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非饱和多孔岩石的热力学本构理论

浙江大学学报（工学版） 2017年第2期51卷 255-263页

作者：胡亚元浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心浙江杭州310027

为了在本构模型中同时考虑岩石材料和多孔岩石的非线性和不可逆变形,提出非饱和多孔岩石工程力学理论.应用体积分数概念和混合物理论,凭借均匀化响应原理,获得由孔隙应变张量、饱和度和各组分材料体应变5个状态变量表示的能量平衡方程.... 详细信息

为了在本构模型中同时考虑岩石材料和多孔岩石的非线性和不可逆变形,提出非饱和多孔岩石工程力学理论.应用体积分数概念和混合物理论,凭借均匀化响应原理,获得由孔隙应变张量、饱和度和各组分材料体应变5个状态变量表示的能量平衡方程.利用自由能确定的5个弹性方程,加上体积分数之和等于1这个方程组成6个本构方程.根据这些方程可以求解非饱和岩石本构模型的全部6个未知变量(3个位移矢量和3个体积分数).根据不可逆热力学理论,基于熵产公式提出用内变量表示的耗散率势函数,获得能够反映黏性和塑性不可逆变形特性的耗散本构方程.结果表明,自由能和耗散率2个势函数分别反映了岩石弹性和非弹性变形规律,共同构成了非饱和多孔岩石的热力学本构理论框架.

关键词：非饱和多孔岩石平衡方程熵产 Bishop有效应力材料球应力

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高应变条件下的离散单元虚土桩模型

岩石力学与工程学报 2021年第8期40卷 1687-1701页

作者：涂园王奎华邱欣晨项驰轩浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心浙江杭州310058

基桩高应变条件下的动力响应问题是承载力预测、打桩分析等研究的基础工作,同时包含了土体应变历史变化、弹塑性、非线性特点和桩土界面滑移等复杂课题。为了更好地模拟高应变动力条件下的桩底土作用,本文构建离散单元虚土桩模型,并给... 详细信息

基桩高应变条件下的动力响应问题是承载力预测、打桩分析等研究的基础工作,同时包含了土体应变历史变化、弹塑性、非线性特点和桩土界面滑移等复杂课题。为了更好地模拟高应变动力条件下的桩底土作用,本文构建离散单元虚土桩模型,并给出计算桩身响应的离散差分数值解法。首先将桩底土看作具有一定扩散角的虚土桩,再将实桩和虚土桩离散为一系列单元;实桩单元之间和虚土桩单元之间分别采用线性黏弹性模型和非线性弹簧-黏滞阻尼器-滑移键模型模拟相互作用,并以流变模型模拟桩侧土作用;以半正弦脉冲模拟桩顶动荷载,结合差分解法计算不同脉冲宽度和幅值作用下的桩顶速度和位移响应;结合ABAQUS三维有限元模型,验证高应变虚土桩模型动力响应计算结果,最后针对虚土桩相关参数进行敏感性分析。结果表明:(1)离散虚土桩模型能够考虑桩底土振动及应力波在桩底土中的竖向波动,并能同时适应基桩低、高应变条件下的动力计算;(2)虚土桩模型能够较好地预测不同激振条件下的桩顶位移和速度响应。其中,桩顶位移峰值随脉冲宽度和脉冲幅值增加近似线性增大,而桩顶速度峰值对脉冲宽度的变化并不敏感,有限元模型与虚土桩模型的计算结果一致;(3)增加虚土桩桩长、减小扩散角、增大桩底土非线性程度、减小桩底土弹性模量及土层模量比均会提高桩顶峰值速度、峰值位移以及残余位移。虚土桩模型使得研究桩底土层分布的影响成为可能,对于高应变条件下的桩底土模拟、完善桩基高应变动力计算理论等具有一定参考价值。

关键词：桩基础高应变动载试验虚土桩离散单元法非线性刚度动力响应

锚固段穿越双地层拉力型锚索拉拔力学模型及应用

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中国公路学报 2022年第12期35卷 144-153页

作者：郭盼盼龚晓南魏支援浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心浙江杭州310058

预应力锚索灌浆体与周围岩土体结合面的极限黏结强度是预应力锚索设计优化的基础参数,然而该参数的取值目前还严重依赖于经验,尤其对于锚固段穿越双地层的工况。此外,预应力锚索现场拉拔试验只是被用来验证初步设计方案是否满足极限承... 详细信息

预应力锚索灌浆体与周围岩土体结合面的极限黏结强度是预应力锚索设计优化的基础参数,然而该参数的取值目前还严重依赖于经验,尤其对于锚固段穿越双地层的工况。此外,预应力锚索现场拉拔试验只是被用来验证初步设计方案是否满足极限承载力要求,并未与设计方案优化建立定量联系。基于对拉力型预应力锚索工作状态作出的合理化假设,建立了适用于锚固段穿越双地层的拉力型预应力锚索拉拔传力机理力学模型,即弹簧-粘片力学模型。该模型给出了锚索锚固段剪应力状态处于不同阶段时的锚固段剪应力分布函数、拉拔力上下限以及拉拔力-始端位移理论关系式。通过将弹簧-粘片力学模型与现场拉拔试验相结合,提出了一种适用于锚固段穿越双地层的预应力锚索极限黏结强度的半解析预测方法。通过与实际工程中的预应力锚索现场拉拔试验成果及三维有限差分数值分析的对比,验证了该预测方法的有效性及其在预应力锚索设计优化中的应用性。研究结果表明:采用所提出的半解析预测方法确定锚固段穿越双地层的预应力锚索极限黏结强度时,只需开展一组现场拉拔试验,从而克服了仅依靠现场拉拔试验获取双地层中极限黏结强度时需开展至少2组现场拉拔试验的缺点,可大幅节约工程造价且有效缩短了工期,具有较好的工程应用前景。

关键词：隧道工程预应力锚索拉拔试验极限黏结强度双地层弹簧-粘片模型

考虑土体竖向波动效应的静钻根植竹节桩纵向振动阻抗研究

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岩石力学与工程学报 2017年第7期36卷 1791-1802页

作者：李振亚王奎华高柳浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心浙江杭州310058

针对静钻根植竹节桩这一新桩型特殊的桩身结构及桩土接触条件,基于考虑土体竖向波动效应的三维轴对称模型研究其纵向振动阻抗。首先,采用虚土桩模型模拟桩底土对桩端的支承作用,根据桩周土的成层性和桩身竹节的分布情况,将桩土体系沿纵... 详细信息

针对静钻根植竹节桩这一新桩型特殊的桩身结构及桩土接触条件,基于考虑土体竖向波动效应的三维轴对称模型研究其纵向振动阻抗。首先,采用虚土桩模型模拟桩底土对桩端的支承作用,根据桩周土的成层性和桩身竹节的分布情况,将桩土体系沿纵向划分成有限个微元段,同时,将桩周土沿径向划分为有限个圈层以考虑其径向非均质性;然后,利用Laplace变换和阻抗函数递推方法,得到桩顶频域响应解析解;在此基础上,将退化解与已有文献的解进行对比,证明退化解的合理性;最后,在桩基设计中比较关心的低频范围内分析桩身竹节、桩周水泥土及桩底土参数对静钻根植竹节桩桩顶纵向振动阻抗的影响。

关键词：桩基础静钻根植竹节桩复阻抗水泥土虚土桩

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静钻根植桩水平承载性能试验研究

岩土力学 2015年第S2期36卷 588-594页

作者：钱铮王奎华浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心浙江杭州310012

静钻根植桩是在水泥土中插入预应力管桩而形成的复合桩。为了认识其在水平荷载作用下的变形性能,实施了3组共6根桩的水平静载试验。第一组是φ600~φ750 mm静钻根植桩(SDRP),第二组是φ800~φ900 mm静钻根植桩,第三组是φ1 000 mm的钻... 详细信息

静钻根植桩是在水泥土中插入预应力管桩而形成的复合桩。为了认识其在水平荷载作用下的变形性能,实施了3组共6根桩的水平静载试验。第一组是φ600~φ750 mm静钻根植桩(SDRP),第二组是φ800~φ900 mm静钻根植桩,第三组是φ1 000 mm的钻孔灌注桩,第二组与第三组属于几何尺寸十分接近而组成材料不同,第一组与第二组属于组成材料相同而几何尺寸不同。对比水平力-水平位移、水平力-水平位移梯度以及水平变形比后发现,弹性阶段钻孔灌注桩的水平承载性能优于静钻根植桩,而弹性阶段以后则逐渐相反;静钻根植桩变形复原能力强于钻孔灌注桩;桩在弹性阶段的变形量与截面抗弯刚度成近似线性关系;如果只考察弹性阶段,为提高水平承载能力宜将静钻根植桩改为同直径的钻孔灌注桩,不宜单纯扩大静钻根植桩的桩径。

关键词：静钻根植桩水平承载力水平变形弹性阶段截面抗弯刚度

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静钻根植竹节桩纵向振动特性及应用研究

浙江大学学报（工学版） 2015年第3期49卷 522-530页

作者：王奎华李振亚吕述晖张鹏庾焱秋浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心浙江杭州310058

针对"静钻根植竹节桩"这一新桩型的特点,建立考虑桩周土径向和竖向非均质的桩体纵向振动定解问题.采用阻抗函数递推方法,结合拉氏变换对定解问题进行求解,得到桩顶阻抗函数.利用卷积定理和傅里叶逆变换,求得任意激振力作用下桩顶速度响... 详细信息

针对"静钻根植竹节桩"这一新桩型的特点,建立考虑桩周土径向和竖向非均质的桩体纵向振动定解问题.采用阻抗函数递推方法,结合拉氏变换对定解问题进行求解,得到桩顶阻抗函数.利用卷积定理和傅里叶逆变换,求得任意激振力作用下桩顶速度响应的半解析解.通过比较低频范围内桩顶复刚度响应曲线和时域内桩顶速度响应曲线,分析竹节长度和竹节半径、桩周扩底高度和扩底半径、浆液配比及桩周水泥土硬化的时效性和搅拌均匀性等因素对桩顶动力响应的影响,揭示这一新桩型的动力特性.将理论计算曲线与现场实测曲线进行拟合对比.结果表明:理论计算曲线与现场实测曲线较为吻合,采用所建立的模型能够较好地反映静钻根植竹节桩的实际动力特性.

关键词：静钻根植竹节桩纵向振动竹节阻抗函数频域响应时域响应

第二类越流系统中结构性弱透水土层一维固结解析解

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岩土工程学报 2014年第9期36卷 1688-1695页

作者：吴浩谢康和黄大中浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心浙江杭州310058

在第二类越流系统中,考虑弱透水土层的结构性,将单层土转化为土体厚度不断变化的双层土一维固结问题,推导了以水头表示的结构性弱透水土层的一维固结解析解,进而给出了水位瞬时和线性下降情况的解答。结合3种不同算例,分析了在水位瞬时... 详细信息

在第二类越流系统中,考虑弱透水土层的结构性,将单层土转化为土体厚度不断变化的双层土一维固结问题,推导了以水头表示的结构性弱透水土层的一维固结解析解,进而给出了水位瞬时和线性下降情况的解答。结合3种不同算例,分析了在水位瞬时下降情况中,土的结构性对固结性状的影响。结果表明:结构特性越强,水头变化越慢,趋于稳定的时间越长,按沉降定义的平均固结度在结构性强的土层中增加得越缓慢。

关键词：弱透水土层越流系统结构性双层土解析解

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半透水边界砂井地基的真空预压固结解

工程科学与技术 2018年第2期50卷 32-41页

作者：胡亚元浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心浙江杭州310058

针对砂井地基顶部存在垫层和底部存在下卧层的现状,采用半透水边界反映其对砂井地基固结的影响。假定地基变形符合等应变条件,考虑水平向渗透系数沿半径发生变化,建立上下边界为半透水边界时真空预压砂井地基的固结理论,通过分离变量法... 详细信息

针对砂井地基顶部存在垫层和底部存在下卧层的现状,采用半透水边界反映其对砂井地基固结的影响。假定地基变形符合等应变条件,考虑水平向渗透系数沿半径发生变化,建立上下边界为半透水边界时真空预压砂井地基的固结理论,通过分离变量法获得固结度和沉降的级数解析解答,分析底部透水系数、顶部透水系数、井阻、渗透系数沿半径分布特性对砂井地基固结度和沉降的影响规律。研究表明:当底部半透水时,最终负孔压和有效应力呈沿地基深度衰减的变化规律。当其他条件相同时,底部透水系数越大的地基固结度越大,但最终沉降和径向固结时间因子相同时的固结沉降却越小。当底部边界不透水时,最终沉降不会随着顶部透水系数改变而改变,但当底部边界半透水或完全透水时,最终沉降随着顶部透水系数增大而增大;顶部透水系数越大的地基固结度越大,径向固结时间因子相同时的固结沉降也越大。均匀井阻的大小不会影响负压最终竖向分布特性,也不会改变最终沉降,但会明显降低砂井地基固结度,延长固结完成时间。渗透系数径向分布模式会对砂井地基的固结度产生影响;其中不考虑涂抹作用的工况1计算的固结度最大,假定涂抹区渗透系数恒定的工况2计算的固结度最小,假定涂抹区内渗透系数向原状土渗透系数线性过渡的工况3计算的固结度介于两者之间。半透水边界对真空预压砂井地基固结过程的影响规律与堆载预压砂井地基相比存在明显不同。

关键词：砂井地基真空预压半透水边界固结沉降固结解析理论

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电极材料对电渗过程作用机理的试验研究

浙江大学学报（工学版） 2014年第9期48卷 1618-1623页

作者：陶燕丽周建龚晓南浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心浙江杭州310058

分别采用铁、石墨、铜和铝电极开展室内电渗试验,从宏观和微观层面对试验结果进行分析,比较电势损失和离子迁移过程对电渗效果的贡献,并基于微观机理对电渗宏观规律作出合理解释.Fe2+和Cu2+迁移能力较差,大多聚集在阳极附近无法移动,Al... 详细信息

分别采用铁、石墨、铜和铝电极开展室内电渗试验,从宏观和微观层面对试验结果进行分析,比较电势损失和离子迁移过程对电渗效果的贡献,并基于微观机理对电渗宏观规律作出合理解释.Fe2+和Cu2+迁移能力较差,大多聚集在阳极附近无法移动,Al 3+迁移能力较强,在电场作用下易运移到阴极随水排出;电极材料通过电极反应生成离子进入土壤对电渗的促进甚小,其主要作用在于通过电极腐蚀、钝化、氧化以及电极与土体部分脱离引起电势损失,这是不同电极材料电渗效果差异的根本原因,同时表明电渗排水依赖于土壤中其他离子类型;电能利用率与土体本身性质密切相关,受电极材料影响不大.该研究可进一步揭示电渗机理,为电渗法的工程应用提供指导.

关键词：电极材料电渗法作用机理宏观层面微观层面电势损失离子迁移过程