平面应变加–卸载试验中砂土的黏性特征及本构模型化

 通过丰浦砂的平面应变循环加载试验,分析砂土在加–卸载条件下相应的黏性特征。试验比较不同加载应变速率下2组砂土的应力–应变响应,进行蠕变加载,着重研究卸载过程中砂土的黏性特征。试验表明砂土的黏性特征与加载速率以及应力水平密切相关,且加载速率变化所引起的砂土黏性会随着加载的继续和应变的增大而逐渐衰减。卸载开始后,砂土垂直应变并未立即降低,而在一段时间范围内仍旧保持增大趋势。卸载过程中的蠕变试验还表明砂土具有“蠕变恢复”的特性。针对砂土的以上黏性特征,基于三要素模型的基本框架,提出瞬时黏性效应(TESRA)模型用以模拟加载和卸载阶段砂土黏性特征。根据试验所得到的砂土应力–应变关系,对第一次加载循环(初始加载–卸载)的砂土应力–应变响应和时程响应进行模拟,并证明瞬时黏性效应(TESRA)模型能够比较精确地模拟砂土在加–卸载循环中的黏性特征。     

考虑城市固体废弃物（MSW）生化降解的力–气耦合一维沉降模型及计算

为模拟城市固体废弃物（MSW）考虑生化降解的力–气耦合沉降过程,从MSW的生化降解规律、力–气耦合相互作用两个方面分别进行研究。通过对MSW生化降解试验的分析,提出描述MSW生化降解规律新的公式,力–气耦合相互作用模型中结合了Darcy定律、Fick定律、理想气体状态方程、多孔介质流体运移理论、有效应力原理,通过非饱和土气相本构模型对时间的偏导将耦合作用表达和气体运移联系起来,MSW的应力–应变关系采用了考虑蠕变作用的Gibson和Lo流变模型。该模型结合降解沉降得到的解答能够反映孔隙气压力和总沉降的变化规律。模型验证结果表明,模型计算结果和试验结果能比较好的吻合,由于降解作用,孔压值在初始阶段会迅速上升,达到最大值后又逐渐下降,对于9.5 kPa恒载作用下的填埋体,最终应变可以达到16.7%。     

城市固体废弃物的复合指数应力–应变模型及其应用

在大三轴固结排水剪试验研究的基础上,提出了城市固体废弃物(MSW)的复合指数应力–应变模型。该模型参数少且有明确的物理意义,既可反映MSW在小应变情况下的非线性变形特性,也可反映其在大应变情况下的明显应变硬化特性。采用有限差分程序FLAC内置的Fish语言将复合指数应力–应变模型耦合入FLAC程序,并通过三轴压缩试验数值模拟得到了验证。最后利用该模型分析了某填埋场在竖向扩建堆体荷载作用下的应力压缩沉降、侧向变形以及新老填埋场交界面处中间衬垫系统的应变。结果表明:复合指数模型的计算结果总体上位于莫尔–库仑模型和邓肯–张模型之间;中间衬垫系统的拉伸应变可能导致压实黏土层发生破坏。     

岩石三轴压缩任意围压下应力–应变曲线的预测方法研究

岩石三轴压缩试验中通常只做有限种围压情况下的压缩试验,得到的应力–应变曲线只是岩石在具体围压下本构关系的表现,限制了通过拟合应力–应变曲线得到岩石本构的实用性。认为不同围压下的应力–应变曲线虽然形状差别较大,但都是同种岩石所表现出来的特性,曲线间蕴含着一定联系。对此进行了研究,并提出一套基于有限种围压情况下的应力–应变曲线预测任意围压下应力–应变曲线的方法。通过实例,说明所提方法的可行性。     

考虑初始各向异性的砂土弹塑性本构模型及试验验证

基于复杂应力条件下的试验结果,就针对不同主应力方向对应力–应变关系的影响进行了试验研究,并在此基础上结合状态概念提出了基于应力–剪胀关系和应力–应变拟双曲线关系的弹塑性本构模型。利用应力–应变拟双曲线关系描述了主应力方向对有效应力路径、应力–应变发展模式的影响,并通过常规三轴试验测定了试验参数,同时与试验结果进行对比,说明基于状态概念,引入状态参数,利用主应力方向对塑性模量的影响,能够同时描述初始物理状态及初始各向异性对砂土应力–应变关系的影响。     

等应力比路径下堆石料双屈服面弹塑性模型研究

 已有研究及实测资料表明,土石坝内堆石料在填筑期应力路径接近等应力比关系,且这种关系并不因材料混杂、施工分期复杂而发生本质性改变。应力路径较大程度上影响了堆石料的受力变形特性,以往按室内常规三轴试验路径建立的本构模型及标定的参数直接推广至实际坝体路径的计算可能存在较大的误差。通过分析糯扎渡、水布垭及三板溪等堆石料等应力比三轴试验应力–应变曲线特点,认为体积应力–体积应变( )及偏应力与广义剪应变( )曲线具有幂函数规律。以常规南水双屈服面模型(沈珠江模型)为基础,将等应力比应力–应变规律引入模型中,在p-q平面内推导适合等应力比应力路径的双屈服面弹塑性模型,通过对试样在等应力比三轴试验中塑性应变增量方向的分析,探讨适合等应力比路径变形特性的 屈服面的合理形态。以糯扎渡水电站主堆料等应力比三轴试验为例确定模型参数标定方法,且对模型适应性进行初步分析。     

渗透压–应力耦合作用下砂岩渗透率与变形关联性三轴试验研究

 为了探讨渗透压–应力耦合作用下岩石渗透率与变形的关联性,采用岩石伺服三轴试验系统,在不同围压和渗透压条件下,利用稳态法对砂岩全应力–应变过程进行渗透率试验研究。根据试样渗透率变化与其破坏过程的对应关系,分析全应力–应变过程中试样渗透率随其脆性、延性变化的特点及渗透率–轴向应变和渗透率–体积应变之间的关联性。试验结果表明：(1) 在渗透压–应力耦合作用下,试样初始渗透率、峰值强度随着围压与渗透压的改变而改变。(2) 在渗流场–应力场耦合作用下连续加载的全应力–应变过程中,渗透率先随着轴向应变的增大而逐渐减小,进入弹塑性阶段后,渗透率变化曲线随围压变化呈现增大、持平及减小3个不同趋势。其中,渗透率曲线持平的现象为三轴渗透试验研究中的新现象。(3) 围压较高时,若形成局部压缩带,则试样进入弹塑性阶段后,渗透率的变化趋势是由岩石微裂隙的萌生、扩展与岩石骨架颗粒压碎这2个主要因素共同决定的。(4) 岩石微裂隙的萌生、扩展对渗透率增大起积极作用,岩石骨架颗粒压碎形成的压缩带对渗透率增大起抑制作用。(5) 岩石进入塑性阶段后,随围压增大,渗透率由上升趋势转变为下降趋势的现象先于脆–延转换的临界状态发生。(6) 岩石的体积应变对渗透率有一定影响,在脆–延转换阶段存在体积应变增大而渗透率减小的现象,这需要其他能够更精确地测量体积应变变化的试验进一步验证。     

砂土的双硬化特性与弹塑性本构模型

 基于高精度的丰浦砂三轴等向加卸载试验与多应力路径平面应变压缩试验结果,提出平面应变条件下的修正塑性功体积硬化函数,得到双硬化框架下的修正塑性功剪切硬化函数,建立应力路径不相关的丰浦砂修正塑性功剪切–体积双硬化函数。在该双硬化函数基础上,推导基于修正塑性功的增量型剪切–体积双硬化弹塑性刚度矩阵,构建可以考虑多种变形强度影响因素的丰浦砂本构模型。数值计算与室内试验结果的比较表明,该砂土双硬化弹塑性本构模型可以合理地模拟砂土材料的变形强度特性。     

轴向应力循环加卸载作用下含瓦斯煤渗透性研究

 针对构造煤渗透率对轴向应力循环加卸载的响应特征,利用自行研制的含瓦斯煤热–流–固耦合三轴渗流试验装置,进行试验研究,并结合试验结果进行渗透率动态模型分析,结果表明：含瓦斯构造煤的渗透率与应变的关系呈斜“V”字型走势,峰值强度后,煤样渗透率增加趋势明显,且增速大于初始压缩阶段渗透率的降速;煤样渗透率与轴向应力在加卸载过程中符合负指数函数分布,渗透率在加载过程中减小,卸载过程中有所恢复,渗透率与有效应力未形成封闭曲线,循环加卸载使煤样中孔隙进一步压缩,渗透率损失量增大,同时渗透率对于有效应力的敏感度降低;通过引入加载过程渗透率敏感性损失因子及卸载过程中渗透率损耗因子,建立循环加卸载过程中渗透率与有效应力的动态演化模型,试验数据与理论计算数据对比验证了模型的适用性。     

基于椭圆–抛物双屈服面模型的砂–聚苯乙烯颗粒轻质填料应力应变分析

砂–聚苯乙烯颗粒轻质填料由工程细砂和聚苯乙烯颗粒按一定比例混合形成,有利于节省胶凝材料、降低土工填料附加应力和减小地基沉降,探讨该材料的应力应变关系对指导其工程实践变得尤为重要。基于椭圆–抛物双屈服面模型,推导了考虑轻质填料配比和围压特征的应力应变增量形式方程,结合轻质填料三轴固结排水剪切试验中的应力应变特性,分析了所推导的应力应变增量形式方程的合理性。研究发现,基于椭圆–抛物双屈服面模型的考虑轻质填料配比和围压特征的应力应变增量形式方程能较好地拟合材料偏应力–轴向应变–体变规律,能较好地反映材料的弹塑性、剪胀性和剪缩性,并结合轻质填土的变形机理给予相应解释。     

基于统一硬化参数的旋转硬化模型

为反映应力诱导各向异性特性,在统一硬化模型以及超固结土模型的基础上,结合屈服面的旋转硬化机制,将以往只反映等向硬化机制的模型推广为混合硬化模型。分别对黏土的排水应力路径以及砂土的不排水应力路径的应力-应变关系进行预测。结果表明:所提模型不仅能较好地描述黏土材料在循环加载条件下的应力-应变关系;同时,对于不同初始条件下的饱和砂土在循环加载条件下的应力-应变关系也能作出合理预测,验证了所提模型的合理性。     

聚苯乙烯轻质混合土应力-应变特性分析

根据聚苯乙烯轻质混合土单轴应力-应变曲线和三轴应力-应变曲线的形态 ,得出水泥掺入比、密度、含水率、龄期等对聚苯乙烯轻质混合土变形特性有不同程度的影响 ;在围压作用下 ,曲线类型为应变硬化型 ,围压不同 ,主应力差大小不同。基于试验结果 ,得出聚苯乙烯轻质混合土单轴应力应变关系符合双曲线模型 ,三轴应力应变关系符合弹性 -线性强化模型 ,并对应力应变曲线进行拟合。     

塑弹塑性岩石的非线性损伤模型研究

通过分析岩石常规三轴试验应力应变曲线,发现某类岩石在峰前具有明显的压密阶段,表明该类岩石具有塑弹塑性材料的特征。基于塑弹塑性材料非线性应力应变曲线,引入非线性指标,并考虑损伤门槛值,应用统计损伤理论,提出具有塑弹塑性特征的岩石非线性损伤模型。该模型不仅能反映岩石应变硬化软化特性,而且能够刻画压密区的特性,更为准确地表征了该类岩石应力应变的非线性关系。采用辉绿岩试验数据对本文模型进行验证,结果表明,试验曲线与理论曲线吻合较好,从而验证了模型的合理性和适用性。采用峰前具有明显线弹性变形特征的岩石常规三轴试验数据进一步分析,结果显示,模型通过峰后引入非线性指标同样可以反映岩石应变软化特性。     

统一硬化超固结土模型试验验证

统一硬化超固结土模型(UH模型)能够反映超固结土的硬化、软化、临界状态、剪缩和剪胀等应力-应变特性以及应力路径对它的影响。通过对北京奥林匹克森林公园的原状土在相同的前期固结压力条件下做不同超固结度等围压三轴固结排水试验以及对模型的预测结果与试验数据的比较,说明了统一硬化超固结土模型的合理性。     

考虑应变时效影响的Q460C高强钢力学性能试验研究

为深入研究应变时效对Q460C高强钢基本力学性能影响,建立考虑应变时效影响Q460C高强钢应力-应变本构关系曲线,对经应变时效影响的Q460C高强钢进行了试验研究,分析了Q460C高强钢经应变时效后基本力学性能指标,采用修正Ramberg-Osgood模型对试验结果进行拟合。结果表明:Q460C钢经预应变后具有显著的应变硬化现象,屈服强度得到大幅提高,极限应变和断裂应变显著降低,屈强比接近1.0,结构发生脆性断裂的可能性增加; Q460C钢经时效后产生时效硬化现象,试件在各时效之间应力-应变曲线差别较小,经时效硬化后钢材的硬化程度低于应变硬化; 采用修正的Ramberg-Osgood模型能够较为准确地拟合经预应变及时效影响后高强钢的应力-应变曲线,拟合结果与试验结果具有较好的一致性; 研究内容可为相关工程应用和理论分析提供参考。     

MBT垃圾的三轴试验结果

采集杭州天子岭垃圾填埋场的MBT垃圾,在环境土工实验室进行了成分分析、试样制备、三轴快剪、固结快剪和慢剪试验,对MBT垃圾的剪切强度特性进行了系统地研究。结果表明:①MBT垃圾的组分主要以塑料、纺织物、玻璃、灰土和无法识别的材料为主。②随着轴向应变的增大,偏应力逐渐增大,轴向应变超过30%后仍没达到峰值,是一条应变硬化曲线。③得到了三轴快剪、固结快剪和慢剪试验条件下抗剪强度参数(黏聚力和内摩擦角)的取值范围。④MBT垃圾的抗剪强度参数与轴向应变的关系可拟合为直线关系,建立了抗剪强度参数与轴向应变的线性关系表达式。⑤MBT垃圾的应力–应变关系符合邓肯–张模型,得到了模型参数a,b的取值范围,建立了模型参数a,b与围压的幂函数关系表达式。研究结果可为MBT垃圾填埋场的稳定性分析提供理论基础。     

基于统一硬化模型的路堤变形分析

软土具有压缩性大、渗透性低和固结变形时间长等特点,往往还有一定的超固结特性,这些特性给地基沉降的预估和计算增加了难度。统一硬化模型（UH模型）能够描述超固结土的硬化、软化、剪缩和剪胀等应力-应变特性以及应力路径对它的影响,其参数与剑桥模型相同。通过应用该模型,对三轴试验进行有限元分析,并对有限元分析结果与单元预测的结果...     

考虑钢筋与混凝土相对滑移的修正钢筋本构模型

为了研究钢筋滑移对钢筋混凝土柱抗震性能的影响,在材料层次上建立了考虑钢筋与混凝土相对滑移的修正钢筋本构模型。采用等效三段阶梯函数描述黏结应力沿黏结长度的非线性分布规律,结合钢筋双线性应力-应变关系,推导了锚固钢筋滑移和平均滑移应变的理论计算式。锚固钢筋的总应变定义为理想黏结的钢筋应变与平均滑移应变之和。分别通过屈服和极限应力对应的钢筋总应变修正弹性模量和硬化模量,进而得到间接考虑钢筋滑移的简化分段线性应力-应变关系。非锚固钢筋的滑移采用降低屈服应力和屈服应变的方法加以考虑。对于钢筋的滞回规则,采用Sakayi等修正的Menegotto-Pinto模型。将本构模型通过子程序嵌入ABAQUS软件中,基于纤维梁单元,对往复荷载作用下钢筋混凝土柱的非线性响应进行了数值模拟,并与试验结果对比,验证了该模型的有效性。结果表明,所建议的钢筋本构模型,数学表达形式简单且计算效率高,能够模拟地震作用下钢筋混凝土柱的承载力和变形特性,达到满足工程需要的精度。     

黄土非线性应力–应变新模型及对比研究

目前,黄土的应力应变曲线只能根据其形态类型选择不同的数学模式来描述,为实现描述应力应变数学模式的统一,提出了一种新的非线性模型,并给出了各参数的确定方法。通过应用新模型与现行主要的非线性模型(邓肯–张双曲线模型、指数模型、驼峰曲线模型),同时对结构性黄土常规三轴试验所得的各种类型的应力应变曲线进行模拟,并经与实测应力应变数据点对比研究表明:新模型表达式比驼峰曲线描述软化型应力应变曲线的精度高;同样新模型比邓肯–张双曲线模型、指数模型描述硬化型应力应变曲线的精度也高,说明此非线性新模型既可描述应变强硬化型也可描述应变弱硬化型应力应变曲线;既可描述应变强软化型也可描述应变弱软化型应力应变曲线。通过新模型对经典实例应力应变曲线的描述,进一步说明新模型具有良好的适应性。新模型为形态各异的应力应变曲线提供了一个统一的数学模型。     

Stress-Strain Relationships and Nonlinear Mohr Strength Criteria of Frozen Sandy Clay

A series of triaxial compressive tests were performed on frozen sandy clay at -4 and -6°C under confining pressures from 0 to 18 MPa. The experimental results indicate that the stress-strain curves show strain softening and hardening phenomena when the confining pressures are below and above 3.0 MPa, respectively. Since the generally hyperbolic model can not describe the strain hardening behavior very well and the Duncan-Chang model can not ideally describe the strain softening behavior of the frozen sandy clay, an improved Duncan-Chang model is proposed. This model can describe not only the strain softening behavior but also the strain hardening behavior of the frozen sandy clay, and the calculated results are rather coincident with the corresponding experimental data. In addition, it is also suitable for frozen silty clay with a high precision. Due to pressure melting, the shear strength of the frozen sandy clay changes nonlinearly with increasing confining pressures. In order to solve the problem that the linear Mohr-Coulomb criteria can not exactly reflect the shear strength of the frozen sandy clay, a nonlinear Mohr criteria of the frozen sandy clay is presented. The calculated results illustrate that it has higher precision and can describe the shear strength of frozen sandy soils more accurately than the linear Mohr-Coulomb criteria does.