论粗粒土的应力应变特性及数学表达

通过对粗粒土的大型三轴剪切试验结果进行分析,揭示了粗粒土的应力应变关系的特性及其非线性参数的数学表达式。粗粒土的应力应变曲线多呈现软化型或弱硬化型,都符合双曲线规律,由此可确定其非线性应力应变参数。     

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PF...     

粗粒土BP神经网络本构模型研究

为了描述具有应力应变关系非线性和剪胀性的粗粒土本构特性,利用改进的BP神经网络算法,通过优选网络结构和对粗粒土的大型三轴固结排水剪试验数据样本学习,建立了一个以平均主应力p和广义剪应力q作为网络输入向量、以体应变εv和剪应变εs作为网络输出向量的粗粒土BP神经网络本构模型。利用此模型对粗粒土的应力应变关系进行了预测,整体预测结果的最大误差均在10%内。预测表明本神经网络模型具有良好的预测精度和适用性。     

某板岩粗粒料湿化特性三轴试验研究

对某板岩粗粒料进行了大型三轴湿化变形试验,分析了湿化体积应变、湿化剪应变等随围压、应力水平变化关系。试验结果表明：湿化体积应变、湿化剪应变随着围压增大或应力水平的提高而增大。利用试验结果研究了沈珠江湿化变形模型对试验所用的板岩粗粒料的适用性。结果显示,沈珠江模型不能满意地反映湿化体积应变,但是,能较好地反映湿化剪应变与应力状态的关系。分析湿化后剪切强度性质,发现不同应力水平下湿化对粗粒土的强度指标影响很小。     

不同中主应力条件下粗粒土应力变形特性试验研究

采用长江科学院大型真三轴仪,对粗粒土进行了一系列不同中主应力系数条件下的真三轴试验和平面应变试验,研究了中主应力对粗粒土的应力变形的影响规律。试验结果表明,中主应力比b一定时,应力–应变关系曲线的斜率和峰值强度随着固结压力的增大而增加,在低围压条件下,体变关系曲线在加载过程中表现为先剪缩后剪胀的特性,而在高围压下,整个加载过程中表现剪缩的特性;固结压力一定时,随着b值的增大,应力在峰值后的软化现象愈加明显,体变全过程曲线表现出剪胀特征对应的固结压力越来越低,小主应变–大主应变关系曲线的斜率绝对值增大。研究成果可为进一步研究粗粒土的本构模型奠定基础。     

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。     

土石粗粒料的强度和变形特性的试验研究

根据大坝应力路径,对粗粒料进行等应力比和等应力比增量等于常数的三轴剪切试验,得出了相应的应力–应变关系式和规律;根据粗粒料的试验强度曲线特征,提出用幂次型函数表述粗粒料的抗剪强度,并以此为屈服准则,结合弹塑性理论建立了粗粒料的弹塑性本构模型,该模型可以用一个统一的表达式表述,该模型概念清晰、模型参数较少;同时推导出粗粒料的弹塑性矩阵;通过试验验证模型计算得到的粗粒料应力–应变关系曲线和实测结果吻合较好。     

大型微摩阻土工真三轴试验系统及其应用

介绍了长江科学院研制的大型土工真三轴试验系统,该试验系统具有如下功能:①能够稳定的开展粗粒土的真三轴试验;②可以提供的小主应力最大值为3.0 MPa,大主应力最大值为15.0 MPa;③试验尺寸为300 mm(长)×300 mm(宽)×600 mm(高);④可按任意设定的加载过程,采用应力或应变控制方式进行三向独立加载,实现复杂应力条件下的模拟试验;⑤能获得粗粒土试样的应力变形全过程线。通过一个典型工程案例,将该试验系统应用于粗粒土复杂应力条件下的力学特性研究,获得了粗粒土在不同应力水平下的应力变形规律;得到了试样在不同加载路径下的强度参数,并对其破坏准则的适用性进行了初步探讨。大型微摩阻土工真三轴试验系统的成功研制,为深入研究粗粒土在高应力和复杂应力路径下的强度与变形特性提供了技术手段。     

双江口过渡料三轴试验的颗粒尺寸效应

为研究粗粒料的颗粒尺寸效应,采用相似级配缩制方法将过渡料缩尺成不同的最大粒径进行同一试样尺寸的三轴试验。依据三轴试验结果,详细分析了粗粒料的抗剪强度参数、偏应力-轴应变关系、本构模型参数及其产生的原因。     

高速铁路路基粗粒土B组填料大型动三轴试验研究

为研究高速铁路路基粗粒土B组填料的动弹性模量与阻尼特性,进行了大型动三轴试验。结果表明:动应变是影响粗粒土B组填料动弹性模量和阻尼比最主要的因素。随着动应变增大,动弹性模量呈幂指数减小、阻尼比呈S型曲线增加。随着固结围压或加载频率的增加,动弹性模量和阻尼比均增大。随着振动次数的增加,动弹性模量呈减小的趋势,应力水平越低衰减幅度越小。根据试验结果,建立了考虑围压、频率影响的动弹性模量及阻尼比关于动应变的关系模型,为高速铁路路基粗粒土B组填料的动力参数取值提供参考。     

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。     

基于阻尼的地震循环荷载作用下黏土非线性模型

提出一种基于阻尼比的黏土动应力应变模型,通过在滞回曲线中显示地引入代表阻尼比大小的形状系数,使得理论滞回曲线真实地反应土体的滞回阻尼性能。首先推导在等幅对称荷载下滞回曲线的理论方程。然后,为将该模型应用于随机地震荷载的情况,对扩展的曼辛不规则加卸载准则进行了改造,提出当沿小圈加载时,滞回曲线奔向曾经到达过的最大加卸载点。最后,介绍对一种粉质黏土进行的等幅循环荷载和不规则荷载作用下的循环单剪试验。试验结果表明,模型能够较好地模拟土在地震循环荷载作用下的滞回特性。     

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。     

粗粒土二维模型试验的组构分析

粗粒土的组构主要指土颗粒的几何排列方式,是决定粗粒土宏观力学性质的根本因素。为研究组构对粗粒土应力应变关系的影响,进行了粗粒土二维模型试验研究。应用计算机图像测量分析系统对模型试验图片进行分析,能定量地分析试验过程中颗粒的位移、转角、长轴的定向、配位数及枝向量的变化。图像处理结果表明,模型试验过程中颗粒的运动规律与三轴试验过程中颗粒的运动规律一致,说明模型试验能反映三轴试验过程。颗粒位移矢量图和颗粒错动矢量图分析说明,宏观应变均由颗粒调整得到,在变形的不同阶段均有颗粒错动发生,随着变形的发展发生错动的颗粒数量增多,并逐渐集中到剪切带上。颗粒长轴和枝向量的定向性与偏应力有很好的关系,定向性增强应力是增长的;反之,定向性减弱应力是衰减的。对于接触紧密的颗粒,随着变形的发展平均枝长的变化不是很明显。平均配位数与体变之间没有很好的关系,可能与模型试验中采用多边形颗粒及颗粒偏大有关。     

土体的各向异性及近似模拟

通过真三轴仪试验 ,分别从 3个主应力方向加荷 ,研究产生的应变分量变化 ,从而较清楚地揭示了土体中显著的由应力引起的各向异性。在此基础上提出了土体应力应变柔度矩阵所具有的性质 ,即不同应力方向上加荷所引起的应变分量之间关系的规律 ,这些规律是检验土体本构模型合理性和适用性的重要标尺。依据这些性质 ,提出了一种以邓肯模型为基础修正的各向异性本构模型 ,对于不同的应力方向 ,采用不同的弹性模量和泊松比 ,模型参数与邓肯模型一致 ,由常规三轴试验确定 ,它是一个经验的、但实用性强的各向异性本构模型。     

间断级配粗粒土压实特性试验研究

岩土工程中常遇到级配不连续的粗粒土,这类间断级配粗粒土的压实特性尚不清楚。通过开展室内压实试验,探究了影响间断级配粗粒土压实特性的主要因素。试验发现,间断级配与连续级配料相比,缺少d₃₀以下的粒径不利于压实,缺少中间粒径反而可能有利于压实。其干密度随基准级配分形维数D的增加而增大,并且D=2.5~2.7时压实性最好;随细料含量的增加先增后减,而最优细料含量与粗、细料单独堆积密度以及粗细颗粒堆积过程中的相互干扰程度有关。据此建立了间断级配粗粒土压实干密度的预测模型,通过少量压实试验即可得获得干密度与细料含量的关系曲线,从而得到最优细料含量和满足干密度要求的细料含量区间,可以较大程度上减少试验工作量。     

基于微观力学分析的散粒体静力液化本构模型

针对散粒体的静力液化特性,在散粒体颗粒运动微观力学分析的基础上,在临界状态土力学框架内建立了一个简单的静力液化弹塑性本构模型。模型屈服函数和和硬化规律根据Chang提出的砂土微观力学模型,通过积分粒间接触力为宏观的应力不变量而建立,考虑了与材料状态相关的剪胀性和初始密度对散粒体应力应变关系的影响,并采用非相关联的流动法则。模型参数简单且有较明确物理意义,可以通过室内三轴试验确定。模型的数值结果与Toyoura砂以及砂粉混合土的三轴不排水剪切试验的应力应变曲线和应力路径吻合较好。     

A Simple and Unified One-Dimensional Model to Describe Various Characteristics of Soils

A simple and unified constitutive model for soils, considering various effects such as the influences of density, bonding, time dependent behavior and others, is presented in this paper. The elastoplastic behavior of over consolidated non-structured soils under a one-dimensional stress condition is firstly presented by introducing a state variable that represents the influence of density (stage I). To describe the one-dimensional stress-strain behavior of structured soils, attention is focused on density and bonding as the main factors that affect the response of this type of soil, because it can be considered that soil a skeleton structure which is in a looser state than that of a normally consolidated soil is formed by bonding effects (stage II). Furthermore, a simple method is presented which allows for other soil characteristics to be considered, such as time and temperature dependency, and the effect of suction in unsaturated soils. Experimental observations show that the normally consolidated line (NCL) in the void ratio—stress relation (e.g., e-ln σ curve) shifts depending on the change of strain rate, temperature, suction and others (stage III). The validation of the model at stages I and II is demonstrated by simulating one-dimensional consolidation tests for normally consolidated, over consolidated and natural clays. The applicability of the model at stage III is verified not only by the simulations of time-dependent behavior of clays in one-dimensional element tests but also by the soil-water coupled finite element analysis of oedometer tests as a boundary value problem. The extension from one-dimensional models to three-dimensional models is easily achieved by defining the yield function using stress invariants instead of one-dimensional stress ‘σ’ and by assuming an appropriate flow rule in stress space. The details of the modeling in general three-dimensional stress conditions will be described in another paper (Nakai et al., 2011).     

结构性软土三维弹塑性损伤本构模型研究

基于所提出的岩土材料统一各向同性破坏准则,通过引入椭圆–抛物双屈服面模型以及结构性损伤屈服面,结合复合体损伤概念,建立了三维主应力空间中弹塑性损伤本构模型,该模型能够反映结构性软土应力应变的非线性、剪胀剪缩特性、结构性以及中主应力对变形的影响。通过结构性软土试验结果与模型的计算结果对比分析,表明该模型能够较好地预测结构性软土三维空间的应力–应变特性。     

考虑胶结作用的木质素固化粉土边界面塑性模型

为研究木质素固化粉土的应力–应变特性,通过无侧限抗压强度试验和微观结构分析,探讨木质素固化土的胶结特性。基于边界面塑性理论,引入硬化参数、应力剪胀参数和胶结破坏速率等参数,提出考虑胶结作用的木质素固化土边界面塑性模型,采用非相关联流动法则和改进映射法则描述土体的不同破坏模式,并阐述模型中各参数的意义及计算方法。根据室内固结试验和三轴压缩试验,对木质素固化粉土的应力–应变、应力剪胀和超孔隙水压力变化特征进行分析,并验证了本文所提模型的有效性。研究表明:木质素产生的胶结作用是土体工程性质改善的主要原因之一;12%掺量木质素固化土屈服应力和不排水抗剪强度较素土分别提高约90%和40%,高、低围压下土体应力剪胀特性不同,围压对超孔隙水压力的变化影响较大;通过试验验证了模型计算的准确性,该模型可描述土体在不同受力状态下的应变特征,具有原理简单,参数明确的特点,可为固化土应力–应变的数值计算提供相应的理论基础。