引入离散元所得破损规律的结构性黄土本构模型

结构性黄土的强度和变形特性与其内部的结构破损密切相关,限于微结构测试技术的限制,结构的逐渐破损规律还未能试验测试得到,因此将离散元数值试验所得理想结构性黄土在荷载和水作用下的破损演变规律,引入到应变分担形式的二元介质模型中,获得模型的响应并用于检验所得破损演变规律的合理性。首先给出了模型的本构方程,其中胶结元采用弹性模型,摩擦元采用修正剑桥模型,破损参数的函数形式通过对结构性黄土试样在加载和增湿作用下的离散元数值试验获得,然后应用编制的单元试验数值计算程序,检验了模型在一维压缩、一维湿陷、三轴压缩和三轴湿陷试验中的力学响应。结果表明该模型能够反映一维压缩试验中的压缩变形特性,一维湿陷试验中湿陷系数随压力的变化规律,三轴剪切试验中体变随围压的变化、初始弹性模量随围压的变化和三轴湿陷试验中逐步增湿的变形规律,胶结元的参数对力学特性影响较大,总体上在三轴压缩试验应变硬化时,离散元数值试验所得破损参数的变化规律比已有破损规律合理。     

湿载耦合作用下黄土结构性损伤演化及本构关系

 针对增湿、加荷作用下黄土结构性损伤演化的变形问题,通过压缩变形特性和三轴剪切变形特性,分析黄土结构性损伤的宏观力学反映。分析结果表明,土的含水量增加、固结压力增大和剪切作用均会引起黄土的结构性损伤。随着含水量的增大,压缩作用损伤和剪切作用损伤更加突出;固结压力较大时,压剪作用对土原生结构破损更突出,其次生结构和剪缩性增强。将结构性损伤土视为原状结构体和完全损伤体的复合体,综合应用应力比损伤方程和应变损伤方程,在比较原状土与饱和重塑土应力比建立结构性参数的基础上,建立黄土的结构性损伤演化方程;在原状结构体服从弹性定律、完全损伤体服从修正剑桥模型的基础上,从结构性损伤土变形为原状结构体弹性变形和完全损伤体弹塑性变形叠加出发,建立结构性土的损伤弹塑性本构方程。同时,比较分析不同湿度黄土试验测试的应力–应变曲线和损伤弹塑性本构方程描述的理论曲线,两者比较一致,验证了该本构关系的合理性。     

非饱和结构性黄土双轴湿陷试验的离散元分析

为了分析结构性黄土在复杂应力路径(非侧限压缩路径)下浸水和加荷的次序对黄土湿陷变形的影响以及探讨黄土在双轴剪切和浸水时粒间胶结破坏行为,本文应用分层欠压法制备出非饱和结构性黄土离散元试样,进行了单线法(不同增湿路径:一次增湿、逐步增湿)和双线法双轴数值湿陷试验。结果表明:单线法在某偏应力水平下浸水所得轴向湿陷应变大于双线法;当增湿偏应力大于增湿后试样的强度时会产生湿陷破坏。逐步增湿引起的体积变形小于一次增湿试验;逐步增湿比一次增湿胶结破坏点数量少。     

多种应力路径下结构性土胶结破损演化规律离散元分析

结构性土体通常指粒间含有胶结的土体,可看成一种特殊的胶结颗粒材料,探明结构性土体的胶结破损演化规律是加深结构性土体宏微观力学性质认识及建立结构性土本构模型的关键。由于试验手段难以定量获取胶结破损信息,通过离散单元法分析了结构性土体的胶结破损演化规律。首先采用相对完备的胶结接触模型建立了结构性土体离散元试样,接触模型考虑了颗粒及胶结物质的抗转动和抗扭转作用以及胶结尺寸对刚度和强度的影响;然后开展了结构性土侧限压缩、等向压缩、等应力比压缩以及常规三轴和真三轴试验的离散元数值分析,再现了结构性土的主要宏观力学特征;在此基础上的胶结破损演化分析表明胶结破损参量B0演化具有明显的应力路径相关性,而新提出的破损参量Bσ应力路径相关性低,通过Bσ与等效塑性应变的指数函数关系,可以描述结构性土体的胶结破损演化情况。     

黄土弹塑性损伤本构模型

 通过对黄土在加载和增湿作用下能量的耗散和转换过程,以及黄土结构在加载和增湿作用下的破损规律分析,提出了黄土的增湿损伤变量的定义,并给出用与含水量或饱和度有关的增湿损伤的等效能量指标来描述增湿损伤的演化过程。参照J. C. Simo提出能量指标概念,提出黄土的加载损伤的能量指标,并通过黄土加载过程中的结构破坏过程、力学和强度指标的劣化分析,提出黄土的加载损伤演化方程。对黄土的常规三轴试验和压缩试验分析,提出符合相关联流动法则的以塑性功为硬化参数的椭圆形塑性加载函数。通过提出的塑性加载函数、加载损伤演化方程和增湿损伤演化方程,根据损伤力学和塑性力学理论推导出黄土弹塑性损伤本构关系,建立黄土的弹塑性损伤本构模型。     

基于微观破损规律的结构性土本构模型

在岩土破损力学理论的基础上,通过考虑土体结构性破损的微观机理,建立了结构性土的本构模型。通过定义与重塑土屈服面几何相似的结构性屈服面,模型可以反映结构性对土体力学特性的影响;通过引入表征结构性损伤的破损参数,确定了结构性土加载过程中的硬化规律。该破损参数基于岩土破损力学中应力应变分担的概念而提出,具有明确的力学意义;模型的硬化规律同时考虑了塑性体应变及塑性主应变的影响,可以更好地反映土体结构性损伤过程。将该本构模型用于结构性土室内固结试验及三轴压缩试验结果的模拟,初步验证了该模型的合理性。     

非饱和结构性黄土侧限压缩和湿陷试验三维离散元分析

为了研究非饱和结构性黄土在侧限状态下受竖向荷载和增湿作用的宏微观力学性质,对非饱和重塑和结构性黄土侧限压缩和湿陷试验开展了三维离散元模拟分析。首先通过引入颗粒吸引力考虑黄土颗粒间范德华力和毛细力作用,引入胶结考虑结构性黄土颗粒间化学胶结作用,建立结构性黄土三维接触模型;然后采用分层欠压法并考虑颗粒间范德华力制成松散均匀的黄土离散元试样,在试样中施加毛细力模拟黄土的非饱和性,施加胶结模拟黄土的结构性;最后选择合适的接触模型参数,对试样施加分级竖向荷载并在多级荷载下进行了增湿试验分析。结果表明:离散元模拟能够再现黄土室内侧限压缩和湿陷试验的主要力学性质,如重塑黄土的屈服应力和结构性土的结构屈服应力随含水率的减小而增加,重塑黄土和结构性黄土单线法增湿变形结果基本与双线法结果相同。胶结破坏分析表明,结构性黄土离散元试样的胶结破坏存在阈值平均应力;增湿后达到的胶结破坏数与相同竖向压力下的饱和土胶结破坏数相差不大(单双线法相同);湿陷体应变与胶结破坏数量密切相关。     

不同应力路径加荷时粉土的应力应变关系

对粉土在常规三轴仪上用改进的加荷方法进行了多种应力路径的试验,揭示了应力路径对粉土应力应变特性的影响;探讨了粉土的剪胀性以及用常规三轴试验得出的参数能否反映不同加荷路径等问题;推荐了几个合适的本构模型并给出了模型参数.     

考虑结构性影响的原状黄土等效线性模型

对不同含水率的西安原状黄土及相同干密度的扰动饱和黄土进行动三轴试验,用同一动应变下原状黄土的割线模量Edy与扰动饱和黄土的割线模量Edrs之比值定义了动三轴应力条件下结构性参数mεd,它可以综合反映土的排列和胶结特征所表现出的综合结构势(结构性强弱),探讨了动荷作用过程中不同固结围压及含水率下结构性参数变化特性。研究结果表明:①结构性参数可以反映含水率、固结围压对动三轴应力条件下原状黄土结构性的影响,具有很好的合理性、灵敏性、稳定性。用此结构性参数随含水率、固结围压的增大而减小的特性可以合理地解释原状黄土的动应力应变特性;②结构性参数的变化量mεd0?mεd与动应变εd关系可以用双曲线来拟合(mεd0为初始结构性参数),由此所得到的结构性参数表达式可以反映固结围压、湿度、密度、动应力和动应变对结构性的影响;③在扰动饱和土的等效线性模型中引入结构性参数所得到的原状黄土等效线性模型能够考虑增湿、加荷对原状黄土结构性的影响,计算结果与试验结果之间吻合较好。     

结构性黄土压缩屈服特性及湿压模型

湿陷性黄土具有很强的结构性,在增湿及侧限压缩应力作用下,其变形特性表现出与一般黏性土不同的特性。针对这一问题,通过对3种不同初始结构性黄土的侧限压缩试验,对黄土在增湿及压缩应力条件下黄土的宏观力学特性及其结构变化特征进行研究。研究结果表明:1)在增湿及侧限压缩应力作用下,黄土的e-lgp曲线分成三段,即平缓状态段、非线性段和线性段;2)原状黄土的压缩曲线与重塑土压缩曲线的变化给出了同一压力下黄土架空排列结构破损后孔隙比的可能变化量;3)原状黄土与饱和黄土压缩曲线的差别揭示了同一压力下黄土颗粒间胶结丧失后结构性黄土孔隙比的可能变化量;4)结构屈服应力与初始含水率之间满足幂函数关系,压缩指数与初始含水率之间呈指数函数关系。     

平面应变加、卸荷条件下考虑初始应力的原状黄土#br# 强度与变形特性试验研究

针对黄土工程中的众多平面应变加、卸载问题,利用平面应变改造后的西安理工大学真三轴仪,模拟黄土原位沉积方向及不同初始应力状态,在不同围压下对不同初始应力状态原状黄土进行竖向加载和侧向卸载平面应变试验,揭示不同初始应力状态原状黄土在加、卸载不同应力路径条件下的强度和变形特性。研究结果表明：两种应力路径条件下的应力应变曲线均呈硬化型,加载曲线均高于卸载,加载强度大于卸载强度,但卸载时,土的强度发挥较快。剪切过程中,黄土的侧向变形与竖向变形均呈非线性关系。竖向加载时,土的初始应力状态k值对土强度和变形的影响与固结围压的大小关系紧密;侧向卸载时,k值的增大可以限制侧向变形的发展。竖向加载条件下的体积应变均为剪缩,侧向卸载时均为剪胀。加、卸载条件下p-q平面内的破坏强度线基本一致,近似呈线性关系。侧向卸载条件下土体破坏时的应变远小于竖向加载和常规三轴试验。随着k值的增大,加、卸载应力路径时,黏聚力均线性减小,内摩擦角均线性增大。     

等向应力下原状黄土的压缩及增湿变形特性研究

 用非饱和土三轴剪切渗透仪,在等向应力条件下对原状黄土进行增湿–加载,加载–增湿及加载–增湿–加载3个系列加载增湿路径试验,分析吸力对压缩变形和加载屈服特性的影响,探讨增湿时应力对变形及屈服特性的影响,通过对单线法及双线法的试验结果对比,确认原状黄土的增湿体积变形与加载增湿路径有关,加载及增湿屈服线不具有唯一性,进而提出等向应力条件下原状黄土的弹塑性体变模型。研究结果表明：吸力及应力分别对屈服前压缩及增湿变形特性指标几乎没有影响,而对屈服后的指标皆有明显的影响;单线法与双线法确定的增湿体积变形皆随应力的增大而先增大后减小,峰值点处应力与吸力丧失程度及加载增湿路径无关,且近似等于天然状态土样的初始屈服应力;增湿变形与加载增湿路径有关,单线法的值比双线法确定的值小,差值随增湿程度增大而减小,增湿至饱和时2种方法确定的湿陷变形近似相等。对于相同的塑性体应变,吸力减小屈服线位于加载屈服线之下方,二者随塑性体应变的增大而耦合联动扩大。提出的弹塑性体变模型可以较好地预测不同吸力下的压缩变形,比采用唯一加载湿陷屈服线的模型更好地预测不同应力下增湿变形。     

不同应力路径大理岩声发射破坏前兆的试验研究

应力路径不同,岩石变形和破坏过程中伴随的声发射特征也不同,通过不同路径大理岩加、卸荷试验,结合分形维数原理,探讨声发射破坏前兆随应力路径的变化规律。试验结果表明:1岩样破坏处的声发射计数率和破坏前的累计计数率增长率由大变小的应力路径为加轴压卸围压、恒轴压卸围压、单轴、常规三轴路径。2常规三轴路径下岩样临近破坏时,声发射事件计数率存在明显的"低声发射期",围压越大,声发射前兆"低声发射期"越明显;同时累计振铃计数率增长速率降低的拐点出现后很短时间,岩样也会发生破坏。3低围压下恒轴压、卸围压路径岩样破坏时累计振铃计数率的增长速率近似为切线。加轴压、卸围压岩样破坏前一段相近计数率后存在声发射计数率的"平静期",围压增加,"平静期"持续时间增加,岩样破坏产生的计数率越高。4在低围压应力环境下应力比0.8、高围压应力环境下时间比0.4时声发射分维数降低的特征可以作为岩样的破坏前兆分析。     

受施工卸载扰动黄土的变形与强度特性研究

各种施工活动都不同程度地对周围土体产生扰动影响,应力状态与应力路径的改变作为施工卸载的关键影响因素,对施工扰动起着主导作用。在分析基坑开挖及隧道与地下洞室掘进卸载作用的基础上,根据不同施工工况的特点,制定了室内非常规三轴卸载试验方案,对不同卸载应力路径下的应力-应变关系曲线、强度与变形特性及破坏特征进行了一系列卸载试验研究。试验结果表明,卸载作用下的强度与变形特性、变形模量及破坏特征与加载路径存在很大差别,挤长破坏的抗剪强度较压缩破坏低,挤长破坏的最大轴向应变仅为压缩破坏的1/3～1/2。     

不排水条件下轴向加卸载时结构性土的力学特性探讨

 为研究结构性土在不排水条件下的力学特性,开展固结不排水条件下初始应力各向异性结构性土、各向同性结构性土及重塑土在25,50,100,200及400 kPa共5种围压下的三轴加卸载试验,并利用二元介质概念对试验现象进行了分析。结果表明：结构性土在固结应力较低时结构性保持较好,存在明显的结构屈服强度,不同应力循环中平均模量无明显变化;固结应力较高时结构性减弱,表现为与重塑土相似的特性,受结构性减弱及正孔压等因素影响,平均模量随εa增加而减小;结构性土胶结元破损率与摩擦元中土颗粒间距随轴向应变增加而增大,卸载时体缩趋于明显。     

土体材料屈服准则及试验和数值分析应力路径探讨

对强度理论进行了深入的论述,剖析了莫尔–库仑剪切屈服准则,依据此准则,在主应力空间(三轴仪平面)、偏平面和大小主应力子午面上直观地描绘了在普通三轴仪上进行各种三轴压缩、三轴伸长试验的应力路径和平面应力条件下的应力路径,考虑土体为不抗拉或弱抗拉材料,建议采用张拉–莫尔–库仑剪切复合屈服准则和张拉-剪切–体积复合屈服准则来分析土体的屈服和破坏行为,并结合张拉–莫尔–库仑剪切复合屈服准则对现行有限元数值计算方法中按载荷步进行加、卸载分析时的应力路径进行了探讨。     

加载卸载对人工冻结土强度与变形的影响

加载卸载两种应力路径下冻土应力 -应变曲线均呈双曲线型 ,但其变形过程明显不同。减载应力路径下的屈服强度明显小于增载应力路径下的 ,且随着围压的增大 ,其差异愈来愈大 ,但其破坏变形却基本无大的差异。冻土的屈服强度和破坏变形均随温度的降低而增加 ,但加载下的强度值和破坏变形明显大于减载下的 ,并随着温度的降低 ,这种差值愈来愈大。     

不同应力路径下砂岩力学特性的试验研究

利用WDT–1500多功能材料试验机对砂岩试样进行定围升轴、卸围升轴及定轴卸围这3种不同应力路径下的三轴试验,并从变形特性、强度特性和破坏特性及其机制分析等方面对砂岩试样的力学特性进行对比分析研究。结果表明：相对于定围升轴,卸围升轴及定轴卸围下砂岩的强度有所降低,而其侧向变形和相同主应力下的扩容量明显增加,尤其在卸围升轴下的扩容量最大;不同应力路径下,砂岩的变形和强度特性主要受初始轴压和初始围压的影响,而围压加载速率对砂岩力学性质的影响不明显。定围升轴下试样呈现剪切破坏,而卸围升轴和定轴卸围时试样常常呈现出张剪破坏特征。