基于黏聚区域模型的边坡渐进破坏过程强化有限元分析

剪切带非连续变形描述及剪切带扩展过程模拟是边坡渐进破坏过程分析的关键,基于黏聚区域模型及强化有限单元法提出一种剪切带渐进扩展过程模拟的有限元分析方法。首先,将剪切带两侧相对变形分解成分别由常规应变和附加应变确定的相对位移,提出具有弱非连续变形特征的剪切带变形等效强非连续变形描述方法,并采用黏聚区域模型表征剪切带应力和附加相对位移间的软化本构关系。其次,基于强化有限单元法描述强非连续变形,并构造相应的无厚度剪切带单元。在此基础上,提出剪切带渐进扩展模拟的有限元算法。算例表明,此方法不仅能够很好地模拟剪切带的应变软化特性,而且有效地克服了常规剪切带模拟具有的网格敏感性问题。     

三维岩样单轴压缩自由面剪应变率及位移分布数值模拟

以往FLAC对岩样变形、破坏进行数值模拟主要是针对平面应变二维问题,离三维岩样单轴压缩的试验条件还有不少差距。因此,本文采用FLAC-3D研究了三维岩样在单轴压缩及强烈端面约束条件下,自由面的剪切应变率、离面位移及面内位移的分布及演变规律,研究了自由面垂直对称轴上定点位移随时步的演变规律。在应力峰值之前及之后,本构模型分别取为线弹性及莫尔–库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。计算表明:在应力–时步曲线的应力峰值之前,自由面上的剪切应变率由均匀向不均匀分布转变;在应变软化阶段,试样的变形由对称性向非对称性转变。通过分析各个自由面的剪切带图案发现,在试样内部形成了两个空间剪切带,其中一个更占优势。在试样变形的对称性丧失之前,三维离面及面内位移曲面是光滑的、平坦的;在对称性丧失之后,三维曲面已变得凹凸不平了。在剪切带的位置,面内位移有显著的改变。自由面垂直对称轴上的离面位移在应力–时步曲线应力峰值之前发生了分离,而水平及垂直位移–时步曲线转折于应力峰值稍后或应变软化阶段。从离面位移易于识别出试样破坏的前兆。此外,在应变软化阶段,随着时步的增加,还观测到了离面位移的三种不同的变化规律:基本保持不变、增加及降低(反弹)。     

复合材料层合板高阶剪切变形理论位移模式的研究

在总结现有复合材料层合板高阶理论的基础上,推导出一种基于整体-局部位移假设的1,2-3高阶剪切变形理论,使其既满足层间位移、应力连续条件,也满足上、下自由表面条件。比较了应用该高阶理论的位移有限单元数值的计算结果,证明了此高阶理论既能很好地描述剪切变形效应,又能较好地计算整体位移参数和横向剪切应力。     

大型斜面剪切仪的研制和试验

位于垃圾填埋场斜坡上的衬垫结构在垂直应力作用下沿斜坡滑移的剪切状态与底坡上衬垫结构的不同,为了模拟斜坡上衬垫结构间剪切特性,研制了斜面剪切仪。通过对标准砂和黏土的大型斜面和普通直剪剪切试验,发现两种试验得到的标准砂和黏土剪切应力位移特性基本相同,强度指标也相同。在此基础上,进行了光面HDPE土工膜与黏土复合衬垫界面斜面剪切试验,得到的剪应力与正应力比-位移曲线均有峰值和峰值后的软化现象。斜面剪切试验的特点是能够得到剪切面上法向应力和剪切应力同时增加的变化规律,可以揭示更详细的剪切特征,这有利于分析剪切过程中剪切面上法向应力和剪切应力的特性,如剪切面上法向应力和剪切应力变化规律以及剪切面上法向应力和剪切应力比的变化规律。     

绿片岩软弱结构面的剪切蠕变特性研究

 针对锦屏II级水电站引水隧洞超埋深、高地应力的特点,选取边坡和地下洞室围岩中含有绿片岩软弱结构面的灰白色大理岩为研究对象,对含有软弱结构面的大理岩试样进行分级加载剪切流变试验,并对试验结果进行分析,探讨软弱结构面的蠕变特性。通过对不同法向应力条件下岩体结构面的蠕变力学特性及其规律的研究,以及对结构面剪切蠕变试验过程中的蠕变速率特性进行分析,结果显示结构面的剪切蠕变试验曲线表现出明显的3个阶段。在此基础上选用改进的Burger模型对结构面蠕变试验结果进行拟和分析,并讨论改进的Burger模型对于描述结构面剪切蠕变特性的适用性。     

高速剪切条件下土的颗粒流模拟

 以高速环剪仪试验为原型,利用颗粒流模拟程序PFC建立无黏性土的环剪模型,进行在高速剪切条件下的环剪试验。通过将模拟试验结果与高速环剪仪所作砂土剪切试验结果进行对比,模拟试验和高速环剪试验试样的不均匀系数分别为1.64和1.45,2个试验的应力变化趋势相近,应力水平接近,模拟结果所反映的应力变化与物理试验的一致。模拟试验中代表土颗粒的球单元之间的接触模型采用的是线性接触模型,适合模拟无黏性土。模拟试验中发现剪切边界对剪切带的形成影响较大,对比墙、球环和球环+齿状结构3种剪切边界的剪切效果发展,球环+齿状结构的剪切边界可以保证剪切试样内外剪切速率的一致性。     

岩体节理剪切变形的幂函数模型

在分析了岩体节理剪切变形常用双曲线模型和指数模型的基础上 ,提出了一种幂函数模型。用幂函数模型描述的回归曲线以及根据试验参数得到模拟曲线与试验值比较误差均较小。最后 ,对模型中参数的影响因素进行了分析     

不同粗糙度结构面时效强度特征

为研究不同粗糙度结构面在长期荷载下的强度变化规律,选取Barton标准剖面为人工模拟结构面的表面形态,并用水泥砂浆浇筑,试样成型后,对其进行直接剪切试验以及剪切蠕变试验,基于试验结果,建立瞬时剪切强度公式,并对不同粗糙度结构面的剪切蠕变特征进行分析,提出确定长期强度的方法,并以此求解长期强度,进而分析粗糙度对结构面剪切时效特征的影响,研究成果表明:随着粗糙度的增大,蠕变整体位移减小,蠕变破坏曲线越来越陡,其蠕变速率以及剪切刚度在大于某个应力值时,相对于前一级均会发生显著变化;瞬时强度与长期强度均与粗糙度呈线性关系,随着粗糙度的增大,长期强度与瞬时强度的比值减小,这是连续完整岩石与不连续贯通的结构面具有不同的时效特征以及不同法向应力和粗糙度下剪切面积比的变化共同造成的,另外等速率曲线拐点法得到的长期强度符合蠕变特征变化得到的长期强度范围,其合理性和可靠性得到了验证。     

波纹腹板H型钢梁变形性能

通过分析波纹腹板H型钢梁的弹性受力特点及剪切变形与弯曲变形的比例关系,提出对于此类型钢梁在计算变形时必须考虑剪切的影响,并通过试验和有限元模拟验证了上述结论。随后对各个构件的荷载-位移曲线分析得到了构件的延性系数,证明若设计合理,构件将具有较好的剪切强度和剪切延性,但是当构件为弯曲破坏控制时,构件延性一般。根据上述结论,提出了若干设计建议。     

轴压荷载下大型复杂钢结构球型铰支座剪切性能研究

钢结构球型铰支座在不同荷载组合作用下具有复杂的受力状态,为了研究支座的力学性能以及其对整体结构受力的影响,以广州白云国际机场T2航站楼大型支座为对象,对其在轴压荷载下的剪切性能进行了数值模拟分析及足尺模型试验研究。结果表明：应力及变形的试验曲线与数值模拟结果基本一致,且处于较低应力水平;支座水平位移与水平剪力之间基本呈线性关系,其剪切性能满足GB/T 17955—2009《桥梁球支座》和设计要求。在此基础上,根据试验及模拟结果,提出了在轴压荷载下的拟合支座剪切刚度模型,以用于整体结构的精细化受力分析。     

规则齿形结构面剪切蠕变本构方程的参数分析

岩体中结构面的蠕变特性一直是岩体力学研究中的一个重点。文章在规则齿形结构面剪切蠕变试验的基础上,分析了剪切蠕变随不同的爬坡角、正应力和剪应力的影响,拟合了剪切蠕变曲线,并将拟合的方程与Burgers模型的本构方程进行了比较分析,讨论了Burgers模型中剪切模量、粘滞系数的变化规律及其影响因素,取得了较为理想的结论,为结构面剪切蠕变本构方程的建立提出了较为合理简便的方法。     

考虑主应力轴旋转作用的一个增量模型

 为了探究主应力轴旋转作用下土体的变形规律,采用如下思路构建模型：(1) 分析二维铝棒的单剪试验结果可知,剪应力与正应力之比(剪应力比)与剪应变的类似双曲线关系,采用威布尔函数作为描述上述二者的关系表达式,不仅可反映双曲线型关系,还能充分考虑到应力比的应变软化现象。(2) 利用应力莫尔圆上的应力比表达式,与威布尔函数联立得到了剪应变的隐函数。该隐函数认为有3个影响剪应变的因素：反映等向压缩或偏压作用下产生剪应变的球应力p,对于一般剪切作用下产生相应剪应变的滑动摩擦角 ,在莫尔圆上剪应力与大主应力之间的夹角半角 。(3) 通过对上述隐函数求导可得到剪应变与剪应力比之间的增量表达式,联立Rowe剪胀方程,建立二维条件下的考虑主应力轴旋转的增量本构模型,上述二维方程可通过SMP准则拓展为三维增量本构模型。所提WB模型不仅能反映土体的压硬性、剪切体缩、体胀、应变硬化、软化,还能充分反映主应力轴旋转作用下的土体一般应力–应变关系。通过莫尔圆圆周应力路径以及单剪试验和等向压缩试验的结果与预测结果对比,验证了所提模型的适用性及合理性。     

常含水率三轴条件下非饱和原状黄土的吸力和力学特性

为了模拟实际工程在不排水条件下土体的快速破坏,对不同初始吸力非饱和原状黄土进行了常含水率等向压缩和三轴剪切试验,研究了常含水率下非饱和原状黄土的变形特性、临界状态、屈服及吸力变化特性。研究结果表明: 在等向压缩和三轴剪切应力条件下,非饱和黄土的变形和吸力变化特性不同;不同初始吸力下,偏应力与净平均应力临界状态线为平行直线,偏应力与有效平均应力临界状态线可以归一为一条直线,且可近似用饱和土临界状态线表示,半对数坐标系上孔隙比与净平均应力及有效平均应力临界状态线皆近似为平行直线,直线斜率比饱和土的大,比屈服后等向压缩曲线的小;对于不同初始吸力,相同有效平均应力下非饱和原状黄土与饱和黄土的临界状态孔隙比之比与气体饱和度关系可以归一;屈服净平均应力及屈服偏应力皆随着初始吸力的增大而增大;q-p平面上初始及后继屈服曲线为对称于K₀线的椭圆,吸力及应力硬化对屈服曲线的影响是等向的。     

砂砾石垫层料与混凝土面板接触面特性的大型单剪试验研究

采用自主研制的低摩阻叠环式双向静动剪切试验机,考虑面板与垫层间喷涂和不喷涂乳化沥青两种情况,进行混凝土面板与砂砾石垫层料之间的大型剪切试验,研究混凝土面板与垫层料接触面的力学特性,基于Clough和Duncan非线性弹性本构模型整理出接触面模型参数,并探讨了乳化沥青在接触面剪切变形中的作用机制。研究表明:①不喷涂乳化沥青时,接触面应力随着剪切位移的增加逐渐变大,接触面剪应力与位移呈现出很好的双曲线关系。喷涂乳化沥青时,接触面剪应力与剪切位移在峰值强度前呈现出很好的双曲线关系,在峰值强度后,呈现出一定的应变软化特性,法向应力越低,表现越为明显;②两种情况下,随剪切位移的增加,上盒土体变形逐渐发展,并由上到下逐渐增加,最大的相对错动位移均发生在混凝土面板与垫层之间的接触面处,表明接触面的抗剪强度小于砂砾石垫层的抗剪强度;③法向应力对叠环的剪切位移有较大影响,法向应力越大,同一高度处叠环的剪切位移越大;在相同的剪切位移和法向应力作用下,喷涂乳化沥青时叠环水平位移均小于不喷涂时叠环水平位移;④乳化沥青对接触面的力学参数有很大的影响,采用Clough和Duncan非线性弹性本构模型拟合时,与不喷涂乳化沥青时相比,喷涂乳化沥青的接触面其劲度系数、指数及强度指标均有大幅度降低,剪切过程中乳化沥青形成了完整的过渡层来隔离砂砾石垫层料和混凝土面板的直接接触,并起到很好的阻隔–润滑效果。     

黄土非线性应力–应变新模型及对比研究

目前,黄土的应力应变曲线只能根据其形态类型选择不同的数学模式来描述,为实现描述应力应变数学模式的统一,提出了一种新的非线性模型,并给出了各参数的确定方法。通过应用新模型与现行主要的非线性模型(邓肯–张双曲线模型、指数模型、驼峰曲线模型),同时对结构性黄土常规三轴试验所得的各种类型的应力应变曲线进行模拟,并经与实测应力应变数据点对比研究表明:新模型表达式比驼峰曲线描述软化型应力应变曲线的精度高;同样新模型比邓肯–张双曲线模型、指数模型描述硬化型应力应变曲线的精度也高,说明此非线性新模型既可描述应变强硬化型也可描述应变弱硬化型应力应变曲线;既可描述应变强软化型也可描述应变弱软化型应力应变曲线。通过新模型对经典实例应力应变曲线的描述,进一步说明新模型具有良好的适应性。新模型为形态各异的应力应变曲线提供了一个统一的数学模型。     

基于墙趾真实约束条件的模块式加筋土挡墙数值模拟

墙趾约束条件对硬质墙面加筋土挡墙性状影响显著。基于混凝土模块与级配碎石土直剪试验剪应力和剪切位移关系曲线,建立一非线性双曲线界面模型,并通过FLAC有限差分程序分析刚性地基上3.6 m高聚丙烯土工格栅加筋土挡墙在工作应力下的墙趾界面剪切特性、墙面和墙趾位移以及墙趾和筋材承担的荷载,得出在挡墙填筑过程中墙趾界面剪应力-剪切位移曲线呈上凹型;墙趾界面上的正应力、界面剪切刚度及墙趾和筋材承担的荷载随挡墙填筑高度而增大,在挡墙填筑至3.6 m时,其界面正应力是墙面模块自重应力的1.7倍,墙趾承担约87%的作用在墙背上的总水平荷载;在挡墙填筑初期由于界面剪切刚度较小,墙面和墙趾位移增大显著。较挡墙模型试验及以往数值模拟采用的墙趾恒定约束刚度,论文采用的双曲线界面模型可更好地反映挡墙墙趾与地基土真实剪切性状。     

平面应变加、卸荷条件下考虑初始应力的原状黄土#br# 强度与变形特性试验研究

针对黄土工程中的众多平面应变加、卸载问题,利用平面应变改造后的西安理工大学真三轴仪,模拟黄土原位沉积方向及不同初始应力状态,在不同围压下对不同初始应力状态原状黄土进行竖向加载和侧向卸载平面应变试验,揭示不同初始应力状态原状黄土在加、卸载不同应力路径条件下的强度和变形特性。研究结果表明：两种应力路径条件下的应力应变曲线均呈硬化型,加载曲线均高于卸载,加载强度大于卸载强度,但卸载时,土的强度发挥较快。剪切过程中,黄土的侧向变形与竖向变形均呈非线性关系。竖向加载时,土的初始应力状态k值对土强度和变形的影响与固结围压的大小关系紧密;侧向卸载时,k值的增大可以限制侧向变形的发展。竖向加载条件下的体积应变均为剪缩,侧向卸载时均为剪胀。加、卸载条件下p-q平面内的破坏强度线基本一致,近似呈线性关系。侧向卸载条件下土体破坏时的应变远小于竖向加载和常规三轴试验。随着k值的增大,加、卸载应力路径时,黏聚力均线性减小,内摩擦角均线性增大。     

重塑粉质黏土的剪切蠕变特性及本构模型研究

通过室内三轴试验,对重塑粉质黏土的剪切蠕变特性进行研究,分析了粉质黏土在不同偏应力水平下和不同偏应力分级方式下的蠕变变形特性。试验表明,粉质黏土的偏应变蠕变变形与对数时间关系具有明显的非线性;在同样的剪切应力水平下,不同的加载分级方式对试样的最终偏应变量有明显的影响,加载分级越多,最终的偏应变量越小。基于试验数据,建立了适合描述重塑粉质黏土蠕变特性的双曲线模型,并对模型参数的物理意义和取值方法进行了讨论。分析表明,模型参数的取值与应力水平及试样的初始孔隙比有关;结合试验结果,给出了粉质黏土剪切蠕变双曲线模型参数取值建议。     

重塑黏土真三轴试验强度特性及本构模型研究

土体的强度特性是岩土工程稳定性分析的重要依据。本文分析了不同含水率重塑粘土在复杂应力路径下的强度变化规律,获得以下主要结论:含水率较小时重塑粘土的应力应变曲线呈强硬化型,含水率较大时呈弱硬化型,含水率一定时随着中主应力比的增加应力应变曲线向外扩张;重塑粘土强度随着中主应力比的增加而增大,中主应力比小于0.5时增幅较大,大于0.5时增幅有所减小;不同含水率下重塑粘土强度在π平面上的破坏线为一族相似曲线,随着含水率的减小破坏线向外扩张且圆润度增强,破坏曲线的形态逐渐接近加权双剪强度理论。鉴于考虑轴对称应力条件下的邓肯-张模型不能反映中主应力变化的影响,通过重塑粘土的真三轴试验结果结合邓肯-张双曲模型建立了能够考虑中主应力比的改进邓肯-张模型,并与复杂应力路径的试验结果进行比较,验证了改进邓肯-张模型的有效性。     

岩体结构面法向循环加载本构关系研究

对岩体结构面在法向循环加载下的受力变形关系进行了理论研究。试验表明,加卸载应力–变形曲线均可表示为双曲线函数,并且呈现不断硬化的特性,伴随产生法向残余位移。对已有双曲线型式的本构关系加以拓展,引入新的模型参数,假定卸载和重加载曲线均以结构面最大压缩位移为渐近线,曲线在法向力时为0的起始刚度由前一次循环过程的加载和卸载曲线起始刚度决定,从而完全确定循环加载本构方程。新参数体现结构面法向循环加载曲线的收敛速度和所产生的残余位移等受力变形特性,取决于岩石类型、结构面几何特征和填充物特性。通过设定参数的不同取值,这一模型分别等价于已有的不同模型。与无充填岩石裂隙和有厚度岩石夹层在法向循环加载下的试验结果对比表明,模型能较好描述岩体结构面的本构关系。