充填单节理岩体本构模型研究

根据以往充填节理的直剪试验结果,详细研究充填度对节理力学参数的影响。在分析几种充填节理岩体剪切强度模型的基础上,用经典的弹塑性理论提出充填节理岩体增量型应力与位移的本构模型,特别对节理剪切应力–位移曲线的硬化和软化特征进行研究。通过对比本文模型与已有试验点的剪切曲线,结果表明两者具有较好的吻合性,从而验证本文模型的正确性。     

随机形貌岩石节理剪切数值模拟和非线性剪胀模型

 采用满足正态分布的随机函数,构造岩石节理剖面的形貌,为研究受剪岩石节理的细观剪切特性和宏观剪胀效应提供研究基础。利用UDEC软件,基于CY微段节理模型,开发随机形貌岩石节理直剪特性的数值分析程序,采用CY微段节理模型的细观剪切力学参数,探讨微段节理的细观剪切特性和岩石节理的宏观剪切响应,提出节理抗剪强度参数与节理面粗糙度系数JRC之间的拟合关系。得到如下结论：JRC越大,岩石节理的宏观剪切峰值强度和剪胀角随之增大,而峰值剪切位移与JRC成反变化关系;随着法向应力的增加,节理的剪胀效应逐渐减弱;这些数值结论得到模型实验的充分验证。微段节理的细观切向爬坡和剪胀效应是岩石节理产生宏观剪胀的细观力学机制。通过对随机形貌岩石节理的宏观剪胀数值曲线性态进行分析,提出能考虑节理粗糙度JRC和法向应力影响的非线性剪胀本构模型,该模型较好描述了受剪岩石节理的剪缩段和剪胀段。     

砂粒充填大理岩节理剪切强度试验研究

节理充填对节理力学性质具有重要影响,为研究砂粒充填对节理抗剪强度的影响,利用GCTS(RDS-200型)岩石剪切系统对4种粒径砂粒充填的粉晶大理岩节理进行了直剪试验。结果表明:未充填节理剪切应力-位移全程曲线可分为压缩阶段、弹性阶段、屈服阶段、软化阶段和残余阶段,而充填节理剪切应力-位移全程曲线则仅有压缩阶段和硬化阶段,表现出松砂剪切曲线特征;相同法向应力下,4种粒径砂粒充填节理峰值剪切应力明显降低。多层铺设3种较细粒径砂粒的充填对节理粘聚力和内摩擦角的影响基本相同,粘聚力和内摩擦角均降低,且粘聚力降低更为明显;单层铺设的最大粒径砂粒使节理的粘聚力降低,内摩擦角增加。研究结论对理解充填节理岩体稳定性具有一定帮助。     

恒定法向刚度边界条件下三维粗糙节理面循环剪切力学特性

通过开展恒定法向刚度边界条件下三维粗糙节理面循环剪切试验,揭示法向刚度(0～7GPa/m)和循环剪切次数(1～10次)对节理面剪切应力、法向变形、法向应力、剪切应力路径、表面阻力指数、声发射响应和表面磨损特征的影响。试验结果表明:剪切应力–剪切位移路径具有典型的刚度依赖特征,当法向刚度较小时,剪切应力在初始峰值之后逐渐减小,呈现应力软化行为;随着法向刚度的增加,法向位移增加幅度逐渐减小,而由剪切引起的剪切应力与法向应力增加幅度均逐渐变大,呈现应力硬化特征。当循环次数=1时,随着法向刚度由3GPa/m增加至7GPa/m,节理面表观黏聚力和表观内摩擦角分别增加了22.40%和26.84%,而表面阻力指数基本保持稳定。随着循环次数的增加,初始剪切应力峰值逐渐降低,且降低幅度逐渐变缓并最终趋于稳定,其中在循环次数从1增加到2时,初始剪切应力峰值降低幅度最大(24.93%～60.91%);循环剪切过程中,由于节理表面凸起被磨损剪断并趋于光滑,剪胀变形及法向应力增加幅度均逐渐降低;当剪切位移较大时,与法向应力相比,剪切应力增加幅度衰减更为敏感,表面阻力指数逐渐增加。累积声发射能量随着循环次数的增加逐渐减小,而随着法向刚度从0.5 GPa/m增加至7 GPa/m,稳定阶段累积声发射能量增加了229.8%,剪切磨损面积占比增加了72.02%～97.11%。     

剪胀和破坏耦合的节理岩体本构模型的研究

 摘要：根据节理岩体切向加载作用下的变形机制,把微凸体在磨损破坏过程中引起的剪胀软化现象和伴随的强化现象分开考虑,提出一种新的本构模型。试验结果表明,在法向和切向载荷共同作用下,由于微凸体的爬坡和啃断作用,节理岩体均会发生一定程度的剪胀和磨损,累积到一定程度就产生软化现象,在此引入一个初始剪应力概念体现上述特征。另一方面,由于破碎颗粒的碾压和迁移作用,使得抗剪力学行为由微凸体粗糙度控制逐渐转变为由结构面上形成的紧密夹层的力学行为所控制,抗剪强度提高,在此通过弹塑性随动强化模型来体现这一变形行为。当随动强化模型与初始剪应力相结合时,即为节理岩体切向加载作用下的剪应力–切向位移本构关系。通过对各种已有试验曲线的对比分析,验证该模型的正确性。     

钢-粉质黏土界面剪切特性及本构模型研究

在结构物与土体相互作用的研究中,分析界面剪切特性并建立合理的本构关系具有重要意义。利用改进的直剪设备,对粉质黏土与光滑或粗糙界面钢之间的剪切性能进行试验,分析剪切应力-剪切位移关系和界面抗剪强度指标,依据Gompertz曲线模型和Clough-Duncan双曲线模型对试验结果进行拟合,结果表明:剪切应力随剪切位移增大而增加,达到峰值剪切应力后基本不变,未出现弱化现象;峰值剪切应力和峰值剪切位移均随法向应力和粗糙度的增加而增大;粗糙界面的黏聚力和摩擦角较光滑界面的更大;在法向应力较低的情况下,按Clough-Duncan双曲线模型和Gompertz曲线模型拟合效果均较好,在法向应力较高的情况下,Gompertz曲线模型拟合结果更合理。     

节理面剪切应力–切向位移曲线峰值后区特性的初步研究

在节理面剪切试验中,许多剪切应力–位移过程曲线呈现出明显的峰值后区形态。针对这种结构面强度弱化特性,对一组结构面剪切应力–位移过程曲线进行分析,从曲线中获取节理面峰值强度与残余强度。采用一系列应力跌落与塑性流动过程模拟节理面强度弱化过程,通过数值方法再现剪切应力–位移全过程曲线;并进一步研究峰值后区应力–位移曲线与强度弱化的内在关系以及剪胀角演化规律对节理面法向变形的影响,研究成果有助于深化结构面强度与变形特性认识。     

考虑实际接触三维粗糙度退化的软岩节理剪胀规律预测模型

为预测岩石节理的剪胀变形行为,分析了恒法向荷载作用下实际接触微凸体三维粗糙度在剪切过程中的退化规律,提出了一个适用于软岩节理的剪胀曲线预测模型。在剪切荷载作用下节理法向位移的变化是节理在三角形微凸体侧面爬坡上升行为与爬越一些微凸体顶点后闭合行为的叠加,爬坡行为与闭合行为引起的位移都正比于节理最大可能剪胀角。最大可能剪胀角退化的实质是实际接触节理微凸体平均等效倾角的退化。通过分析初始剪切与残余应力阶段的节理形貌特征,提出了计算初始最大可能剪胀角与残余应力阶段剪胀角的模型。基于软岩节理不发生突然脆性破坏的假设,进一步通过研究剪切过程中节理微凸体退化规律,量化了最大可能剪胀角的变化规律。定量了节理爬坡行为、闭合行为与最大可能剪胀角之间的关系,进而提出了节理剪胀规律预测模型,通过试验验证了模型的有效性。模型可较准确预测软岩节理的剪胀规律,并可合理描述节理初始阶段剪切压密行为。     

非饱和重塑膨胀土的强度试验研究

通过不同干密度、不同吸力的非饱和重塑膨胀土的三轴剪切试验,研究分析了广西非饱和重塑膨胀土的应力应变硬化与软化和体变剪缩剪胀特性与土样内部的孔隙孔径大小及孔隙间的连通性的相关性,研究表明低密度试样内部孔隙孔径较大且连通性较好,应力–应变曲线表现为硬化和体变呈剪缩性,当土样密度增大后逐步由硬化–剪缩向软化剪胀转化,同时研究发现非饱和重塑膨胀土的的吸力强度与吸力的双曲特性。     

软化模量对岩样全部变形特征的影响

采用FLAC内嵌语言编制了计算平面应变压缩岩样轴向、侧向、体积应变及泊松比的FISH函数。研究了软化模量对剪切带图案及岩样全部变形特征的影响。在峰值强度之前及之后,岩石的本构模型分别为线弹性模型及莫尔–库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。结果表明,随着软化模量(脆性)的增加,剪切带倾角由Arthur向Coulomb倾角转变,Coulomb、Roscoe及Arthur理论对此不能解释,可能是未考虑渐进破坏;剪切带宽度降低,这可采用基于梯度塑性理论且考虑剪胀的剪切带宽度的公式予以定性的解释;岩样可以达到的最小体积增加;岩样失稳破坏的前兆越来越明显;峰后的轴向应力–轴向应变曲线、轴向应力–侧向应变曲线、侧向应变–轴向应变曲线、泊松比–轴向应变曲线及体积应变–轴向应变曲线均有稍微变陡峭的趋势,可采用基于梯度塑性理论的单轴压缩岩样受到剪切破坏时的解析解对前2种曲线的数值解的合理性进行定性的解释。     

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。     

红层泥岩桩岩接触面本构模型试验及数值模拟

桩岩(土)接触面力学特性的研究是桩基承载机理研究的基础。通过红层泥岩桩岩接触面大型直剪试验,研究了红层泥岩桩岩接触面的力学特性,结果表明:接触面剪应力先随剪切位移增大而增大,在达到峰值后,剪应力随着剪切位移增大而降低,并最终趋于稳定值,应力应变曲线呈现出应变软化的特征。根据剪切试验结果,推导出桩岩接触面应变软化本构方程。利用fish语言对FLAC3D中自带的理想弹塑性接触单元进行二次开发,并应用开发的模型对桩岩接触面直剪试验进行了数值模拟,分析剪应力与剪切位移之间的关系,证明了该本构能够较好地模拟接触面间的应变软化特性。     

基于正态分布的岩石软硬化损伤统计本构模型及其参数确定方法探讨

在现有新型岩石损伤模型研究基础上,首先,利用岩石微元强度服从正态分布的规律与岩石损伤的能量原理建立能反映特定围压下岩石应变软化或硬化变形全过程的损伤统计本构模型;其次,通过研究特定围压下岩石应力应变全曲线的特征及其在不同围压下特征参数(峰值点强度与应变)之间的关系,建立岩石损伤软硬化统计本构模型参数的确定方法,从而建立能充分反映不同围压下岩石应变软硬化变形全过程的统一损伤软硬化统计本构模型,该模型具有参数少、易于确定和能同时反映岩石应变软硬化特性的特点,并且模型参数确定方法揭示了模型参数的物理意义。理论与试验结果的比较分析表明了本文模型的合理性。     

双剪统一弹塑性应变软化本构模型研究

 根据统一强度理论应力不变量的形式,确定所要建立模型的屈服函数以及塑性势函数,考虑土体强度随加载过程的逐渐发挥,确定土体硬化函数。采用非相关联流动法则建立复杂应力状态下的土体弹塑性本构方程,并且对模型中所产生的奇异性进行分析和处理,指出模型中的奇异性是屈服函数、塑性势函数的流动矢量、以及硬化模量所引起的。给出模型中所含参数的确定方法,采用膨胀性泥岩的常规三轴试验模型进行验证,验证结果表明,所建立弹塑性本构模型能够模拟泥岩的应力–应变关系,较好地反映土体的应变软化特性。     

纤维底渣混合土循环剪切性能研究

生活垃圾焚烧底渣作为常见的固体废弃物之一,可与纤维混合提高其强度和稳定性。对生活垃圾焚烧底渣–黏土–聚丙烯纤维按一定比例混合,进行循环前大型直剪、循环剪切和循环后直剪试验,研究不同竖向应力、不同剪切位移幅值、不同压实度对纤维加筋底渣混合黏土循环剪切特性及循环后单调直剪特性。试验结果表明:循环前直剪试验中,剪切位移与剪应力曲线呈现弱硬化现象;施加循环荷载后的单调直剪试验,剪切位移与剪应力曲线则呈现明显软化现象。循环剪切试验过程中土样在不同竖向应力、不同剪切位移幅值下均出现循环剪切硬化和剪缩现象。随循环次数增加,硬化程度和剪缩量逐渐减小。随压实度增加,试样由明显的硬化型向软化型发展,压实度越大,沉降量越少,剪缩量越小。对比循环剪切后试样的单调直剪试验与未循环剪切单调直剪试验结果发现,循环剪切后的土样抗剪强度明显增大,黏聚力和摩擦角都相应增加。聚丙烯纤维的加入可以与底渣混合土形成空间网络骨架,从而增加试样抵抗变形能力,减小竖向沉降,增强稳定性。     

纯摩擦桩荷载-沉降曲线的拟合方法及其工作机理

本文用有限单元法模拟了挖孔灌注纯摩擦桩的实测荷载P-沉降S曲线。文中对纯摩擦桩摩阻力的产生用土工试验的直剪和单剪试验来解释,在这一基础上建立了数学模型,并在模型桩与土之间引进了节理单元以模拟土的剪切面进入塑性状态后的剪力和位移。为确定代表土抗剪强度的节理单元竖向刚度系数,文中提出了一套相应的计算公式和试算迭代的计算方法,用来逐步逼近其真值。并认为:有了拟合实测P-S曲线的方法便有可能通过原位试桩得到土的剪力-剪位移曲线,为进一步反演土的本构关系提供新的途径。 文中根据算得的土中竖向位移和最大剪应力分布,对纯摩擦桩的工作状态和破坏机理作了分析,认为桩侧土体的抗剪强度直接决定着摩擦桩的承载力。     

A constitutive model for rock interfaces and joints

A constitutive model based on limit concept is proposed to predict the behavior of rock interfaces and joints. For the limit case of an interface with thickness approaching zero, an ellipse yield function is adopted and associated flow rule is recommended. This yield function is not of proportional type, and its motion in stress space is governed by its center position and the hardening rule of yield function. The shear anisotropy is described by a shape function that incorporates the elastic shear stiffness, yield function and hardening rule. An equivalent relative displacement is obtained based on normalized plastic work and limit concept. This equivalent relative displacement yields a hardening rule from which the dilatancy is directly associated with the asperity of the interface. The validity of the proposed constitutive model is verified using data obtained from several existing experimental studies on natural and artificial rock joints.