砂土各向异性和不排水剪切特性研究

在不同应力路径下,进行三轴和扭剪不排水剪切试验,揭示砂土力学行为与应力路径和各向异性的关系,并对砂土的细观结构和各向异性进行量化.研究结果表明,砂土的力学特性受材料各向异性和应力各向异性耦合影响.砂土各向异性的量化研究和力学试验结果为后续本构模型发展提供了依据.     

砂土内在各向异性的本构模拟

基于砂土的应力-应变-强度关系受土骨架结构朝向和主应力方向间相对关系影响,相同状态砂土在三轴压缩条件下剪切膨胀,在三轴拉伸条件下剪切收缩的研究.介绍一个模拟砂土内在各向异性的本构模型.模型采用描述材料内在各向异性的二阶对称组构张量和各向异性状态变量(组构张量和应力张量的联合不变量)描述土的各向异性.在e-p平面,临界状态线不固定,而与各向异性状态变量相关.塑性模量也与各向异性状态变量相关.模型能在很大应力和密度变化范围内模拟砂土的剪缩和剪胀行为,特别是主应力方向和土骨架结构朝向间夹角对砂土性质的影响.模拟结果与实验数据吻合.     

砂土材料状态相关临界状态各向异性模型

考虑材料状态对砂土临界状态的影响,采用宏细观结合的方法建立了砂土的各向异性模型。将新的各向异性状态变量引入砂土模型的临界状态方程,增加了各向异性参量、应力状态和应力与材料组构方向关系3个因素对临界状态的影响,扩展了砂土材料状态相关的概念。随应力状态和应力与材料组构方向几何关系变化,π平面上模型的临界状态线、相变状态线和峰值状态线的形状和位置自然产生变化,各向异性越大,状态线偏离的静水压力轴也越远,形状变化也越大。模型的剪胀方程和硬化规律也是状态参量函数,随细观参量的变化,细化和量化了砂土物理状态变量对剪胀性及硬化规律的描述。模型用一组参数可以描述较大围压和密度范围砂土各向异性强度-变形的力学响应。     

平面应变条件下砂土强度与土坝应力变形计算

本文对不同应变条件下砂土的抗剪强度及应力应变关系进行了对比试验研究;并根据推广的Von. Mises准则,导出了从常规三轴试验结果来预测平面应变条件下砂土的Mohr—Conlomb强度参数的计算式。本文对Duncan—Chang模型进行了修正,使之能初步反映平面应变条件下较为明显的应变软化现象,并对一典型的均质土坝断面,进行了有限元应力变形计算分析。     

利用迭代思想标定砂土三轴试验宏-细观参数

为提高离散元中三轴试验宏-细观参数标定工作效率,提出一种新的方法——迭代标定法.利用fish语言编写程序在PFC~(3D)中实现了三轴试验的数值模拟.基于接触黏结模型对砂土三轴试验进行模拟,验证了迭代标定法的有效性.结果表明:颗粒刚度大小和颗粒刚度比都会影响偏应力的大小;颗粒法向刚度会影响初始杨氏模量;细观摩擦系数对偏应力的影响程度取决于模型围压的大小;黏结强度对接触黏结模型的应力应变曲线形态影响较小,但对平行黏结模型的应力应变曲线形态有较大影响.迭代标定法可以有效标定宏-细观参数,减少"试参数"过程.     

考虑扰动影响的修正Duncan-Chang模型

根据中国ISO标准砂在不同条件下的三轴试验资料,发现相对密实度对砂土强度和变形特性有显著影响.基于扰动状态概念(DSC)理论,以砂土相对密实度为扰动参量,建立统一扰动度函数表达式;根据试验结果,建立参数K和峰值强度与统一扰动度之间的函数关系式,提出考虑扰动影响的修正Duncan-Chang模型.给定砂土材料参数d、g以及初始状态下的Duncan-Chang模型参数,通过该修正模型可以对任意扰动度下的砂土应力-应变关系进行预测.试验验证表明,修正Duncan-Chang模型可以较好地反映相应扰动状态下砂土的应力-应变关系.     

基于砂土状态和细观特征的剪切带倾角公式

剪切带扩展方向的确定是岩土体渐进破坏分析的关键.系统收集国内外文献中各类砂土剪切带倾角的平面应变试验结果,将其与现有的剪切带倾角计算方法的结果进行对比,发现现有方法的计算值与试验值偏离较大,计算误差不可忽略.提出考虑砂土颗粒形状、密实度和有效平均正应力等影响因素的剪切带倾角经验公式,表征各类砂土破裂发展方向,定量描述土体状态对剪切带倾角的影响.提出的公式适用于各类砂土的剪切带倾角计算,公式各参数物理意义明确,且均可由常规物性试验和室内单元体试验测得.研究表明,由提出的公式得到的理论值与试验值偏差基本在-5°~5°,平均误差、标准误差和均方误差等统计指标约为现有其他方法的1/3,且不同密实度或有效平均正应力下的倾角变化规律与试验结果一致.     

考虑内部侵蚀作用的砂土应力应变特性

为了研究内部侵蚀作用下砂土应力-应变特性,通过盐溶法进行一系列室内三轴剪切试验,研究了3种间断级配砂土由于内部侵蚀导致细颗粒流失后的应力-应变行为。通过在制样过程中向砂土样中加入一定量的盐,并在受控侵蚀条件下将盐溶于水中,以实现内部侵蚀过程中细颗粒的指定损失,然后对损失后试样进行了三轴压缩试验,研究了不同细颗粒流失量和不同间断级配条件下砂土的应力-应变特性。研究结果表明:随着砂土细颗粒流失量的增加,砂土试样的破坏强度峰值呈逐步降低趋势,摩擦角φ逐步减小,大致呈线性规律,间断级配1、2和3型砂土摩擦角φ分别下降了5.8%、4.3%和4.5%;相同围压作用下砂土试样破坏强度峰值随着细颗粒含量占比的增加呈递减趋势,且围压越大,破坏强度峰值增加越明显;砂土的粗颗粒含量越大,其摩擦角φ越大。     

粗粒土三轴试验的细观模拟

对排土场粗粒土进行室内三轴固结排水试验,以此试验结果为基础,基于三维离散元颗粒流理论,从细观角度出发,以PFC3D为工具,通过自编程序并引入接触黏结模型,得到按级配生成的粗粒土三轴试验三维颗粒流模型.对比了不同围压下颗粒流模型与三轴试验的应力应变关系.分析了颗粒细观参数对粗粒土强度的影响.结果表明:按级配曲线得到的PFC数值模型的应力应变曲线的变化趋势与试验值一致,但强度值略低于试验值.粗粒土强度随颗粒间摩擦系数、接触处黏结强度的增大而提高;颗粒形状对材料的抗剪强度影响显著.研究意义在于从细观角度揭示影响粗粒土强度的因素,突破了常规三轴试验的局限性.     

反映物态变化的砂土状态参数本构模型

基于状态参数Ψ、峰值应力比、相态转换应力比、依赖于状态的剪胀方程和一个双曲线的应力应变关系,建立了一个静力条件下能统一反映密度和压力对砂土变形特性影响的本构模型。该模型具有8个材料参数,都能从常规三轴试验中确定,模型能很好的模拟不同密度和不同固结压力下砂土的这些变形特性,通过数值试验初步验证了模型的合理性。     

砂土各向异性对挡土墙抗震性能影响数值分析

指出相同砂土在不排水三轴拉伸条件下测得的临界状态强度远低于在三轴压缩条件下的强度,这归因于土的各向异性.挡土墙在地震作用下变形与破坏的程度与填土的临界状态强度密切相关.正确估计土的强度对于评价挡土墙的抗震性能具有重要意义.对于受被动土压力作用的挡土墙,如果不考虑土的各向异性,可能会过高估计土的临界状态强度,即土液化后能够提供的被动土压力的大小,从而过高估计挡土墙的安全储备.对挡土墙抗震性能进行完全耦合有效应力分析,计算结果表明:对于受被动土压力作用的挡土墙,砂土内在各向异性对其抗震性能影响显著;对于受主动土压力作用的挡土墙影响轻微.     

考虑中间主应力影响的主动土压力计算

在平面应变条件下,分别推导了松冈元-中井照夫破坏准则、Lade-Duncan破坏准则和俞茂宏双剪统一强度准则的表达形式,并将平面应变条件下和常规三轴压缩条件下的土体抗剪强度指标联系起来.在此基础上,得到了考虑中间主应力影响的主动土压力计算公式.计算表明,只要填土的内摩擦角大于0,考虑中间主应力影响的主动土压力值都小于Rankine主动土压力值,但不同的破坏准则,其计算结果相差较大.     

考虑多种强化机制土的内时弹塑性本构模型

为建立更符合实际情况的岩土的弹塑性应力应变模型,在考虑变形历史、围压、应变率、偏斜塑性变形对体积塑性变形影响引起的多种强化机制的基础上,合理地定义了广义时间标度,建立了考虑多种强化机制土和体量与偏量相互耦合的内时弹塑性本构关系。结合土的静水压缩载荷对偏斜响应影响小,而偏斜压缩载荷对体积响应影响大的实验事实,给出了模型参数分别用静水压缩实验数据和常规三轴实验数据确定的方法。用所建立的考虑多种强化机制的内时弹塑性本构模型对中密永定河砂的三轴响应进行了预测。由模型预测的砂土应力应变曲线与实验相吻合,并且能够较好的描述永定河砂的剪胀和剪缩现象。     

Electronic band Gap of ZnO under triaxial strain

The effect of triaxial strains on the band gap of wurtzite ZnO has been investigated by the first principles calculations. The results indicate that, after application of triaxial strain, the wurtzite ZnO is still a direct band gap semiconductor with conduction-and valence-band minima remains at the Γ point. Comparing with the unstrained ZnO, the Eg at Γ point increases under compressive strain but decreases under tensile strain. This triaxial strain model is in better agreement with the experimental results than the widely-employed in-plane biaxial strain model, thus providing a more accurate explanation on the behaviors of ZnO thin film under three-dimensional strain.     

Prediction of shear bands in sand based on granular flow model and two-phase equilibrium

In contrast to the traditional interpretation of shear bands in sand as a bifurcation problem in continuum mechanics,shear bands in sand are considered as high-strain phase(plastic phase) of sand and the materials outside the bands are still in low-strain phase(elastic phase),namely,the two phases of sand can coexist under certain condition.As a one-dimensional example,the results show that,for materials with strain-softening behavior,the two-phase solution is a stable branch of solutions,but the method to find two-phase solutions is very different from the one for bifurcation analysis.The theory of multi-phase equilibrium and the slow plastic flow model are applied to predict the formation and patterns of shear bands in sand specimens,discontinuity of deformation gradient and stress across interfaces between shear bands and other regions is considered,the continuity of displacements and traction across interfaces is imposed,and the Maxwell relation is satisfied.The governing equations are deduced.The critical stress for the formation of a shear band,both the stresses and strains inside the band and outside the band,and the inclination angle of the band can all be predicted.The predicted results are consistent with experimental measurements.     

砂土动应力-应变发展特性试验

对福建标准砂和南沙群岛珊瑚砂进行了不同初始固结条件下的循环剪切试验.试验结果表明,在不同固结条件下动应力-应变发展模式显著不同.在均等固结条件下,动应力-应变关系的循环效应和对称累积特性均十分显著,随着砂土强度的完全丧失累积变形迅速发展;而在非均等固结条件下,当动应力作用平面上具有扭剪应力预剪作用时,剪应变则以单向累积变形为主,当动应力作用平面上只有轴向应力作用时,剪应变循环效应相对较大,累积变形并不显著,即使在循环扭剪荷载作用下,变形仍以轴向变形为主.这种特征似乎与中主应力系数没有显著的依赖关系.     

不同加荷方向下横观各向同性饱和粗砂的真三轴试验研究

各向异性是岩土材料普遍具有的性质,而横观各向同性是岩土各向异性最通常的表现形式,因此在真三轴试验中,不同加荷方向下的大主应力方向与颗粒沉积方向之间形成的不同夹角（α角）对其本构特性影响的研究是具有意义的。在有效围压为200 kPa,中主应力系数为0,0.5,1的条件下,采用不同的制样方法,分别进行α角为0°,60°,90°的饱和粗砂进行排水剪切试验,并结合试验数据探究其应力应变及剪胀特性。最后,通过分析似临界状态下有效球应力p'–偏应力q曲线和lnp'–孔隙比e曲线,得出不论α角取何值,其临界状态都是存在的。     

Deduction and experimental investigation of constitutive relation of liquefaction of saturated sand

According to the existing problems of liquefaction models of saturated sand that were put forward under dynamic action, on the basis of Handin-Drnevich model, a new calculating model of the dynamic constitutive relation of saturated sand was put forward. The model was based on the basic hypothesis of instantaneous limit balance according to the basic principle that the stress estate is the destroyed condition was not overstepped. The calculated method of increment nonlinear was referenced and combined with the excellence of the model of distributed particles. The process of vibrating liquefaction of saturated sand was divided into some areas. And the phenomena of shearing dilatation and unloading shrink of saturated sand were considered. On above basic a new calculating constitutive relation model was proposed. There are a few parameters in the model. The physical means of the parameters are very evident and quantized. They could be obtained from the dynamic triaxial test in door. The model was contrasted and validated with the results of the dynamic triaxial test in door. The comparison of the results of the dynamic triaxial test in door and the calculating results of the model indicates that all sorts of phenomenon appearing in the process of liquefaction of saturated sand could be more perfectly reflected by the model. Especially at the initial stage of development of pore water pressure and strain of saturated sand, the results of the dynamic triaxial test in door are consistent with the calculated results of the model very much. But there is some difference between the results at the anaphase of development of pore water pressure and strain. On the path of stress, the calculating and experimenting ultimate state surfaces are almost identical.     

平面应变条件下水土耦合超固结黏土分叉分析

基于Hvorslev面超固结黏土三维弹塑性本构模型,导出在不排水和排水固结条件下饱和黏土的应变局部化分叉条件,分析不同渗透系数、排水路径长度和应变速率对分叉的影响.理论分析表明,在平面应变条件下,土体应变局部化分叉随着孔隙水的流动程度发生显著变化.利用嵌入上述本构模型的有限元软件ABAQUS,在平面应变应力路径下对加载面排水的多单元立方体应变局部化分叉现象进行数值分析.结果表明：当排水路径长度和应变速率一定时,渗透系数越大,应变局部化分叉出现得越早;当渗透系数一定时,排水路径长度和应变速率越大,应变局部化分叉出现得越晚;当时间因数一定时,应变局部化分叉出现时对应的剪应变一定.