砂土的剪胀方程及其塑性势(Ⅱ):新的拓展

以能量守恒原理为主线,在现有简化版砂土剪胀方程(比如Cam-clay、修正Cam-clay和Rowe等的剪胀方程)的基础上,通过对各向同性砂土引入状态参数、对横观各向同性砂土同时引入状态参数和各向异性状态参数,逐步展开较为复杂的砂土剪胀方程的综述.最后指出了初始组构张量及其在后期受荷变形过程中该组构张量的逐步演化对砂土剪胀方程的影响是今后研究的方向.     

基于大三轴试验的粗粒土应力剪胀方程

摘要：采用大三轴剪切仪对三种不同相对密度的双江口心墙坝覆盖层料,进行了各向等压固结条件下的排水剪切试验。基于试验成果,提出了一个适用于粗粒土的经验型应力剪胀方程,并通过分析剪胀方程参数与围压之间的关系,给出了剪胀方程参数的确定方法。采用本文剪胀方程和Rowe剪胀方程分别对多种粗粒土三轴试验结果进行了预测,结果初步表明,和Rowe剪胀方程相比,本文剪胀方程能更好地模拟粗粒土的剪胀性。     

一种与材料状态相关的砂土剪胀性理论模型

结合密砂和中密砂的相变点的概念,提出了以相变状态为参考状态的状态参量表达式,并将此状态参数引入剪胀比的计算公式.在修正剑桥模型的基础上,提出了新的塑性势函数和硬化参数表达式以消除应力路径的影响.在增量塑性理论的基础上,建立了一种适合于密砂和中密砂的与材料状态相关的剪胀性理论模型.     

剪胀角对土坡应力应变规律的影响

为了更好地反映剪胀性对土体塑性应变、塑性区范围的影响规律,从剪胀角的变化入手,考查剪胀角对边坡位移(水平和竖直方向)、边坡塑性应变、塑性区范围等的影响.当剪胀角从0°到28°范围变化时.分析了一均质边坡的应力变形规律.计算结果表明,对于均质土坡,剪胀角对沉降和水平位移影响不大,对塑性应变和塑性区范围有明显的影响;相对而言,坡顶和坡脚的水平位移、塑性应变对剪胀角的变化较为敏感.     

武汉原状粉质黏土与其重塑土的试验对比研究(Ⅱ):剪胀特性分析

以武汉沙湖粉质黏土为研究对象,在不同的加荷路径和固结排水条件下,对原状土和重塑土沿3种三轴试验加荷路径的剪胀关系进行了系统整理,结果表明:1)相对于重塑土体,原状土在剪缩区(d≥0)表现出更大的剪缩量.2)而在剪胀区(d<0),相对复杂些,若原状土与重塑土均处于OCR≤2.0的弱超固结状态,原状土和重塑土表现出大致相同的剪胀量;若原状土处于较大的超固结OCR>2.0状态,而重塑土处于OCR≤2.0的弱超固结状态,则原状土样表现出的剪胀量明显大于重塑土样的剪胀量;3)结合试验资料,对Cam-Clay、修正的Cam-Clay、Nova Cam-Clay和Rowe等剪胀方程进行了检测.     

超固结土的蛋形弹塑性本构模型

为了描述超固结软土在不同应力条件下的强度变形特征,以蛋形函数为基本框架,建立并发展适用于超固结土体的弹塑性本构模型. 通过对一系列超固结土应力路径三轴压缩试验结果的分析,探讨土体在超固结状态下塑性应变的发展规律(剪胀/剪缩). 在先前提出的旋转塑性势面流动法则基础上对其进行发展与改进,引入峰值应力比,构建剪胀状态下归一化塑性势面旋转角与应力状态参数之间的近似线性关系,以满足超固结土的塑性变形特性. 结合基于等效硬化参量的广义塑性功硬化原理构建超固结软土的蛋形弹塑性本构模型. 将三轴压缩试验数据与数值预测结果进行对比以验证模型有效性,结果表明该模型可以有效反映超固结软土在不同加载条件下的应力应变特性,比如软化与剪胀.     

应变软化及剪胀性土体中考虑大应变的孔扩张问题解析

采用应力跌落模型模拟土体的应变软化,以Mohr-couloub屈服准则和不相关联的流动法则考虑土体屈服塑性流动和剪胀特性,引进对数应变考虑土体的大变形,给出了应变软化及剪胀性土体中考虑大应变的孔扩张问题的弹塑性解析解,为了对比,还给出了小应变情况下位移的解析表达式.分析了大、小应变理论、不同剪胀特性、不同软化程度和考虑塑性区弹性变形与否对结果的影响.结果表明:在孔扩张压力较大时,用小应变理论会引起很大误差,必须考虑大应变;在相同扩张力作用下,土体的软化程度越高,扩张率越大,土体的剪胀角越大则扩张率越小.土体的软化和剪胀特性还影响极限扩张压力,软化越严重,极限扩张压力越小;剪胀角越大,极限扩张压力越大.     

应力剪胀对浅埋隧道稳定性系数的影响

考虑剪胀对隧道围岩稳定性的影响,对浅埋圆形盾构隧道、浅埋两车道公路隧道和浅埋双线铁路隧道在围岩发生塑性流动时进行力学特征分析。分析圆形盾构隧道围岩的位移,塑性区分布和最大剪切应变率;计算圆形断面、双线铁路隧道、双车道公路隧道等3种不同断面形状隧道的稳定性系数,分析剪胀角对围岩稳定性系数的影响。研究结果表明：剪胀角对围岩位移的影响存在一个临界值;在围岩发生塑性流动时,塑性区随着剪胀角的增大而逐渐增加;剪胀角对围岩剪切破坏带和围岩稳定性系数都有较大影响;随着剪胀角的变化,隧道临界稳定系数也发生变化。     

土体双屈服面模型的塑性功方程

根据双屈服面模型的概念,塑性应变增量可以看成是2个分部塑性应变增量的合成.作者通过研究,指出塑性功也可以看成是有效应力分别在2个分部塑性应变增量上进行的塑性功分量的合成;使用热力学方法,将每个塑性功分量都转化为自由能增量和耗散能2个部分,因此双屈服面模型的塑性功方程由4个能量分量组成,通过合理确定或假定用分部塑性应变增量表示的塑性功方程就可以得到双屈服面模型的屈服面方程.以改进的椭圆-抛物双屈服面模型为例,认为塑性功方程由体积硬化引起的自由能增量和耗散能以及剪切硬化引起的自由能增量和耗散能4个能量分量组成,从2个屈服面方程推导了用分部塑性应变增量表示的塑性功方程,对塑性功方程反映的能量转化关系进行了分析,将自由能释放解释为剪胀时的能量来源,并从该塑性功方程推导出双屈服面模型的2个屈服面方程.     

基于SMP准则改进Lade-Duncan模型

为了解决Lade-Duncan模型的塑性势面由试验结果拟合所得理论上不够严密的问题,采用SMP准则的屈服函数构建塑性势函数,建立一个砂土弹塑性本构模型（SMP-Lade模型）.该模型可以反映砂土应力-应变关系的非线性、应力路径的相关性以及剪胀特性,且塑性势面考虑了3个应力张量不变量的影响.密砂和松砂真三轴试验结果表明：在中主应力参数b=0的条件下,SMP-Lade和Lade-Duncan模型的预测结果与试验结果基本一致;当0相似文献   

线性软化土体中球孔扩张问题的解析解

采用三折线线性软化模型描述了土体应力－应变关系，以Mohr-Coulomb为屈服准则，同时考虑塑性区弹性变形、土体剪胀以及土体软化的特性，推导了孔扩张后孔周各个区域的应力、应变及位移解析解，讨论了剪胀角、应变软化系数、是否考虑塑性区弹性变形对解答结果的影响.结果表明，最终扩张压力、塑性区半径都随剪胀角的增大而增大；软化系数对塑性区半径影响很小，但对最终扩张压力影响较大，随着软化系数的增大，最终扩张压力增大；考虑塑性区弹性变形对扩张问题解答的影响随扩张半径的增大越趋明显；考虑塑性区的弹性变形，最终扩孔压力偏小.     

砂土弹塑性-损伤本构关系的数值建模

认为岩土介质变形中出现的剪胀现象实质上是一个损伤过程.通过中密砂的三轴压缩试验,发现其在剪胀后,弹性模量和剪切模量大幅度下降,这进一步证实了剪胀的确是个损伤演化过程.引进了一个损伤变量描述这个过程,结果表明,损伤程度相对塑性体积应变的变化速率与初始固结压力相关,且随压力增大而减小.同时利用数值建模方法建立了砂土的弹塑性-损伤模型,考虑了弹塑性变形与损伤的耦合效应,获得了相应的应力应变关系及它的三维曲面.     

超塑胀形动态过程的新的流变方程

本文将变m值超塑性本构方程用于由连续介质塑性力学理论所得的应力、应变速率表达式所给出的新的超塑胀形流变方程,在直至破裂的整个自由胀形过程均与实验结果符合。因此可把该方程定为超塑胀形动态过程的流变方程,由其所得的应力、应变速率表达式能有效地描述在胀形过程中应力、应变速率的变化规律。同时表明塑性力学的增量理论可以用于超塑性,等效应力和等效应变速率的关系满足超塑性本构方程,以及在胀形过程的任一瞬间把试样厚度中面看作球面的一部分是可行的。     

剪胀性对混凝土损伤破坏影响的数值模拟

为了调查剪胀性对不同应力状态下的混凝土破坏和应变分布的影响,基于ABAQUS有限元软件中混凝土损伤塑性模型模拟分析混凝土材料和构件在不同应力状态下的破坏和损伤演化过程,并与模型试验结果进行了对比分析。结果表明,在不同应力状态下,混凝土损伤塑性模型均可以较好地反映混凝土材料及构件的损伤和损伤演化。在此基础上,重点探讨了剪胀角对损伤分布和计算收敛性的影响。结果表明,在单轴应力状态和复杂应力状态下,剪胀角参数的取值越小,损伤分布范围越大,计算收敛性越差,计算成本越高。最后提出在工程计算中剪胀角的取值方法。     

颗粒破碎对砂土剪胀特性和强度特性影响的试验研究

为了研究颗粒破碎对砂土剪胀特性和强度特性影响,利用三轴试验系统对不同围压作用下的钙质砂和石英砂进行了一系列的三轴试验,对比研究了石英砂和钙质砂的剪胀特性和强度特性。结果表明：钙质砂的破碎率随着围压增大而增大,两种砂土的应力-应变曲线都表现出应变软化现象。钙质砂和石英砂均表现为先剪缩、后剪胀,且钙质砂的剪胀性强于石英砂。钙质砂和石英砂的峰值摩擦角和剪胀角随着围压的增大而减小。相同围压下,钙质砂的峰值摩擦角大于石英砂。钙质砂的临界摩擦角大于石英砂,二者不随围压变化而变化。构建了考虑颗粒破碎影响的剪胀方程,能够较好地描述钙质砂在应变硬化阶段的剪胀特性。     

超塑性自由胀形的解析理论

本文从连续介质塑性力学的基本理论出发,并结合粘塑性本构方程,首次建立了薄板自由胀形的力学解析理论:首先得到质点位移的微分方程,进而得到质点位移随几何坐标和胀形高度(或时间)变化的解析表达式,并由此给出了自由胀形的力学解析。同时从定量解析出发,给出胀形轮廓与质点运动轨迹的几何关系。通过对实验结果和理论解析的比较,证明应用粘塑性本构方程所得的解析结论在半球胀形范围内与实验结果能很好地吻合。     

非饱和多孔岩石的热力学本构理论

为了在本构模型中同时考虑岩石材料和多孔岩石的非线性和不可逆变形,提出非饱和多孔岩石工程力学理论.应用体积分数概念和混合物理论,凭借均匀化响应原理,获得由孔隙应变张量、饱和度和各组分材料体应变5个状态变量表示的能量平衡方程.利用自由能确定的5个弹性方程,加上体积分数之和等于1这个方程组成6个本构方程.根据这些方程可以求解非饱和岩石本构模型的全部6个未知变量(3个位移矢量和3个体积分数).根据不可逆热力学理论,基于熵产公式提出用内变量表示的耗散率势函数,获得能够反映黏性和塑性不可逆变形特性的耗散本构方程.结果表明,自由能和耗散率2个势函数分别反映了岩石弹性和非弹性变形规律,共同构成了非饱和多孔岩石的热力学本构理论框架.     

基于复合屈服准则的混凝土塑性损伤模型

引入拉伸损伤变量和剪切损伤变量来共同描述损伤对混凝土宏观力学性能的劣化,采用带拉断的MohrCoulomb准则作为塑性损伤模型的屈服准则以及非关联的Drucker-Parager塑性势函数,在热力学和连续损伤理论的框架内建立损伤准则和损伤演化方程,提出了一种改进的混凝土塑性损伤模型,并采用基于完全隐式的向后Euler积...     

考虑非饱和土吸力效应的圆柱孔扩张有效应力解析

为探究吸力效应对圆柱孔周围土体应力应变的影响,推导了非饱和土中的圆柱孔扩张有效应力析解。在弹性区和塑性区分别采用Hooke定律和修正剑桥模型,将非饱和吸力作为硬化参数,建立圆柱孔周围土体的应力应变控制方程。通过引入辅助变量,将欧拉坐标系下的平衡微分方程转至拉格朗日坐标系,非饱和圆柱孔扩张问题则转换为以弹塑性边界为边值条件求解一阶常微分方程组的问题。以弹塑性边界上的应力和初始比体积作为初值,对非饱和土中圆柱孔扩张问题进行分析。结果表明,受扩孔压力作用,圆柱孔周围土体将从弹性状态进入塑性屈服状态,而土体初始吸力的变化对塑性区应力状态影响显著。随着初始吸力的增加,圆柱孔周围相同位置处的土体各应力分量增大,极限扩孔压力也随之增大。对于初始孔隙比较大的疏松土体,吸力增大使得圆孔周围塑性区范围缩小;塑性区土体比体积沿径向呈单调减小,吸力越大,比体积减小越明显。对于初始孔隙比较小的密实土体,吸力变化对塑性区范围大小影响不明显;塑性区内土体比体积沿径向先增大后减小。这是因为在弹塑性边界附近处出现了剪胀现象,且吸力越大,剪胀现象越明显。最后通过与原位旁压试验和已有数值模拟结果对比,对本文方法的可靠性进行了验证。     

适用于海洋土的弹塑性本构模型

高围压和高孔隙水压会对海洋土的力学性质产生影响,一方面会在土颗粒之间形成黏结应力,另一方面会使土的剪胀行为逐渐过渡为剪缩行为.基于修正剑桥模型理论,引入修正参数α,改进修正剑桥模型剪胀方程,使它能够反映砂土的剪胀特性和剪切强度随有效围压增大而增大的特点.同时修改原修正剑桥模型的屈服面,考虑黏结应力pb的影响,从而建立能够反映海洋土力学性质的弹塑性本构模型.最后将改进后的模型理论值与已发布文献中试验值对比,发现二者具有较好的一致性,表明了该模型的合理性.