饱和黏性土的结构性本构模型

将Liu等提出的土的结构性本构模型与三剪强度准则相结合,提出了均质饱和黏性土的三剪结构性本构模型。该模型既保留了原结构模型的特点,又考虑了应力状态对土特性及土的拉压强度差异的影响。另外,利用该模型对均质饱和黏性土在常规三轴试验、K_0压缩试验、以及真三轴试验中土的变形特性、孔隙水压力特性、中间主应力效应特性进行了模拟。结果表明在常规三轴试验中,孔隙水压力随着中间主应力影响系数的增加而减小,解构指数对孔隙水压力影响不大;K_0压缩试验中,在偏应变一定时,中间主应力影响系数对体积应变的影响较小,而体积应变随着解构指数的增加而增加;真三轴试验中,中间主应力影响系数越大,偏应力越大,土体强度越大。该本构模型能够反映均质饱和黏性土的强度变形规律及结构性对土的变形规律的影响。     

基于三剪统一强度准则的隧道围岩抗力系数计算

基于三剪统一强度准则对隧道围岩抗力系数进行了分析,并导出了围岩抗力系数的计算公式。在表征岩石的强度和变形特征时采用了三剪统一强度准则以反映中间主应力对岩石强度和变形的影响,在描述隧道围岩塑性区内的应力状态时,采用中间主应力参数法来表达不同岩体可能具有的不同塑性区应力状态。计算实例表明：隧道围岩的中间主应力对隧道围岩抗力系数有影响,考虑中间主应力效应后所得的隧道围岩抗力系数增大。     

一种改进的真三轴Hoek-Brown强度准则

Hoek-Brown强度准则已经被广泛应用于岩石与岩体力学分析、岩石边坡稳定性分析、岩石隧道设计等领域中,但常规Hoek-Brown强度准则未考虑中间主应力对岩石强度的影响,应用上不能反映岩石的真三轴力学性能。在本研究中,通过分析岩石的真三轴试验结果,明确了岩石中间主应力对岩石强度的影响规律,引入中间主应力系数β,将一种二维Hoek-Brown强度准则改进为真三轴Hoek-Brown强度准则,采用非线性拟合方法确定了模型中的参数,通过对比8种岩石类型的真三轴实验数据,对改进后强度准则的精确性和普适性进行验证,结果表明,改进的真三轴强度准则的最佳参数m取值都能落在Hoek和Brown建议的取值区间,能够继承Hoek-Brown强度准则的优点,改进后的强度准则对8种岩石类型的均方根差（RMSE）值都低于另外三种准则,能够准确预测岩石强度,适用于大多数岩石类型,较好地体现了中间主应力对岩石强度的影响。     

考虑分区各向异性和渗流作用的边坡稳定性研究

土体强度各向异性和渗流作用是影响边坡稳定性的重要因素。为使稳定性计算时边坡土体强度的各向异性更切合实际,提出对成层边坡土体进行分级加载和分区考虑强度各向异性的方法：将边坡土体最大主应力方向角与成层土相交区域设置为初始分区,然后结合有限元计算结果,推导各成层土各向异性强度参数计算公式,并即时计算各分区内土体强度参数;在逐级施加荷载过程中,根据计算所得土体强度参数,进一步调整初始分区,通过初分、细分和精分3级控制,确定耦合计算分区和各分区土体强度参数。在此基础上,建立考虑土体分区各向异性、未分区各向异性和未分区各向同性3种工况的流固耦合模型,分析边坡体应力场、位移场和渗流场的变化规律和特点,并采用强度折减法计算边坡稳定性。结果表明：考虑土体分区各向异性时,坡体平均应力最大值较未分区各向异性时有所减小,但较未分区各向同性时有所增大,其渗流域和流速较其他两种工况均有所减小;考虑土体分区各向异性时,计算所得边坡稳定性系数为1.109,较其他两种工况分别下降了2.8%和21.3%。     

主应力旋转条件下粉细砂的非比例加载变形特性

对粉细砂进行一系列空心圆柱扭剪试验,研究土体在经历含主应力轴偏转的非比例加载路径时的变形特性,重点分析偏应力水平、中主应力系数对土体变形产生的影响。试验中发现弹性剪应变在总剪应变中所占比例较大。在此基础上重新定义了非共轴角,并对饱和粉细砂的变形特性及其影响因素进行研究。结果表明,纯主应力旋转过程中,不同偏应力比、中主应力系数的土体,广义剪应变的整体发展规律相似,偏应力比与中主应力系数对加载末期的土体应变硬化产生较大影响;偏应力比与广义剪应力相同时,中主应力系数的差异使得土体的各向异性在变形响应中得以体现,从而表现出广义剪应变的差异;主应力旋转将使粉细砂产生明显的塑性变形,相较于中主应力系数,偏应力比对于砂土非共轴变形特性的影响更大。     

等主应力比路径砂土的弹塑性本构方程

为了模拟填土工程中土体的变形,需要建立在等主应力比应力路径下的本构模型.采用数值建模方法建立等主应力比路径下砂土的弹塑性本构方程.该模型能够反映填土施工中应力路径的影响.通过可视化,绘出了整个应力场中的三维变形曲面.通过与CTC路径下的变形曲面比较,发现两者之间存在显著差别,验证了应力路径对本构关系的影响是不可忽略的.     

条形基础稳定性弹塑性大变形有限元分析

对土体失稳过程中弹塑性大变形的问题,采用大变形问题的Updated Lagrangian描述方法,建立了土体稳定分析的弹塑性大变形有限元模型,提出了坐标更新和非线性方程组线性化的方法：计算了均布竖向荷载情况下的条形基础地基稳定性,通过与Prandtl解和弹塑性小变形有限元法所得结果的对比,说明了用弹塑性大变形有限元法进行土体稳定性计算是可行的．通过对倾斜荷载作用并考虑土体自重情况下的条形基础地基稳定性分析,表明弹塑性大变形有限元法不仅能反映土体抗剪强度指标对土体稳定性影响,而且也能反映土体弹性参数对土体稳定性影响,说明了用弹塑性大变形有限元法计算土体稳定性的合理性及对工程安全的重要性．     

饱和黏土中静压桩桩周土体强度时效性分析

天然饱和黏土中静压桩在沉桩过程中对土体造成巨大的挤压,致使桩周土体产生较高的超孔隙水压力,沉桩结束后随着桩周土体的逐渐固结,土体强度表现出明显的时效性.为研究饱和黏土中静压桩沉桩后桩周土体强度的变化规律,基于K0-MCC模型并考虑了土体初始各向异性与诱发各向异性对桩周土体强度的影响,推导出柱孔不排水扩张后桩周土体应力及超孔压的解答,并根据轴对称固结理论推导了静压桩桩周孔压消散的理论解答.在此基础上,考虑桩周土体在固结过程中的松弛效应,对沉桩结束后桩周土体强度的时变效应进行了解析,并通过离心机模型试验验证了该解答的合理性.结果表明,该解答能够较为合理地预测沉桩结束后桩周土体强度与超孔压的变化规律,而土体超固结比、静止侧压力系数和土体有效内摩擦角等因素对桩周土体强度变化存在一定的影响.饱和黏土中静压桩的承载力具有时效性,静压桩周土体强度时变规律的解答能够为静压桩时变承载力的计算提供理论依据,具有重要的现实与科学意义.     

基于变基床系数的管棚变形机制研究

在浅埋软弱围岩隧道施工中,要求严格控制地面沉降,管棚作为一种超前预支护工法,可以有效地控制施工对地层的扰动,在隧道施工中得到了广泛应用,因而对管棚受力变形机制的研究非常有必要.目前,大多数对长大管棚受力变形机制的研究中未考虑初期支护和土体扰动引起地基基床系数变化对管棚变形影响.本文通过建立管棚受力的双参数弹性地基梁模型,推导出考虑初期支护和土体扰动引起地基基床系数变化时管棚挠度函数,并用数值模拟和郑西客运专线阌乡隧道的现场实测数据进行对比验证,同时与未考虑初期支护和土体扰动时管棚的变形做对比,结果表明:考虑初期支护和土体扰动引起地基基床系数变化时,管棚的变形更符合实际;通过对管棚变形的研究可以对管棚的选型和布置提供依据,从而更好地为实际工程提供理论参考.     

考虑深基坑支护结构变形的邻近管线变形解析方法

深基坑开挖对邻近地下管线水平变形影响显著.首先,考虑柔性支护结构侧向位移对基坑侧壁卸载松弛应力分布的影响,对既有侧壁卸载力学计算模型进行改进,并利用Mindlin解计算出基坑开挖卸载引起的邻近管线水平附加应力.在此基础上,基于Pasternak地基模型建立了管线水平变形方程,分析了侧向卸载应力路径对Pasternak模型参数取值的影响,得到管线水平变形解析解,并将计算结果与实际工程监测数据进行对比.最后,对基坑与管线之间距离、管线埋深、土体侧向卸载模量3个参数对管线水平变形的影响进行详细分析.结果表明：计算结果与监测数据相吻合.管线水平变形曲线距基坑边缘2H附近存在拐点,水平变形迅速减小.当管线纵向超出基坑开挖范围2H时,几乎不产生水平变形.基坑坑角附近管线水平变形为最大水平变形的0.5～0.6倍.基坑与管线之间的距离对管线最大水平变形值有显著影响,管线最大水平变形值随着距离的增大呈现“先急后缓”的非线性减小.在距围护结构的距离与基坑深度比值为0.5～1的范围内,随着管线的埋深和土体侧向卸载模量增大,管线最大水平变形逐渐减小.     

不同初始状态软黏土在主应力轴耦合旋转下的孔压及3维变形规律

土体在受波浪、地震以及交通荷载等荷载作用时,其相应的应力状态较为复杂,以致于偏应力和主应力轴方位角同时变化的情况普遍存在于实际工程中,目前关于这种应力条件下原状软黏土的物理力学特性的研究尚处于起步阶段。主应力轴耦合旋转即是指在主应力轴方向旋转的同时,偏应力不断增大,而平均主应力、中主应力系数均保持不变。本文为了研究主应力轴耦合旋转时原状软黏土的变形和孔压特性,基于空心圆柱扭剪系统（HCA）对原状软黏土进行了一系列不同初始状态的扭剪试验,探讨了不同固结倾角、中主应力系数在主应力轴耦合旋转条件下对原状软黏土的变形、孔压等特性的影响。结果表明：不同初始固结状态对软黏土的变形特性有明显的影响;主应力轴耦合旋转过程中软黏土试样在b = 0和b = 0.5时的轴向变形以受压为主,在 b = 1时试样的轴向变形在主要表现为受拉状态;不同固结倾角下,主应力轴耦合旋转下试样的轴向、环向和剪切变形趋势均有明显的不同,径向应变值差别不大,在b = 0.5时试样的径向应变值接近0;不同初始固结倾角条件下试样的孔压峰值对应的大主应力方位角也不同,孔压累积与应变开展并不一一对应;应力和应变的变化与偏应力和主应力方位角的增加不同步,即存在明显的非共轴现象。     

正常固结原状饱和黏性土的三剪统一结构性本构模型

基于扰动状态概念,采用非线性弹性本构模型来表征原状黏性土的相对完整状态,将三剪统一强度准则与修正剑桥模型相结合来表征原状黏性土的完全调整状态,提出了饱和原状黏性土结构性本构模型。通过坐标平移法确定的破坏应力比使所提出模型能够反映全应力状态变化下的强度区间效应和拉压差,也能够描述黏聚力在土体受力过程中的作用。为验证所提出模型的正确性,以江西原状饱和红黏土为试验土样,做了排水和不排水条件下的常规三轴压缩试验,将模型计算结果与试验结果进行对比,结果表明,所提模型能够较好地反映江西原状饱和红黏土的力学和变形特性。     

考虑不同中主应力影响的柱孔卸荷缩孔效应分析

为得到考虑不同程度中主应力影响的柱孔卸荷缩孔解析解,对柱孔开挖卸荷过程中一定卸荷程度下的缩孔和塑性变形进行量化预测,采用统一强度理论(unified strength theory, UST)并引入卸荷因子和缩孔系数,推导得到无量纲化的柱孔卸荷缩孔近似解.对比不考虑中主应力影响的大应变解,给出中间主应力影响系数对孔周位移和应力的分布以及土体刚度、黏聚力、摩擦角对卸荷缩孔的具体影响,结果表明:中间主应力影响参数b越大,卸荷缩孔效应越小,其本质是b的增大使初始屈服卸荷压力降低,推迟外围峰值环向应力的出现,有助于减小孔周塑性区;b对孔周径向位移和环向应力的影响不可忽略,而孔周径向应力受其影响较小;土体刚度对卸荷缩孔关系的影响很大,刚度越大,中间主应力对卸荷缩孔的影响越小.根据无量纲化的卸荷缩孔解析解,可对某指定卸荷程度的柱孔孔径变化进行更合理的定量预测,用于指导隧道支护和开挖、桩基开挖卸荷后的承载特性以及钻井稳定性分析的具体实践.     

冻土空心圆柱仪的研发与应用

为研究复杂应力路径条件下冻土的力学特性,中国科学院冻土工程国家重点实验室与美国GCTS公司合作研发了新型冻土力学试验设备——冻土空心圆柱仪(FHCA-300),该设备通过独立施加内围压、外围压、轴向荷载和扭矩来改变3个主应力的大小和方向,从而更为真实地模拟冻土在地震荷载、交通荷载等多向应力和主应力轴旋转等复杂应力路径下的应力-应变行为.详细介绍了该仪器各部分的组成、传感器和动荷载频率的选取过程以及目前可实现的具体试验类型.此外,着重介绍了冻土空心圆柱仪温度控制系统的设计原理,并且对其控温能力进行了验证,结果证明该系统可以达到预期的降温能力和控温要求.最后利用冻土空心圆柱仪进行了主应力轴静态旋转和循环旋转测试试验,验证了仪器实现包括主应力轴旋转在内的复杂应力路径的能力,初步试验结果表明该设备能够准确再现冻土在复杂应力路径条件下的力学行为和变形行为,可为系统开展冻土在复杂应力条件下的强度、变形特性和本构关系等研究提供技术手段.     

Computational analysis of linear friction welding process and micromechanical modeling of deformation behavior for medium carbon steel

Finite element simulation of linear friction welding(LFW) medium carbon steel was carried out using the ABAQUS software. A two-dimensional(2D) coupled thermo-mechanical model was established. First, the temperature fields of medium carbon steel during LFW process were investigated. And then, the Mises stress and the 1st, 2nd and 3rd principal stresses fields' evolution of the steel during LFW process were studied. The deformation behavior of LFW carbon steel was analyzed by using micromechanics model based on ABAQUS with Python code. The Lode parameter was expressed using the Mohr stress circle and it was investigated in detail.     

土的动力本构关系的新探讨

饱和砂土在动力作用下，其主应力轴的旋转，剪切胀缩性及不排水条件下的土性弱化等特性对其动变形的发展具有重大影响。本文建立了考虑上述诸因素的土的二维动力构新模型。用本模型进行实算并与试验结果相比较符合良好。     

平面应变条件下基于Lade-Duncan强度准则中主应力条件的土压力及其适用性

针对实际工程中大量存在的挡土墙、基坑开挖等平面应变问题,考虑中主应力对强度的影响,将平面应变条件下Lade-Duncan强度准则的中主应力关系代入SMP、Lade-Duncan、AC-SMP和广义Mises强度准则中得到新的平面应变强度准则.据此建立基于各强度准则的主、被动土压力计算公式,进而推广至黏性土,并将主、被动...     

修正D-P模型在三峡二期围堰分析中的应用

为了考虑中主应力及材料剪胀性的影响,并验证堰体填筑材料参数,运用遗传神经网络对堰体填料进行参数反演,引入修正D-P模型进行围堰施工模拟.修正D-P模型采用非相适应的流动法则,可以模拟材料的各向同性硬化/软化及中主应力的影响,并可以考虑流变;遗传神经网络具有很强的非线性映射能力及全局优化功能.在运用遗传神经网络对堰体材料进行参数反演的基础上,利用修正D-P模型对三峡二期围堰填筑过程进行了模拟.实例分析表明,遗传神经网络能准确反演材料的力学参数;修正D-P模型适合分析围堰材料的力学性能;两者结合分析土石围堰时,计算结果与实际情况相符.修正D-P模型克服了Duncan-Chang模型不能模拟中主应力及材料剪胀性的缺点;遗传神经网络反演参数可以使计算参数与实际情况更接近,两者有机结合可提高分析精度.