堆石料加载与流变过程中塑性应变方向研究

确定塑性应变增量方向是建立土体弹塑性本构模型的核心之一,弹塑性理论中通常假定塑性应变增量方向仅与应力状态有关,与应力增量无关。流变试验是一种应力状态恒定的特殊试验,应力增量为零,所有应变均为塑性变形。研究流变过程中塑性应变方向与应力状态的关系及其与加载过程中塑性应变方向的差异,对于建立土体弹塑性本构模型具有重要价值。通过对某抽水蓄能电站筑坝堆石料的大型三轴压缩试验和三轴流变试验,分别研究了加载和流变过程中剪胀比与应力比之间的关系。结果表明,三轴压缩和三轴流变过程中,堆石料的剪胀比均随着应力比的增加而减小,且相同三轴压缩应力状态下,堆石料的流变剪胀比明显大于加载剪胀比,即流变过程中堆石料剪缩性比三轴压缩过程中的剪缩性更为强烈。因此,采用相同的塑性势函数同时确定加载塑性应变方向和流变黏塑性应变方向是不恰当的,建立考虑堆石料流变的弹塑性模型时应该选用不同的应力剪胀方程或塑性势函数。     

土的基本特性及本构关系与强度理论

土的基本特性及本构关系与强度理论是土力学及岩土工程学科的重要理论基础之一。本 文针对饱和黏土、砂土及堆石料等粗粒土,总结了这三类土在基本力学特性及本构强度理论方 面的研究现状和发展趋势。饱和黏土部分主要包括压缩特性、剪切特性—临界状态及剪胀/剪缩 、结构性及其破坏、中主应力影响、各向异性及主应力偏转效应、不排水抗剪强度、流变特性 、微观力学解析模型等;砂土部分包括临界状态概念与剪胀性、砂土各向异性、应变局部化等 ;堆石料等粗粒土部分则以颗粒破碎对堆石料等粗粒土的力学性质的影响为主线,重点介绍了 颗粒破碎的度量方法、颗粒破碎对剪胀性、临界状态线的影响以及相应的本构模型、宏观-微观 的力学分析方法。     

基于广义塑性理论的堆石料动力本构模型研究

分析了堆石料在等幅与不等幅应力循环荷载作用下的变形特性,以此为基础,确定了不同加载过程中堆石料的剪胀方程,加载方向,切线模量及塑性模量,建立了一个可以考虑堆石料循环加载特性的广义塑性本构模型.模型将所有的加卸载阶段都视为弹塑性过程,并在剪胀方程中引入老化函数来考虑体积应变积累对剪胀(缩)性的影响.模型共有12个参数,均可通过常规室内单调及循环加载试验确定.为验证模型的有效性,依据试验资料确定了两种不同堆石料的本构模型参数,并对等幅循环三轴压缩与不等幅循环三轴压缩试验进行了模拟.两种材料在不同围压下的模型预测结果与试验数据均吻合良好,表明模型可以有效地反映循环荷载作用下堆石料应力应变曲线的滞回特性与永久变形的积累.     

堆石料剪胀特性大型三轴试验研究

基于不同初始孔隙比e0和不同固结压力σc情况下筑坝堆石料大型三轴固结排水剪切试验,分析了堆石料应力应变关系与体积应变关系以及剪胀率ζ与塑性剪应变εsp关系的变化规律。研究表明:对于颗粒级配确定的堆石料,剪胀剪缩转化关系由临界初始孔隙比(e0)crit与临界固结压力(σc)crit共同决定;堆石料破坏时的剪胀率ζf可以成为材料剪胀性的判断标准。通过试验数据非线性拟合分析,提出了堆石料应力应变关系与塑性体积应变关系的统一表达式以及初始物理力学状态依赖的应力-剪胀方程和破坏时剪胀率ζf表达式,并由此获得了堆石料剪胀剪缩转化的判断准则。     

堆石料的应力-应变特性及其三维破碎本构模型

综合已有的研究成果,从压缩、剪胀和强度三方面分析颗粒破碎对堆石料应力-应变特性的影响。基于堆石料的变形和强度特性,引入新的硬化参数H,并推导出相应的屈服函数表达式,进而提出一个能够考虑堆石料颗粒破碎影响的弹-塑性本构模型。利用基于空间滑动面准则（SMP准则）的变换应力方法将模型进行三维化,并参照某堆石料大三轴试验结果对...     

一个考虑颗粒破碎的堆石料弹塑性本构模型

基于广义塑性理论建立了一个考虑堆石料颗粒破碎的弹塑性本构模型。模型采用随平均应力增加而减小的峰值摩擦角和特征点摩擦角来反映堆石料因颗粒破碎而表现出的峰值应力比与剪胀应力比的非线性,在此基础上确定塑性流动和加载方向向量;运用指数型压缩函数建立依赖于体积应变和平均应力的压缩参数 λ ,并构造随平均应力与剪应力水平而变化的塑性模量表达式。模型共有 8 个参数,均可通过等向或单向压缩和三轴压缩试验确定。为验证本文模型的合理性,依据试验资料确定了 3 种不同堆石料的本构模型参数,并对典型三轴压缩试验进行了模拟。 3 种材料的模型预测结果与试验数据均吻合良好,表明本文模型可合理反映了颗粒破碎对堆石料强度与变形特性的影响。     

基于应力响应包络的土体典型本构模型比较

应力响应包络是本构模型切线刚度的一种几何表达,也是研究本构模型定性特征的有效工具。针对亚弹性、弹塑性及亚塑性等 3 种类型的土体本构模型,分别以邓肯模型、剑桥模型和 Gudehus-Bauer 模型为例,讨论了相应的应力响应包络形态,并比较了 3 类模型各自的特点。并且,通过分析不同模型的应力响应包络及其在主应力空间中的变化规律,说明了亚弹性模型用于模拟土体的加、卸载存在着本质缺陷;弹塑性模型在屈服面附近的中性变载和卸载响应存在一定的问题;亚塑性模型描述的土体切线模量随应变增量方向连续变化的特征比较合理,但简单亚塑性模型难以准确模拟土体不排水剪切应力路径。     

筑坝土石料的统一广义塑性本构模型

室内三轴试验资料的分析表明：与砾石土心墙料不同,密实堆石料、砂砾料的破坏应力比,随围压的增长出现明显降低;而反映坝料剪胀特征的应力比,随着围压的增长基本不变。根据试验资料,建立了描述土石料剪胀状态和破坏状态的统一应力表达式;针对现有广义塑性模型不能合理反映土石料压缩性的问题,采用改进剪胀方程,利用室内压缩试验和三轴剪切试验成果,构造弹性和塑性模量,提出了一个可以考虑土石料复杂加载特性的实用的统一广义塑性本构模型;将上述模型编制程序,模拟土石料的试验加载,得到预测值与试验数据吻合良好,可较好反映筑坝土石料的应力变形特性。     

包含Reynolds剪胀的砂土热力学模型

首先简要介绍了建立弹塑性本构模型的热力学方法,它不仅具有紧凑的数学结构,而且自动满足热力学定律.基于砂土变形的微观力学机制,将砂土的塑性体积应变增量分 为"应力诱发的体积应变增量"和"剪切应变诱发的塑性体积应变增量"(即Reylonds剪胀)两部分,自然地将与Reylonds剪胀相关的零功约束引入到弹塑性土体模型的热力学超塑性公式中,建立了包含Reynolds剪胀的砂土热力学模型.基于前人的试验结果与理论分析,建立了固结压力与应力诱发的剪胀角的硬化定律,通过对两种砂土试验数据与预测结果的对比分析,验证了模型的有效性.     

考虑密实度和应力水平效应的粗粒土定量化本构模拟

亚塑性理论是一个相对较新的本构理论框架,适合于模拟土体等具有强烈非线性特性的颗粒材料。针对Gudehus和Bauer建立的一个亚塑性模型,建议了一个修正模型。原始模型虽能定性地反映粗粒土的剪胀性和应变软化特性随土体初始密实度和应力水平变化的规律,但模型对粗粒土应力–应变关系的定量预测还不能达到令人满意的程度。在Gudehus-Bauer模型基础上,通过在本构方程中增加一个随剪应力水平变化的因子来修正张量函数的结构,增强了模型描述各种应力路径的能力。修正模型还采用了应力变换的方法来改善对粗粒土在三维应力条件下力学响应的模拟质量。论文中给出的数值结果表明,修正后的模型不仅能定性地反映粗粒土的力学响应,还能在很宽广的密实度和应力范围内得到和实验数据相一致的定量预测。     

基于状态参数的筑坝粗粒土本构模型

粗粒土的应力应变关系与其密实度有着密切的关系。当前常用的粗粒土本构模型无法考虑密实度对其力学行为的影响,在粗粒土三轴试验基础上建议了一个基于状态参数的粗粒土双屈服面模型,推导了其应力应变表达式。该模型能够反映不同初始孔隙比条件下粗粒土的峰值强度、剪胀性、应变硬化或软化规律。通过与多组粗粒土三轴试验结果比较,验证了模型的适应性。     

一个基于细观结构的粗粒料弹塑性本构模型

针对粗粒料的剪胀特性和强度非线性,在经典弹塑性理论框架内,建立了一个基于细观结构的粗粒料弹塑性本构模型。模型采用基于颗粒材料细观结构变化推导得到的屈服函数,在此基础上由非相关联流动法则得到的剪胀方程,结合粗粒料典型的三轴压缩试验结果,引入一种无黏性土的压缩模式,构造了能够统一描述粗粒料剪胀、剪缩特性的硬化参数。阐述了由常规三轴试验和等向压缩试验确定模型全部7个参数的方法。对3种粗粒料三轴压缩试验结果进行了预测,预测结果与试验结果吻合良好,说明模型能够合理地反映粗粒料的应力变形特性。     

用于触探试验分析的粒状材料本构模型之展望

讨论了用于触探试验分析的粒状材料本构模型。利用二维离散元程序,对粒状材料触探试验进行数值模拟,研究了地基中的应力路径与应力场,然后基于土力学中的最新知识,分析总结出试验中粒状材料的主要力学特点。研究表明,在粒状材料的触探试验分析中,其本构模型应当包含4个主要特性:剪胀性、率相关性、颗粒破碎和非共轴性。     

Unified modeling behavior of rockfill materials along different loading stress paths

Rockfill materials used for dam construction show obvious stress path dependency during construction process. The constitutive model for rockfill materials are mainly established based on conventional triaxial test. This brings some deviation to the numerical calculation for earth rockfill dam engineering, and it is necessary to develop a constitutive model considering stress paths effect. In the framework of generalized plasticity, plastic modulus can be expressed as the function of dilatancy equation and tangent modulus, hence the influence of stress paths on model can be transfer to the dilatancy equation and tangent modulus. This leads to a new method to describe stress-strain response of rockfill under various loading stress paths. Based on the analysis of large-scale triaxial experiments of rockfill materials with various stress paths, we proposed new dilatancy equation and tangent modulus to better describe stress paths effect and corresponding modified generalized plasticity model is established. Through the prediction and comparison of three groups of rockfill materials triaxial tests, the model established in this paper can simulate behaviors of rockfill materials under various stress paths, using only a set of parameters.     

粗粒土的剪胀方程及广义塑性本构模型研究

以剑桥模型的剪胀方程为基础,引入曲线形态调节因式,提出了一个新的剪胀方程,并依此构建了一个适用于粗粒土的广义塑性模型。主要结论如下:(1)所提剪胀方程能够反映粗粒土剪胀比和应力比之间的非线性关系,且参数定义明确、确定方法简单,并通过试验验证了其对粗粒土的剪缩和剪胀特性的描述能力较好;(2)所构建的广义塑性本构模型参数为9个,并给出了通过室内常规试验确定参数的方法;(3)推导了该模型在一般应力状态下的刚度矩阵,并证明了其对粗粒料普通三轴CD试验具有良好的拟合效果,进一步地,利用三轴等p试验和两段等应力比试验验证了模型的适用性。     

考虑可逆与不可逆剪胀的粗粒土动本构模型

在边界面塑性理论的框架内,建立了一个新的粗粒土动本构模型。在模型中,剪胀体应变由一个可逆的体应变分量和一个不可逆的体应变分量构成。前者取决于当前剪应力的大小和方向,后者主要取决于剪切作用的历史,它们分别服从不同的剪胀规律。建立了描述可逆剪胀与不可逆剪胀体应变的数学表达式,探讨了可逆和不可逆剪胀体应变分量对应力应变关系的影响,并通过数值模拟与试验结果的对比对模型进行了初步验证。     

胶凝粗粒料的弹塑性模型与应用研究

目前工程技术人员对胶凝粗粒料能否应用于高堆石坝等重要、永久性建筑物还存在疑虑,这主要是由于目前对胶凝粗粒料力学性质研究尚不充分。尚没有广为认可的胶凝粗粒料标准本构模型,使得胶凝粗粒料数值模拟结果可信度较低。进行了胶凝砂砾料大围压范围(7级围压,范围100～3000 kPa)的室内三轴剪切试验,试验结果表明,胶凝砂砾料力学性质具有压硬性、强度非线性、强剪胀性和应变软化性等显著特征。研究发现,三轴应力路径的胶凝砂砾料应力应变关系可用驼峰曲线较好描述,其体积剪胀性可采用Rowe剪胀方程描述,以此建立了三轴应力平面内胶凝砂砾料应力应变关系,并根据广义塑性理论中切线模量与塑性模量之间的关系,将模型拓展至三维应力空间,得到了胶凝砂砾料弹塑性本构模型。试验结果和前人多组试验结果对该模型进行了验证,均表明模型具有良好的适用性,模型简明、实用,易于数值实现。将该模型成功应用于一个高面板坝的"胶凝增模区"弹塑性分析,并从坝体、防渗体应力变形安全性方面评估了胶凝料用于高堆石坝"增模"的可行性。     

基于破碎能耗的粗颗粒料本构模型

现有的考虑颗粒破碎的本构模型主要是通过引入颗粒破碎率来反映颗粒破碎对材料力学性质的影响,由于颗粒破碎率只是粗颗粒料在受外荷作用下的一种外部表现,在测定的其它参数中实际上已经包含了颗粒破碎的影响,因此为反映颗粒破碎而引入颗粒破碎率的方法是不合适的。基于Ueng和Chen剪胀方程,通过分析三轴剪切试验过程中的能量平衡,提出了考虑颗粒破碎的剪胀方程及其参数确定方法。将Rowe剪胀方程和考虑颗粒破碎的剪胀方程分别引入Duncan E-非线性模型和沈珠江“南水”双曲服面模型,通过与三轴CD剪切试验成果的对比分析和工程实例的有限元数值分析,表明所提模型可较好地反映材料的剪胀特性。如采用弹塑性模型尚能反映颗粒破碎在增加变形的同时降低了材料的强度等特性,验证了所提模型的合理性和可靠性。与现有的考虑颗粒破碎的本构模型相比,所提模型具有试验工作量小、参数少和参数物理意义明确等优点,便于在工程中推广使用。