一种修正的莫尔-库仑本构模型及其应用

莫尔-库仑本构模型是理想弹塑性的，只考虑了强度随围压的变化，但没有考虑弹性模量随围压和应力水平的变化情况，这不符合地质材料的实际特性，借助于邓肯-张非线性弹性模型对切线模量的处理方法，对M-C模型中的弹性模量进行了修正。修正以后，弹性阶段的应力-应变曲线将表现为双曲线。为了将该修正模型写进FLAC^3D程序，特编制了前处理程序，并用来对刚性桩的横向承载力进行了数值分析。因为该模型没有对卸载模量重新定义，所以该模型较适合于持续加载的情况。     

合肥膨胀土动弹性模量与阻尼比试验研究

以合肥膨胀土为研究对象,利用GDS真动三轴仪对土体进行循环动荷载试验,研究不同围压、固结应力比对土体动弹性模量及阻尼比的影响规律.试验结果表明,合肥膨胀土的骨干曲线可以由双曲线描述;在相同条件下,动弹性模量随着围压、固结应力比的增大而增大,随着动应变的增大先急剧减小后趋于平缓;动弹性模量的倒数与动应变呈良好的线性关系,最大动弹性模量随着围压的增大呈线性增大,给出考虑围压影响的最大动弹性模量回归方程;阻尼比随着围压、固结应力比的增大而减小,采用 Darendeli 模型及依据阻尼比与应变的经验关系,得到动模量比衰减模型及阻尼比模型;不同围压、固结应力比下阻尼比与动模量比的关系归一化后可以由修正Hardin-Drnevich公式描述.     

软土的等效时间线剪切流变模型

为反映软土剪切流变的非线性特性,建立剪切流变模型,修正了Singh-Mitchell提出的指数型剪切蠕变经验公式,使之适用于低修正应力水平工况.根据黏塑性剪应变-耗散剪应力-等效时间之间的关系方程推导出黏塑性剪应变速率与剪应力和黏塑性剪应变之间的函数表达式.把该表达式和剪切弹性模型相结合,建立了剪切弹黏塑性模型.以此模型为基础,不但获得了有效围压恒定时单级和多级荷载作用下的剪切流变解析解,而且还获得了有效围压和剪应力均随时间变化时的剪切流变积分解答.结果表明,流变模型能够较好地定量模拟三轴固结排水试验中多级加载作用下的剪切蠕变发展过程,合理地反映剪应变随修正应力水平(或剪应力)、有效围压和持续时间等影响因素变化的流变规律.     

考虑颗粒破碎的钙质砂双屈服面模型

珊瑚岛礁主要由颗粒形状不规则、多孔隙、高压缩性、易破碎的钙质砂组成。在进行珊瑚岛礁生态开发建设时,由于其地基土钙质砂具有特殊性,有必要针对颗粒易破碎的钙质砂进行本构模型研究,为设计施工提供参考。首先进行不同围压的钙质砂三轴试验并筛分颗粒,得到应力-应变关系曲线及级配变化曲线。试验结果表明：对于同一级配、同一密实度的钙质砂在不同围压下存在不同程度的应变软化和剪胀性,尤其在较低围压下更为明显;存在应变软化和剪胀性的围压范围内,随着围压的增大,其偏应力峰值点和临胀点所对应的轴向应变越大;不同围压下钙质砂颗粒均出现了不同程度的颗粒破碎,且围压越大其颗粒破碎程度越大,细粒含量相对越多。同时,为了准确描述考虑颗粒破碎的钙质砂应力-应变关系,基于分形理论和莫尔-库仑理论建立颗粒破碎指标对峰值内摩擦角进行修正,并结合试验数据对“南水”模型中的切线变形模量和切线体积比进行修正,明确了各材料常数的意义,最终建立了考虑颗粒破碎的钙质砂本构模型。采用Fortran语言将修正的本构模型汇编程序进行模拟,并与试验结果进行对比,两者较为吻合。除此之外,结合引用文献中相关试验数据对所建立考虑颗粒破碎的钙质砂本构模型进行推广验证,结果表明该模型依然能够较为准确的反映钙质砂在不同围压下存在的应变软化和剪胀性。     

不同岩性堆石料三轴试验参数分析

开展了不同围压下软岩和硬岩两种堆石料的室内三轴试验,并对得到的邓肯-张和南水模型参数进行分析,发现不同岩性的两种堆石料均在低围压时表现为应变软化和剪胀特性,高围压时表现为应变硬化和剪缩特性;邓肯-张和南水模型在不同岩性堆石料的剪切强度、弹性模量和体变模量反映上均有差异,模型试验参数均可用于堆石坝的应力、应变计算分析。邓肯-张模型表达式和参数的拟合方法均比较简单、直观,参数的物理概念明确,虽易于被工程师接受和应用,但不能反映堆石料的剪胀特性;南水模型的剪切强度和弹性模量参数取值与邓肯-张模型一致,但在体变模量参数上与邓肯-张模型有别,能更为准确地反映堆石料剪胀特性。另外还发现,采用不同围压三轴试验结果整理得到的模型参数存在明显差异,低围压下三轴试验获得的模型参数用来预测高堆石坝变形得出的结果偏小。从工程安全的角度出发,建议采用高围压下堆石料三轴试验得到的模型参数来预测高堆石坝变形。     

适用于海洋土的弹塑性本构模型

高围压和高孔隙水压会对海洋土的力学性质产生影响,一方面会在土颗粒之间形成黏结应力,另一方面会使土的剪胀行为逐渐过渡为剪缩行为.基于修正剑桥模型理论,引入修正参数α,改进修正剑桥模型剪胀方程,使它能够反映砂土的剪胀特性和剪切强度随有效围压增大而增大的特点.同时修改原修正剑桥模型的屈服面,考虑黏结应力pb的影响,从而建立能够反映海洋土力学性质的弹塑性本构模型.最后将改进后的模型理论值与已发布文献中试验值对比,发现二者具有较好的一致性,表明了该模型的合理性.     

弱胶结泥质软岩的三向压缩损伤特性

针对西部矿区弱胶结软岩在复杂应力状态下的损伤行为,采用三轴压缩试验和等效应变原理,得到泥岩在三轴压缩下损伤变量的演化规律.基于weibull分布,引入修正系数λ建立可考虑泥岩残余阶段变形的统计损伤本构模型.结果分析表明：在三轴压缩下损伤变量呈先减小后增大的变化趋势,损伤演化过程没有水平段,表明受压时泥岩没有实际意义上的线弹性阶段;损伤变量减增变化的转折点恰好为全应力-应变曲线的屈服点和残余阶段起始点,说明该类泥岩的破坏起始于屈服点;当围压<3 MPa时,损伤起始点随围压增大而后移,当围压>3 MPa时,损伤初始点有前移的趋势,高围压下泥岩的峰前塑性提高,产生整体塑性剪切破坏;本构模型能够较准确地描述泥岩破坏的三阶段.     

小麦堆压缩模量的三轴试验研究

小麦堆压缩模量是有限元模型的重要参数。采用全自动静三轴仪对小麦进行三轴压缩试验,得到小麦试样的应力-应变关系曲线,通过求导给出小麦堆压缩模量的数学表达式,分析围压对小麦堆压缩模量的影响。结果表明:小麦堆压缩模量的大小在应力-应变曲线的各个阶段是不同的。在线弹性阶段,压缩模量较小;在应力强化阶段,压缩模量达到最大值;在剪切面滑动阶段,压缩模量逐渐减小,最后降至约0 MPa;在破坏阶段,压缩模量为负值。在不同围压情况下,即使应力、应变相同,小麦堆压缩模量也是不同的。得到的小麦堆压缩模量的数学表达式,可为涉及粮食散体介质的有限元模型提供参数。     

软岩S形应力-应变曲线的数值模拟

针对软岩在荷载作用下的变形特征,结合三轴试验提出了软岩四参数本构方程。从数学理论上严格证明了该方程描述的应力-应变曲线的S形特征。该模型的四个参数中,峰值应力及其相应应变可由试验直接获得,另两个参数则需通过优化反演方法获得。在此基础上建立了四个参数与围压的经验关系式,从而可对不同围压作用下的软岩应力-应变曲线进行估算。数值模拟表明该模型能够有效模拟软岩应力-应变曲线的S形特征,能够反映软岩强度与弹性模量随围压增大的特点。     

小麦力学参数的三轴压缩试验研究

小麦力学参数是仓储结构设计的基础数据,采用三轴仪对小麦进行了三轴压缩试验,获得了小麦试样的应力-应变关系曲线,利用莫尔-库伦准则确定了其强度参数,并计算得到其弹性模量.试验表明:小麦在固结不排水阶段的应力-应变曲线大致分为线弹性、应力强化、剪切面滑动和破坏等4个阶段;随着围压的增大,小麦试样弹性模量增大,在围压为50~200 k Pa时,弹性模量为0.715~2.422 MPa,并拟合出了小麦弹性模量和围压的关系曲线.试验结果可以为仓储结构设计中小麦力学参数的选取及小麦的颗粒流(PFC)数值分析提供依据.     

混凝土在压应力状态下的抗冻性试验分析

为了分析压应力对混凝土抗冻性的影响,采用无粘结预应力混凝土结构对C45混凝土试件施加应力比为0、0.4、0.5、0.6的轴向压力,进行标准快速冻融试验,每50次测量其动弹性模量、质量损失和抗压强度的变化.结果表明:应力比为0时,混凝土的质量损失和动弹性模量下降较压应力迅速,未达到抗冻标号F300;应力比为0.4、0.5的混凝土衰减趋势基本一致,抗冻性较无应力状态混凝土有所提高;应力比为0.6的混凝土,其抗冻性在两者之间,在一定应力比下轴向压应力可以提高混凝土的抗冻性能;对混凝土冻融寿命预测模型进行修正,修正后的模型具有一定的工程价值.     

改性高水材料尺寸与形状效应研究

高水材料广泛应用于地下采空区充填支护,其形状和尺寸对力学性质影响显著。为了研究不同形状和尺寸改性高水材料的力学性质,借助四川大学ETM力学试验系统,通过对不同尺寸和形状下的改性高水材料的破坏过程、抗压强度和变形特性等性质的测试,系统研究了改性高水材料的尺寸和形状效应。结果表明：改性高水材料是一种弹塑性材料,其变形破坏过程可以分为弹性阶段、屈服阶段、塑形阶段和破坏阶段四个过程;改性高水材料的尺寸仅影响其应力—应变曲线峰值强度,而形状对应力—应变曲线的峰值强度和形状均有较大影响;在一定范围内,随着材料尺寸的增加,圆柱体和立方体试件的抗压强度、弹性模量和变形模量均在一定范围内逐渐减小;在相同条件下,圆柱体试件的抗压强度、弹性模量大于立方体试件,变形模量小于立方体试件。     

碱激发下粉煤灰-市政污泥固废基混凝土抗冻融性能

为改善市政污泥对混凝土抗冻融性能的劣化效果,在氢氧化钠及水玻璃的复合激发下,用经生石灰改性后的市政污泥取代10%细骨料,粉煤灰分别取代10%、20%与30%水泥,制备了混凝土。分析了不同冻融循环次数下,混凝土的表观现象、相对质量、相对动弹性模量、相对抗压强度及微观结构随粉煤灰掺量与碱当量的变化规律,分别以相对动弹性模量与相对抗压强度为损伤变量建立了不同的冻融损伤模型。研究结果表明：随冻融循环次数增加,混凝土表观损伤愈发严重,内部孔隙增多,相对动弹性模量及相对抗压强度显著降低;与对照组相比,粉煤灰及碱激发剂的加入可以改善市政污泥对混凝土冻融耐久性的劣化效果,降低混凝土在冻融循环作用下的质量损失、动弹性模量损失及抗压强度损失;当粉煤灰掺量10%、碱当量4%时,粉煤灰可在碱激发剂及改性污泥中残余碱的联合作用下被较充分地激发,可消纳改性污泥中的残余碱,减弱市政污泥对混凝土抗冻融性能的劣化效果,此时混凝土水化程度最高,在冻融循环作用下的质量损失、动弹性模量损失及抗压强度损失最小,且服役寿命最长,约为16a以上;相对动弹性模量与相对抗压强度相关性良好,分别以两者为损伤变量的冻融损伤模型与试验结果均吻合良好。     

混凝土抗压强度与弹模关系式的理论基础

本文用修正的Burgers模型推导出砼抗压强度与弹性模量的关系式。结果表明,该关系式与砼抗压强度与弹性模量的经验公式形式相同,从而用砼流变学理论证实了经验公式的准确性。     

考虑剪胀和软化的巷道围岩弹塑性分析

在应力跌落模型的基础上引进软化阈值,建立了弹塑脆性模型,模拟岩土材料的脆性软化性质。基于Mohr-Coulomb准则,考虑了岩土材料屈服后的塑性软化和体积膨胀,推导了圆形巷道围岩的软化区半径、塑性区半径、洞周位移及围岩内应力表达式,最后通过算例分析了剪胀、软化程度和弹模劣化对破裂区范围的影响,为巷道的稳定分析以及支护设计提供理论依据。     

双标量描述下土的弹性非线性损伤模型

根据土的变形特点,采用双标量描述土的各向同性弹性损伤,将土看成是由两种材料组成的复合体,一种材料的柔度矩阵仅与土的弹性模量有关,而另一种材料的柔度矩阵仅与土的剪切模量有关。分别定义各自的损伤变量,并根据等效应力原理建立各自的损伤本构方程,最后通过合成获得了土的弹性非线性损伤本构方程,并根据土的三轴试验结果确定损伤演化方程,在此基础上建立了一个土的弹性非线性各向同性损伤模型。将其运用到地基沉降计算中,与实测结果进行比较,验证了本模型的正确性。     

Damage and failure rule of rock undergoing uniaxial compressive load and dynamic load

1INTRODUCTION Naturalrockinlithosphereiscommonlyinthetri dimensionalstressstate,butthatofthewallrockaroundundergroundstructuresisoftentrans formedtouni dimensionalstatewhenundergroundstructureprojectsareputinpracticeororeisminedout.Butwhenthestressstateofrocktrans formsfromhighdimension stolowdimension s,ifcertainconditionsaresatisfied,rockburstwillpos siblyoccur[1].Inordertoinvestigatetherockburstoccurrencemechanism,theuniaxialloadingtestisoftencarriedouttosimulateapproximatelytherockburs…     

沥青稳定碎石应力依赖模型的柔性路面结构分析

为建立沥青稳定碎石的非线性应力依赖本构模型,并将该模型应用于路面结构力学分析,提高路面结构分析的准确性.采用动三轴试验模拟不同应力状态,测试沥青稳定碎石的回弹模量,建立材料的非线性应力依赖本构模型;采用Abaqus有限元软件中的UMAT子程序编程并定义沥青稳定碎石的本构模型,进行基于沥青稳定碎石非线性应力依赖本构模型的路面结构数值模拟.结果表明:沥青稳定碎石的回弹模量有着较强的应力依赖特性,在研究所涵盖的应力状态下,其模量最大值为最小值的175%.通过有限元路面结构分析可知,与非线性分析相比,传统的弹性分析低估了沥青稳定碎石基层底部拉应变约10%,低估级配碎石顶部最大压应力约5%.沥青稳定碎石的非线性应力依赖特性显著影响路面分析结果,应在路面结构设计时考虑该特性.     

高铁弹塑性地基振动与变形的2.5维有限元算法

针对高铁运行引起的地基振动和塑性变形问题,提出高铁荷载作用下弹塑性地基振动与变形的2.5维有限元算法。将高铁运行诱发的地基变形视为材料非线性问题,采用改进的摩尔-库伦模型模拟地基土,基于弹性地基2.5维有限元法,将通过弹性理论计算得到的位移作为试探位移,经摩尔-库伦屈服准则判定屈服后,引入切线刚度迭代法、后向欧拉积分算法和一致切线模量算法实现刚度矩阵的更新迭代,从而求解出高铁运行引起的塑性变形。在此基础上,将轨道视为Eular梁,采用修正的多频列车荷载模拟高铁列车运行,并使用黏弹性人工边界处理截断边界,建立高铁弹塑性地基振动与变形的2.5维有限元验证模型。通过与移动点荷载弹性半空间解析解和地面振动实测结果进行对比,验证本文弹塑性地基2.5维有限元法理论的正确性及模型应用的可靠性,表明该方法可用于高效求解高铁运行引起的地面振动及累积变形问题。     

Time-dependent lateral response of pile embedded in elasto-plastic soil

A two-dimensional (2D) finite element analysis was carried out to assess the time-dependent behavior of single vertical pile embedded in elasto-plastic soil. The finite element analyses were carried out using the linear elastic model for the structure of the pile, while the Mohr-Coulomb model was used for representing the soil behavior surrounding the pile. The study includes cohesionless and cohesive soil to assess the lateral response of pile in the two types of soil. The whole geotechnical model is suitable for problem of piles to determine the design quantities such as lateral deformation, lateral soil stress and its variation with time. The model is verified based on the results of published cases and there is good comparison between the results of published case and the present simulation model. It is found that, the pile in cohesionless soil has more resistance in the rapid loading and less one in the long term loading. On the other hand, the pile in cohesive soil shows opposite behavior.