结构性软黏土的一维弹黏塑性模型

为了研究结构性软黏土一维压缩变形的时效特征和结构破坏特征的耦合效应,首先,基于Bjerrum的等时间线体系,提出等黏塑性应变率线概念,建立非结构性软黏土的新型一维弹黏塑性模型;然后,在大量试验结果的基础上,揭示了一维压缩过程中压缩指数随孔隙比的变化规律,并提出了土体结构渐进破坏的新型描述模式;仿照特征体积,定义了"本征体积"和"本征应变"的概念,得到了结构性软黏土的"本征压缩定律",并推导了结构性软黏土的蠕变方程,构建了结构性软黏土的一维弹黏塑性模型。最后,阐述了模型参数的确定方法,所有参数均可通过试验直接确定,并用本文模型对宁波天然软黏土的常规压缩试验和长期蠕变试验、Berthierville clay、Ariake clay的一维等应变率压缩试验进行模拟,验证了该模型的有效性。研究结果表明,该模型能很好地模拟结构性软黏土一维压缩变形的时间效应和结构破坏效应,为建立结构性软黏土三维时效本构模型奠定了基础。     

平直节理黏结颗粒材料宏细观参数关系及细观参数的标定

为了分析平直节理黏结颗粒材料宏细观参数关系以及进行细观参数的标定,以单轴压缩、直接拉伸和双轴压缩数值试验作为宏观参数测试方法,对平直节理接触模型细观参数进行正交设计,采用多因素方差分析和回归分析研究宏细观参数之间的关系,在此基础上,建立了细观参数的标定方法。以灰岩的室内试验为基础,对其细观参数进行标定,模拟结果与试验结果相接近,验证了方法的有效性。     

双向激振下饱和软黏土应变软化现象试验研究

循环荷载作用下饱和软黏土将发生刚度软化现象。由于受试验条件的限制,以往对软黏土循环软化现象的研究大都基于单向循环荷载试验。通过GDS双向动三轴系统对双向循环荷载作用下饱和软黏土的刚度软化现象进行了初步的探讨。着重分析了循环偏应力、径向循环应力、初始剪应力等因素对双向循环作用下软黏土刚度变化规律的影响。研究结果表明:循环偏应力的增加、径向循环应力的提高都将加快刚度软化。随着径向循环应力比的增加,临界循环应力比减少。双向激振循环荷载作用下软黏土存在门槛径向循环应力比。当径向循环应力比小于该门槛值时,双向振动不能加速土体软化。随着初始固结剪应力的增加,刚度有所提高。在试验的基础上初步建立了双向循环荷载作用下饱和软黏土的软化模型。将该软化模型引入到修正的Iwan模型中来描述土体的应力–应变关系,证实了模型的准确性。     

交通荷载引起主应力轴旋转下软黏土特性试验

为探讨交通荷载引起的主应力轴旋转(即剪应力反转现象)对软黏土动力特性的影响,通过空心圆柱仪(HCA)试验系统,模拟交通荷载作用下土单元的真实应力路径,并对不同轴向偏应力、扭剪应力组合下,软黏土的累积孔隙水压力和累积应变特性进行了试验研究,分析了应力组合模式和幅值对软黏土动力学行为的影响规律。研究表明:施加扭剪应力(模拟主应力轴旋转)会增大软黏土的累积应变和累积孔压,且对孔压的增大影响比对应变更加显著;扭剪应力越大,这种增大效应显著加快,此时在研究交通荷载下软黏土长期变形时,需进行考虑主应力轴旋转的动力试验。     

基于扰动状态概念的结构性软黏土本构模型

在扰动状态概念基础上,建立了一个考虑土结构性影响的软黏土应力应变本构模型。模型尝试运用电阻率不规则因子来表征和测定土样的扰动变量,从而克服了传统扰动变量获取方法的不足,使之简便、快捷、经济、实用。另外,模型中,增加了土体体应变对土体扰动影响,且以试验和理论为依据建立扰动函数,从而使得模型更加符合土体实际工程力学特性。模型形式相对简单,参数易于确定。三轴排水剪切试验的验证结果表明,所构建的模型能较为合理地模拟结构性软黏土受荷扰动下的变形过程。     

原状Q3黄土在加载和湿陷过程中细观结构动态演化的CT–三轴试验研究

为了揭示原状Q3黄土在加载和湿陷过程中的细观结构变化,将湿陷三轴仪与医用CT机相配套,进行了一系列控制吸力的CT-三轴湿陷试验,不仅得到了加载过程和湿陷过程中的宏观反应曲线,而且得到了相对应的CT扫描图像。结果表明:原状湿陷性黄土具有较强的初始结构性;加载过程中,较大的孔洞先扩展后闭合,小孔洞逐渐闭合;湿陷过程中,大部分孔洞逐渐闭合且断面的密度分布趋于均匀;湿陷过程中大孔洞闭合与否取决于浸水时的应力状态。通过宏细观试验资料的分析,确定了原状湿陷性黄土的结构屈服应力,提出了一个基于CT数均值的结构性参数,分别定义了加载和湿陷过程中的结构损伤变量,研究了它们的变化规律,建立了结构损伤演化方程。     

循环荷载下结构性软黏土的各向异性边界面模型

在边界面塑性理论的基础上,提出了一个可以描述循环荷载作用下结构性饱和软黏土力学特性的各向异性弹塑性模型。通过在本构方程中引入表征土体结构性损伤内变量的方法,将软黏土结构损伤与累积塑性应变的发展联系起来;并引入各向异性张量及旋转硬化法则描述其各向异性及演化特征。同时,在映射准则的定义中采用映射中心可移动的方法,以反映土体在卸载再加载时的弹塑性。通过对典型结构性软黏土及上海软黏土循环三轴试验结果的模拟,初步验证了模型的合理性和有效性。     

基于CT试验的混凝土裂纹扩展演化研究

针对混凝土宏观性能指标与破坏特性细观参数之间关系的技术难题,采用工业CT对单轴压缩条件下的混凝土试样进行了CT扫描试验;利用图像处理技术对混凝土CT图像进行分析,得到不同加载阶段混凝土孔隙和裂纹的三维细观模型及孔隙率变化规律。运用分形理论建立了CT图像分形维数计算模型,对混凝土CT图像分形特征进行了研究。结果表明:混凝土孔隙体积和分形维数的快速增大是混凝土失稳破坏的预警信息;利用混凝土CT三维重建图像结合分形理论观察研究混凝土裂纹扩展全过程,为有效分析混凝土细观损伤破坏提供了新技术。     

基于细观组分实际分布的花岗岩宏细观参数关系

岩石通常由不同细观组分组成,细观组分的类型与相互作用决定了岩石的宏观力学性质。以北山花岗岩为例,使用室内试验视频和阈值分割技术确定细观组分的类别与位置,将细观组分颗粒和胶结物分别用圆盘和平行黏结来表征,细观力学性质使用颗粒力学性质参数(弹性模量、刚度比、摩擦因数)和平行黏结力学性质参数(弹性模量、刚度比、法向强度均值、切向强度均值)7个指标来表征,宏观力学性质使用弹性模量、泊松比、峰值应力3个指标来表征,使用颗粒流代码、像素和颗粒循环技术,建立考虑细观组分实际分布的颗粒流模型,进行7因素、4水平的32次正交数值模拟试验,研究宏细观力学性质关系和细观力学性质参数的调整方法。结果表明,数字图像处理技术可以有效用于建立基于细观组分实际分布的颗粒流模型;宏观弹性模量–细观弹性模量、宏观泊松比–细观刚度比、宏观峰值应力–细观强度具有很好的对应关系;宏细观弹性模量、泊松比、刚度比有较好的相关关系。由于细观组分的实际分布与力学特点控制了岩石的变形破坏过程,研究成果对估计岩石细观力学参数、预测宏观力学性状具有一定的参考价值。     

平面变形超固结软黏土蠕变模型研究

 通过对原状软土进行平面蠕变实验,研究平面变形条件下超固结软黏土的蠕变特征。研究结果表明,研制的量测装置能独立量测平面应变超固结软土的侧向变形,可规避实验过程体积变形测量精度对侧向变形数据的影响;软土的侧向变形与超固结剪应力比OCRq具有良好的对应关系,OCRq能同时反映剪应力和应力历史对软土侧向变形的影响。平面应变状态下体积蠕变系数和轴向蠕变系数均与OCRq有一一对应关系,依据不同主应力比下的超固结软土平面变形蠕变实验,建立以主应力比和超固结剪应力比为变量的四参数经验模型。所建经验模型包含软土的正常固结状态,可合理反映了主应力比和应力历史对平面变形软土蠕变过程的影响。     

非贯通节理岩体单轴压缩动态损伤本构模型

非贯通节理岩体是同时含有节理、裂隙等宏观缺陷及微裂隙、微孔洞等细观缺陷的复合损伤地质材料,基于此提出了在非贯通节理岩体动态损伤本构模型中应同时考虑宏、细观缺陷的观点。首先对基于细观动态断裂机理的经典动态损伤本构模型——TCK模型进行了阐述,其次针对目前节理岩体损伤变量定义中仅考虑节理几何参数而未考虑其强度参数的不足,基于能量原理和断裂力学理论推导得出了同时考虑节理几何及强度参数的宏观损伤变量(张量)的计算公式;第三,基于Lemaitre等效应变假设推导了综合考虑宏、细观缺陷的复合损伤变量(张量);第四,借鉴前人基于复合材料力学的观点,考虑了节理法向及切向刚度等变形参数对岩体动态力学特性的影响,进而建立了基于TCK模型的非贯通节理岩体单轴压缩动态损伤本构模型。并利用该模型讨论了载荷应变率、节理内摩擦角、节理厚度、节理法向及切向刚度和节理倾角等对岩体动态力学特性的影响规律。计算结果与目前的理论及试验研究结果比较吻合,从而说明了该模型的合理性。     

单轴拉压状态下混凝土破坏的细观数值演化分析

在提出可同时满足级配曲线及指定骨料填充率的任意凹凸形骨料配置算法的基础上,建立了混凝土试件的细观随机骨料模型,并建立了空间应力环境下细观单元的弹性损伤本构关系;分别就工程中常采用的两种不同的混凝土强度,研究了混凝土试件的细观损伤演化过程及细观单元力学参数取值对混凝土试件宏观表征强度的影响。数值算例验证了模型的有效性,并揭示出混凝土试件破坏主要是由细观单元的拉伸损伤积累所导致的。     

基于损伤的混凝土剪切应力-应变关系

从微观层次上分析了混凝土试件在单调剪切荷载作用下的损伤破坏机制，解释了混凝土剪切本构关系的非线性和宏观特征；借助能量原理，建立了混凝土剪切本构方程模型；在混凝土的断裂应变服从对数分布假设的前提下，分析得出应力-应变关系仅与混凝土的峰值点割线剪切模量及原点切线剪切模量有关，该式能反映混凝土剪切试验上升段的几乎所有特点，与已有曲线相比较，结果吻合较好。     

二维应力作用下岩石单裂隙渗流规律的实验研究

在对人工充填砂裂进行剪切实验的基础上，分析了剪应力和法向有效应力作用下裂隙岩石的渗流特性，并提出了二维应力作用下裂隙岩石渗流模型，即剪应力和法向有效应力耦合作用下的渗流公式。     

节理剪切过程中锚杆的变形分析

当锚杆与砂浆的粘结未破坏时，以指数曲线来描述锚杆的侧剪应力分布；而对于锚杆与砂浆的粘结遭到破坏的区段，采用抛物线来拟合。给出了粘结破坏和未破坏两种情况下锚杆的轴应力-轴位移关系，提出利用锚杆拉拔实验数据来反演确定计算中所用到的参数。并在缺少实验数据的情况下，给出了一些参数的估计方法。根据岩石是否遭到挤压破坏，分别给出了锚杆的横向剪应力与横向位移的关系式，分析了剪切过程中锚杆加固节理的剪应力-剪位移关系，讨论了对锚固节理剪切变形刚度有重要影响的一些参数。分析表明．高的岩石单轴抗乐强度、较大的锚固面积比有助于提高锚固节理的剪切刚度。分析还表明，倾斜锚杆加固的节理比垂直锚杆的剪切刚度更大，倾斜锚杆以较小的剪切位移调动了更大的剪切阻力；倾斜锚杆加固的节理抗剪强度比垂直锚杆大，提高锚固面积比能显著提高节理抗剪强度。     

非贯通细观裂纹节理介质CT试验的数值模拟及影响参数讨论

对非贯通细观裂纹节理介质CT试验进行了数值模拟，得到6个材料参数对细观损伤的影响。采用灰度作为主要计算参数，考虑预埋裂隙处发生损伤和破裂的准则，采用Fortran语言编制主程序。并利用三维十六节点等参元计算预埋裂隙及其附近单元，以及三维八节点等参元计算远离裂纹处的甲元。计算获得了随外荷载增加情况下模型中截面的灰度分布、破裂分布、平均灰度分布和损伤等值线分布等结果。同时，通过与试验结果进行对比。得到一些与试验吻合的各层次破裂与灰度的演化规律，补充了部分试验无法观测到的结果。最后，根据蒙特卡罗概率设计方法分析了6个材料参数对细观损伤的影响，为进步定量描述节理介质细观破裂和损伤演化规律提供参考依据。     

上海软土的动三轴试验和非线性损伤模型

用损伤观点研究上海淤泥质软土在动力荷载下的应力和应变的变化规律。试验结果说明,振次对土的性质影响很大,随着振次的增加,土体损伤不断增加,动应变增大,动应力却不断地减小。围压越大或者循环动应力比越大动强度越高,动应变发展的越快,越容易达到破坏。频率越大,土的破坏速度越快。三角形波比正弦波更易引起土的破坏。在试验基础上,定义了考虑振次影响的损伤变量,建立非线性损伤模型,并确定模型参数。     

散体颗粒介质变形局部化宏–细观机制研究

散体颗粒是自然界中广泛存在的一类特殊的介质,受内部组构影响,散体颗粒介质在外荷载作用下发生明显的变形局部化效应,这也是岩土力学领域一直研究的热点问题之一。然而目前对于其机制研究方面大都局限于细观统计参数的分析,忽视了宏观现象与细观机制的内在联系。本文以砂土颗粒介质为例,运用离散元法对其在直剪试验过程中的宏–细观力学特性及变形破坏机制进行系统分析,并取得一些有意义的认识。根据数值试验中试样在不同法向应力下剪应力比的发展,从颗粒运动角度探讨试样宏观抗摩擦特性变化趋势的细观机制;发现描述细观组构的各向异性参数及主方向与宏观上剪应力比的发展具有同步性,反映试样宏细观演化的统一性;通过对于颗粒旋转的统计分析,揭示颗粒间摩擦作用是维持细观力学结构相对稳定的重要因素;通过对力链网络的形态演化分析,发现试样大主应力方向与各向异性主方向一致,力链密集程度随剪切过程下降,试样孔隙度随之上升;提出不同法向应力下的2种主要力链结构的力学模型,通过稳定性分析与能量累积释放理论解释宏观力学参数波动情况的原因,揭示散体颗粒介质变形局部化和体应变剪胀的细观机制。     

混凝土二轴受拉应力-应变关系

在分析混凝土二轴受拉破坏机制的基础上,通过选取合理的损伤变量和自由能势函数,基于不可逆力学原理,建立二轴受拉的损伤本构模型;利用损伤能释放率确定损伤演化规律,导出混凝土二轴受拉应力—应变关系的显式表达式,其参数可通过单轴拉伸试验确定;利用二轴拉伸曲线特征点条件,得到峰值应变的变化规律;与已有试验结果相比较,效果良好。     

偏应力往返作用下饱和砂土变形特性的试验研究

在固结排水条件下保持球应力不变,进行了偏应力往返作用下的动三轴试验,分析了饱和砂土的体积变形特性。结果表明:(1) 体应变可视具体条件表现为C1型剪缩(初次加荷)、C2型剪缩(卸荷前未产生剪胀)、C3型剪缩(卸荷前产生剪胀)、剪胀P及剪刚R(再加载无胀缩)等物态有规律的变化;(2) 各物态的体应变均与所作用的偏应力比有良好的线性关系。其参数与综合反映应力特征及土性特征的各物态起始体应变间均有良好的指数或直线关系;(3) 体应变可跟踪偏应力的往返变化,区分加荷、卸荷段的各不同物态,依序考虑各物态起始时的体应变,在对应确定相应参数的基础上进行计算,计算的结果与试验关系间有良好的一致性。