量变化,分析了级配优劣对其充填关系的影响,级配越优,粗颗粒材料的充填关系越好,粗颗粒材料能达到较大的干密度,反之则越差,粗颗粒材料也难以获得较大的干密度。级配的优劣对堆石料动力特性的影响在低围压状态下并不明显,随着围压的升高,级配优的堆石料动力特性指标明显变优;砂砾料由于颗粒浑圆度较好,级配的优劣对其动力特性的影响逐渐减弱。针对上述级配对粗颗粒材料动力特性的影响规律,对于高土石坝来说有必要采用级配优的粗颗粒材料作为坝体的填筑料,通过其在高应力条件下力学性能的优势来控制坝体整体变形和提高其抗震性能。
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黏土的张拉-剪切耦合强度研究
孔小昂,蔡国庆,赵成刚,
. 2016 (8):  2285-2292.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.08.021
摘要 ( 1166 )   PDF(666KB) ( 1172 )  
现有的土体强度研究主要集中在土体受到压缩剪切作用,而针对单轴拉伸、拉剪耦合或多向拉伸作用的研究较少。当前土的联合强度理论仍建立在土体受压缩剪切作用的基础上,不适用于分析土的抗拉强度和拉剪耦合强度。针对饱和黏土中的拉剪联合作用,建立了饱和黏土的张拉-剪切耦合强度模型,给出了饱和黏土张拉-剪切耦合强度公式以及多向拉伸作用下的强度公式;基于已有的饱和黏土试验数据以及所做的饱和黏土室内试验数据对所建立的强度模型预测能力进行了验证,并与其他联合强度模型进行对比分析,检验了强度模型的适用性和准确性;强度模型全面、合理地描述了饱和黏土的压剪强度、张拉-剪切耦合强度及多向拉伸强度特征,为饱和黏土张拉-剪切耦合问题的解决奠定了理论基础。
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挡墙水平变位诱发地表沉降的简化解析解
沈路遥,钱建固,张戎泽,
. 2016 (8):  2293-2298.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.08.022
摘要 ( 1488 )   PDF(618KB) ( 892 )  
推导了平移模式下的地表沉降理论显式解,在此基础上提出了任意挡墙变位诱发墙后地表沉降的简化计算方法。分别与平移、绕墙趾及绕墙顶等3种变位模式下的弹性有限元数值解进行对比分析,对简化解析方法进行了验证。最后将这一简化解析方法应用于工程案例预测,与软土地基现场实测结果进行对比,发现理论预测的地表沉降曲线与实测值相吻合,且较准确地预测了最大沉降发生的位置,表明了该简化解析方法的实用性。
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基于数字图像相关法的两类岩石断裂特征研究
纪维伟,潘鹏志,苗书婷,苏方声,杜梦萍
. 2016 (8):  2299-2305.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.08.023
摘要 ( 916 )   PDF(1014KB) ( 1104 )  
岩石破坏时的临界断裂特征,如过程区长度,裂缝口张开位移是运用断裂力学解决岩石断裂问题的关键所在。传统测量方法,如应变片、直线位移传感器无法获得岩石破坏时的全场变形,因此,也无法准确地获得上述断裂特征。数字图像相关法是一种光学的变形测量方法,其通过试样表面的数字图像采集及相关计算,能够获得岩石破裂过程各个阶段的高精度全场变形特征。利用该试验手段,对两类岩石,即相对较硬的大理岩和相对较软的黄砂岩开展了一系列半圆盘三点弯曲断裂试验并获得了岩石断裂时的临界变形场,对变形场进行分析,从而确定了两类岩石破坏时临界特征、过程区长度及裂缝口张开位移。结果表明,大理岩的断裂过程区长度明显小于黄砂岩的断裂过程区长度,峰值时黄砂岩COD的值均大于相同裂纹长度的大理岩,而较软岩的力学行为更容易受边界效应的影响。上述研究有助于进一步了解不同类型岩石的断裂发展过程并采用相应的方法来解决岩石破裂问题。
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干湿循环条件下压实黄土变形特性试验研究
王 飞,李国玉,穆彦虎,张 鹏,吴亚虎,范善智,
. 2016 (8):  2306-2312.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.08.024
摘要 ( 1071 )   PDF(528KB) ( 1186 )  
由于降雨及蒸发的周期性变化等原因,压实地基土经常处于干湿交替状态,这种干湿循环作用会影响路基及地基的长期稳定性。通过气压式固结仪测试压实黄土试样经过不同次数干湿循环作用后的侧限压缩应变与垂直压力( - )曲线,研究干湿循环作用对压实黄土变形特性的影响,同时利用已有模型对实测曲线进行拟合,并基于割线模量法分析了割线模量与初始压实度及干湿循环次数的关系。结果表明:初始压实度对黄土的压缩变形有显著影响,不同初始压实度的试样其各级压力下的侧限压缩应变均随着干湿循环次数的增大逐渐增加,之后趋于稳定;初始压实度越高,干湿循环作用影响效应越显著;干湿循环作用并不改变土体 - 曲线的形式;割线模量与干湿循环次数及初始压实度的关系均呈指数关系。
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不同粒径花岗岩断裂力学行为及声发射特征研究
邓朝福 ,刘建锋 ,陈 亮 ,李 莹 ,向 高,
. 2016 (8):  2313-2320.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.08.025
摘要 ( 1298 )   PDF(778KB) ( 998 )  
利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统及声发射(AE)三维定位实时监测系统,对4种不同粒径北山花岗岩进行断裂韧度试验,系统研究了不同粒度北山花岗岩的断裂力学行为及声发射特征。在三点弯曲试验条件下,北山花岗岩峰值过后断面还具有较大的承载面积。粒径越大,其峰值载荷越低,且屈服载荷所占峰值荷载百分比越小,断裂韧度值越小;粒径越大其破坏过程中的总变形量越大,且加载末期承载能力越高。细粒及中细粒岩样声发射事件最早出现于拉应力较大的尖端下部,而强度相对较小的粗粒及中粗粒岩样声发射事件最早出现于受点荷载的上端部。声发射事件集中出现于裂纹稳定扩张阶段,这一阶段为岩石断裂的最主要阶段。粒径越大,声发射事件越多,且整个断面分布越广泛。
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考虑非达西渗流的双层软土地基大变形非线性固结分析
董兴泉,李传勋,陈蒙蒙,张 军,谢康和,
. 2016 (8):  2321-2331.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.08.026
摘要 ( 949 )   PDF(731KB) ( 858 )  
现有的双层软土地基大变形固结理论均假定土中渗流遵循达西定律,但软黏土中渗流在低水力坡降下会出现偏离达西定律的现象已逐渐为人们认识。综合考虑双层软黏土中的非达西渗流、软土的非线性压缩渗透特性及实际中的变荷载作用,在拉格朗日坐标系中建立以超静孔压为变量的软土大变形非线性固结模型,并给出其有限差分解。在此基础上,通过与已有的非达西定律下单层地基大变形固结数值解计算结果相对比,以验证其差分解的可靠性。最后着重分析上、下层非达西渗流参数m1、i11及m2、i12对固结性状的影响,并分析了在大、小变形不同几何假定下对双层地基超静孔压消散及固结沉降影响的异同。结果表明:上层土参数m1、i11对固结性状的影响要比下层土参数m2、i12显著;m2、i12的增大会引起上层土超静孔压消散速率的加快,但双层地基的固结速率会减慢;大变形假定下双层软土地基的固结速率要比小变形假定下快,但两种几何假定下双层地基的最终沉降量是相等的。
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基于红外热成像技术的抗滑桩土拱效应模型试验研究
金 林,胡新丽,谭福林,何春灿,章 涵,张玉明
. 2016 (8):  2332-2340.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.08.027
摘要 ( 1252 )   PDF(787KB) ( 1042 )  
采用模型试验是研究滑坡及其抗滑结构的一种有效方法,红外热像仪在滑坡模型试验中的应用是基于红外检测和热成像原理,利用红外热像仪对滑坡模型抗滑桩区域坡表温度进行有效、准确、实时地检测并记录,有助于分析滑坡破坏过程中抗滑桩所在区域温度场的变化规律,从能量的角度对抗滑桩土拱效应进行研究。试验结果揭示了滑坡抗滑桩区域温度场的分布规律,从温度场方面证实了土拱效应的存在,并揭示了土拱形成过程及其机制;抗滑桩有效地阻止了滑坡推力向桩前发展,发挥了抗滑效果;滑坡发生过程中岩土体应力场、位移场和能量变化是息息相关的。红外热成像技术的应用为抗滑桩土拱效应的研究提供了一种新的研究方法,使得从能量变化的角度研究抗滑桩等防治结构作用机制成为可能,其可行性和可靠性在模型试验中得到了验证。
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大理岩断裂能与细观结构几何特征相关性
姚哨峰,张振南,葛修润,邱一平,徐金明,
. 2016 (8):  2341-2346.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.08.028
摘要 ( 1266 )   PDF(1864KB) ( 882 )  
岩石在细观尺度上是由矿物颗粒胶结而成,除细观结构的力学特性外,其几何特征(颗粒界面网络结构和颗粒粒度分布)也对宏观断裂能具有一定的影响。为了探索这种几何特征与大理岩断裂能之间的相关性,从而进一步揭示岩石细观断裂机制,首先通过三点弯曲试验测定大理岩的断裂能,然后在试验后的三点弯试件断口处取岩石切片,进行电镜(SEM)扫描以获取岩石细观结构图像。利用图像处理技术获取岩石细观颗粒的界面网络图。通过对颗粒界面网络图分析,发现颗粒界面网络拓扑结构与颗粒粒度分布具有较强的分形特征。将二者分形维数与试件宏观断裂能相对比,发现它们之间具有很强的相关性。界面网络分形维数与宏观断裂能具有很强的二次相关性,而粒度分布维数与宏观断裂能之间具有较强的线性相关性。宏观断裂能随着两种分形维数的增大而增大。该研究结果揭示了宏观断裂能与岩石细观结构几何特征的相关性,加深了对宏观断裂能细观机制的理解。
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液化砂土流动效应的振动台试验研究
张鑫磊,王志华,许振巍,吕 丛,
. 2016 (8):  2347-2352.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.08.029
摘要 ( 905 )   PDF(463KB) ( 1056 )  
采用振动台激励使饱和砂土发生液化,并侧向拖拽埋入砂土中的铝管,模拟液化土体与管体相对运动以分析液化砂土流动的力学效应。引入流体力学理论与方法,推导出以拉力反算表观黏度的表达式以及液化土体作为流体对管壁作用的黏滞剪切力。分析和比较了振时拖动、振后拖动下土体的流体性质及其流动效应的率相关性和孔压相关性,探讨了砂土密实度对土体流动效应的影响。结果表明,土体初始密实度与液化后土体的表观黏度正相关;液化土体的表观黏度以及因流动产生的黏滞剪切力与孔压反相关;液化砂土流动产生的黏滞剪切力具有强烈的率相关性。针对可液化场地中的结构抗震分析,应考虑土-结构率相关相互作用。
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岩土工程研究
含软弱夹层厚煤层巷帮外错滑移机制与支护研究
黄庆享,赵萌烨,张强峰,邵水才,马矿生,
. 2016 (8):  2353-2358.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.08.030
摘要 ( 1021 )   PDF(1438KB) ( 916 )  
含泥岩软夹层大采高工作面回采巷道外错式变形破坏是巷道支护的新课题。通过对三道沟煤矿含软夹矸层5-2厚煤层回采巷道变形实测和围岩钻孔窥视,发现了巷道顶板存在垂直裂隙,巷道两帮破坏区集中于夹矸层附近,且具有副帮大于正帮的特征,巷道变形主要来自于相邻采空区的影响。通过数值计算和物理模拟,揭示了相邻工作面侧方支承压力导致顶板产生垂直向裂隙,引起顶板与巷道夹矸层以上煤体沿软夹层向相邻采空区外错滑移的机制。建立了含软夹矸层巷道自稳平衡拱支护模型,提出了加强巷道上帮支护,控制外错滑移破坏的控制原则,给出了顶板锚索与煤帮长锚杆加强支护方案,工程实践取得了成功。
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预应力锚索受力特性与初始张拉吨位优化分析
邓 建,肖 明,谢冰冰,
. 2016 (8):  2359-2365.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.08.031
摘要 ( 926 )   PDF(540KB) ( 1059 )  
基于预应力锚索作用和锚固界面力学传递机制,建立了锚固界面应力计算模型,并提出了一种可以考虑锚固界面剪切滑移的锚索应力计算方法;基于锚索预应力损失机制,对造成预应力损失的各种因素进行了分析,并给出了各种因素影响下的预应力损失计算方法;基于锚索应力求解的基本理论,同时考虑整个施工过程中的预应力损失量,将洞室群开挖过程中锚索应力的变化量作为锚索初始张拉的安全余量,提出了一种预应力锚索初始张拉吨位计算方法。并据此编制有限元计算程序,以某水电站地下厂房洞室群为工程实例,验证了该方法的合理性。
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最小一乘法在岩土地基沉降中的应用
顾乐民
. 2016 (8):  2366-2372.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.08.032
摘要 ( 1498 )   PDF(452KB) ( 926 )  
最小一乘法是一个既古典又新颖的方法,随着最小一乘解的实现问题近年来有大的突破,一些最小二乘法所不具有的优良特性,如直观性、稳健性、零误差性、可预测性、广义性等逐渐显现。最小一乘逼近是最小绝对值误差极小化的逼近,也称为“极小极小”逼近,由于极小极小逼近的最佳结果一定是零,所以零误差原理是最小一乘法的基本原理。最小一乘解是通过“代表式”的数据处理方式来实现的,由于排除了大误差数据的干扰,使最小一乘法具有较好的稳健性。而代表数据可按不同的应用而选择并确定,使应用具有了广泛性。对于预测而言,将端点数据设定为零误差数据,使数据的权重不再相等,而是往端点方向倾斜,端点数据具有最大的权重,且建立在无误差的基点上,这使得预测理论与模式变得合理,使预测的准确性得到保证。文中通过3个工程实例,介绍了最小一乘法在探索岩石或软土地基在沉降过程中的应用,其结果与最小二乘法的进行了比较,通过分析后给出如下主要结论:(1)最小一乘法的数据处理稳定性较好,波动幅度较小,预测结果较准;(2)一般不会出现最小二乘法数据处理中的矛盾及不合理的现象;(3)虽然时间t→∞的极限下沉量具有不可验证性,但最小一乘法的预测是建立在无误差的基点上,比最小二乘法的预测建立在有误差的基点上合理,加上有较好的稳健性,其结果更具参考性。
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宝兰客运专线王家沟隧道原状黄土各向异性研究
吴旭阳,梁庆国,牛富俊,李春清,王丽丽,
. 2016 (8):  2373-2382.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.08.033
摘要 ( 1045 )   PDF(6114KB) ( 752 )  
针对黄土隧道开挖过程中不同部位(拱顶或拱腰)处围岩表现出的变形及强度各向异性情况,以宝鸡-兰州客运专线王家沟隧道原状黄土为例,着重探讨原状黄土结构强度各向异性问题。分别取王家沟隧道原状黄土水平与竖直方向进行抗剪、无侧限抗压及抗拉强度试验研究,考虑结构性对各向异性的影响,并对王家沟原状黄土进行电镜扫描,从微观结构上分析原状黄土具有各向异性的原因,最后探讨了原位状态下黄土各向异性的发生机制。结果表明:水平与竖直向应变比随围压的增大而减小,随归一化偏差应力的增大先增大后减小,峰值点随归一化偏差应力呈幂函数递增。提出原状黄土结构强度各向异性几何模型,并给出原状黄土各向异性强度参数指标。
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基于实时更新数值模型的高陡边坡动态仿真分析方法及应用
王 超,张社荣,张峰华,杜成波
. 2016 (8):  2383-2390.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.08.034
摘要 ( 892 )   PDF(1946KB) ( 1050 )  
在水电工程中,河谷两遍的工程边坡具有尺度大、高而陡的特点。同时这些边坡服务年限长,稳定性要求高。对于耦合考虑施工进度和工程安全的动态分析还较少涉及。由于地质参数、边坡结构和开挖支护的实时变化,对边坡工程安全的实时评价已成为制约水利水电工程建设安全的关键技术问题。考虑边坡施工过程中开挖进度的调整、新地质信息的揭露、支护方案的修改及计算参数的修正等信息实时变化的客观实际,重点针对目前较少涉及的施工期高边坡工程安全的实时分析和控制问题,提出了基于数值模拟技术的边坡实时安全仿真方法;基于数据库技术和ABAQUS二次开发技术实现施工进度信息、地质信息及支护信息到数值计算模型的动态映射,开发了边坡安全实时分析系统,最终实现了与施工进程相适应的边坡安全状态实时仿真分析和预测。
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大型地下厂房块体稳定性简便分析方法
周扬一,冯夏庭,徐鼎平,贺明武,
. 2016 (8):  2391-2398.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.08.035
摘要 ( 1027 )   PDF(730KB) ( 1009 )  
块体是结构控制型岩体中常见的潜在危险源之一。利用极限平衡法及强度折减法两种方法计算了某在建特大型水电站地下厂房开挖揭露的部分块体的安全系数,并根据计算结果提出一种利用块体几何及力学参数判断其稳定性的简便图解方法,经现场监测数据验证计算结果可靠性可满足工程要求。研究表明,对同一块体而言,极限平衡法和强度折减法得到的安全系数以及对其稳定性的总体判别结果并不一致。强度折减法受软件算法及网格尺寸影响,结果偏于保守。简单块体的安全系数计算应以极限平衡法为主,而复杂形态块体的安全系数用强度折减法计算较为方便。利用垂向地应力、块体体积、最大角点深度及结构面等效强度等4个指标并结合块体稳定性判别分区图,可满足快速判断块体稳定性的需要。对于判别为不稳定的块体,应及时支护并考虑加强支护。研究成果可用于类似工程块体稳定性的快速分析。
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数值分析
水平受荷桩的弹性有限元虚拟加载上限分析
黄茂松,李 森,俞 剑,
. 2016 (8):  2399-2403.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.08.036
摘要 ( 1293 )   PDF(921KB) ( 1025 )  
基于将塑性上限分析等效为弹性迭代计算的总量虚拟加载上限分析理论,在商业化有限元软件ABAQUS中实现了弹性有限元虚拟加载上限方法(弹性有限元T-EMSD)。应用弹性有限元T-EMSD法分析了不排水黏土中的二维水平受荷桩,其获得的荷载-位移曲线与弹塑性有限元分析结果一致,其极限承载力与塑性解相近。在极限位移加载量下弹性有限元T-EMSD法对应的上限机构从弹性始速度场开始随迭代逐渐演化,迭代收敛后的速度场和解析塑性破坏机构相似。与其他基于可变强度概念(MSD)的方法相比,弹性有限元T-EMSD法对水平受荷桩桩身的分析具有更高的精度。弹性有限元T-EMSD法最大的优势在于可在计算中自然地获得塑性机构,因而可被用于研究一些塑性机构难以构造的复杂问题,并对弹塑性数值方法进行验证。
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数值流形法的T样条局部加密算法
张友良,刘登学,刘高敏
. 2016 (8):  2404-2410.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.08.037
摘要 ( 808 )   PDF(811KB) ( 961 )  
在岩土工程分析中求解精度控制常常是必需的,在数值流形法中可以通过控制数学覆盖网格的稀疏和覆盖位移的阶数来达到精度的要求。提出了基于等几何分析的数值流形方法,定义了相应的数学覆盖的构造形式,推导了基于二次B样条的9节点数值流形方法分析格式;针对基于Lagrange插值函数的4节点数值流形方法提出了基于T样条思想的数学覆盖网格的局部加密方法。算例计算结果表明,相对于4节点的数值流形方法,基于非均匀有理B样条的9节点数值流形方法具有更高的精度;基于T样条思想的加密网格在保持计算精度的前提下降低了自由度的数量,表明T样条加密是一种自然的局部加密算法。
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基于耦合欧拉-拉格朗日法充灌袋挤淤过程的有限元研究
陈 静,闫澍旺,孙立强,陈 浩,郎瑞卿,任宇晓,林 澍,葛 娟,
. 2016 (8):  2411-2416.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.08.038
摘要 ( 1119 )   PDF(23278KB) ( 779 )  
在含水率大、承载能力低的软土地基上,利用充灌砂袋进行挤淤置换的方法工艺简单、施工方便、处理效果明显,已经广泛地应用在建造围埝和修筑道路中。充灌袋下沉到一定深度后,其重量与地基承载力相等,从而达到极限平衡状态。充灌袋挤淤所达到的深度与其高度存在一定的对应关系,在工程中确定此关系十分重要。通过3组不同宽度的挤淤模型试验,得到充灌袋下沉量与充灌袋高度的曲线关系、淤泥的位移特性及隆起量。利用ABAQUS中耦合欧拉-拉格朗日法(CEL法),将充灌袋和淤泥分别用拉格朗日体和欧拉体描述,模拟充灌袋挤淤下沉的过程,将模拟得到的充灌袋下沉深度和高度的关系、淤泥的位移特点与试验结果以及理论公式进行对比。结果表明,CEL法模拟得到的结果与试验结果、理论解具有很好的吻合性,说明利用CEL法可以较好地模拟充灌袋的挤淤问题。
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基于应变空间多机构CG模型的地震液化大变形数值分析
周 葛 ,刘汉龙 ,井合进 ,陈育民,飞田哲男,
. 2016 (8):  2417-2425.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.08.039
摘要 ( 908 )   PDF(686KB) ( 737 )  
砂土液化导致的地基侧向大变形是地震中许多重要的工程设施和建筑物破坏的主要原因之一。简要介绍了可进行液化大变形分析的散粒体材料本构模型——应变空间多机构CG模型,基于FLIP ROSE程序平台,建立了预测和研究倾斜地基砂土液化导致侧向大变形的二维有限元数值分析方法。采用该模型对相同工况的土工动态离心模型试验进行了模拟,通过对比超孔隙水压力、剪切波水平加速度以及地基侧向位移发现,数值预测与试验结果吻合良好,从而验证了该有限元数值分析模型的可靠性。最后利用该数值分析模型预测了倾斜率不同的地基受到相同剪切波作用时,倾斜地基不同深度产生的侧向位移。预测结果显示,随着地基深度的减小,倾斜率对于地震液化导致倾斜地基侧向大变形的影响越来越显著。
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考虑张剪破坏的边坡下限原理有限元法
高如超,李春光,孙 聪,郑 宏,葛修润,
. 2016 (8):  2426-2432.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.08.040
摘要 ( 1018 )   PDF(681KB) ( 924 )  
在工程中发生的很多边坡破坏模式不仅表现为剪切破坏,还表现为在边坡后缘产生一定深度的张拉破坏。这种既考虑剪切破坏又考虑张拉破坏的屈服准则,是经典的Mohr-Coulomb(简称M-C)屈服准则难以模拟的。从空间方位离散的角度出发,对经典的M-C屈服面线性化的方式进行改造,建立了基于方位离散的线性化屈服准则,同时在屈服准则中考虑了张拉破坏准则,并引入伪黏聚力,保证在每一个离散方位平面上既不违背屈服准则,又不违背张拉破坏准则,建立了同时考虑张拉及剪切破坏的下限原理有限元法。算例表明了该方法的有效性,同时也证明了仅考虑剪切破坏时,会过高地估计边坡的安全系数。
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