土体损伤复合体理论的几个基本问题

土体损伤理论是描述土体结构性问题的有力武器,土体损伤复合体理论是土体损伤理论的重要分支。通过对岩土损伤复合体理论的基本问题进行深入研究,获得的主要成果有:得出了岩土损伤体的应力应变合成合理模式,不能采用简单的并联假设或串联假设;基于损伤是能量耗散的不可逆过程,提出一个新的损伤变量和损伤演化方程;提出了基于岩土损伤复合体理论的一般本构模型,及其各向同性情况下的表达式。     

岩土损伤复合体理论的应力应变合成模式研究

近年来岩土损伤本构模型取得了长足的进步,但岩土材料损伤的复合体理论的一个基本问题——复合体的两个组分的应力、应变合成模式上存在争议。从损伤力学的基础——连续介质力学的基本概念出发,对岩土损伤复合体理论应力-应变合成的合理模式进行了深入研究。得出了一般损伤情况下的岩土损伤复合体理论的应力-应变合成公式,给出了各向同性损伤情况下的简化公式,认为对于岩土损伤复合体理论不能简单的采用并联、串联假设。     

岩土损伤复合体理论的应力应变合成模式研究

近年来岩土损伤本构模型取得了长足的进步,但岩土材料损伤复合体理论的一个基本问题——复合体两个组分的应力、应变合成模式上存在争议。从损伤力学的基础——连续介质力学的基本概念出发,对岩土损伤复合体理论应力应变合成的合理模式进行了深入研究。得出了一般损伤情况下的岩土损伤复合体理论的应力应变合成公式,给出了各向同性损伤情况下的简化公式,认为对于岩土损伤复合体理论不能直接采用并联、串联或简单的混合类型复合模式。     

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。     

岩石在冲击载荷下的过应力本构模型研究

 采用分离式霍布金森压杆(SHPB)试验系统对深井软岩材料进行动态力学性能测试,测试的应力–应变曲线表现出显著的塑性变形特性。基于修正的过应力模型本构方程,根据 的变化量与应变率和应变之间的函数关系,采用量纲一化分析法对修正的过应力模型本构方程进行简化,得到简化的过应力模型本构方程;考虑动载作用下损伤对岩石动载强度的影响,将连续损伤理论和统计强度理论引入到简化的过应力模型本构方程,建立简化的损伤型过应力模型本构方程,使得本构模型方程适用于动态全程应力–应变曲线。采用简化的损伤型过应力模型本构方程对实测曲线进行曲线拟合,实测曲线和拟合曲线两者具有很好的一致性。     

软岩及混凝土材料损伤型黏弹性动态本构模型研究

 根据软岩及混凝土材料在动载下的应力–应变曲线特点,并结合损伤体与黏壶所具有的特性,建立一种适合软岩及混凝土材料的损伤型黏弹性动态本构模型方程。该模型的建立是以朱王唐模型为基础,采用损伤体代替朱王唐模型中的弹性元件对现有损伤型朱王唐模型进行改进而建立的一种损伤型黏弹性动态本构模型方程。为说明该模型方程的合理性,采用建立的本构模型方程对分离式霍普金森压杆(SHPB)实验系统下实测的应力–应变曲线进行拟和,拟和曲线和实测曲线具有很好一致性,因此,该模型可为软岩及混凝土材料的动态本构关系的进一步研究及其工程应用提供一定的参考。     

考虑拟弹性塑性变形的土体弹塑性本构模型

传统弹塑性理论下的关联流动模型用于岩土材料时,对更一般的本构关系的描述难以令人满意,这是因为土的塑性应变增量方向存在非唯一性,这在理论和试验上都已得到证明。传统弹塑性理论是基于塑性应变增量方向具有唯一性的假设之上的,因而不论采用关联流动法则还是非关联流动法则,都难以较好地解决岩土材料本构关系的建模问题,有必要去发展新的理论。同时已有的研究也表明土的塑性应变增量方向不仅取决于总应力,也与应力增量是相关的,即表现出弹性应变的特性。在广义位势理论的基础上,研究塑性应变增量的分解准则,提出了考虑拟弹性塑性变形的土体弹塑性本构模型,把传统不可恢复的塑性应变增量分解为具有弹性应变特性的拟弹性部分和纯塑性部分。拟弹性部分遵从弹性法则,并与应力增量有相同的方向,采用弹性模型表示;纯塑性部分遵从传统塑性理论的假设,方向具有唯一性,可以采用符合塑性理论的假设来建模。这样分解后建立的模型将更为合理和简便,又可以解决土的塑性应变增量方向存在非唯一性的问题。最后通过与试验结果的对比证明了其可行性,对试验结果可得到效果更好的模型。     

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。     

Q3结构性黄土的扰动状态本构模型试验研究

 Q3黄土在我国西北地区分布广泛,且Q3黄土都具有显著地结构性,深入研究Q3结构性黄土的本构关系在理论与实际工程应用中就显得尤为重要。为了更合理地描述结构性黄土的应力–应变关系,基于扰动状态理论提出Q3结构性黄土的本构模型,在本构模型中结合Q3结构性黄土和与其对应的正常固结土的受力变形关系,使用新的扰动因子,扰动因子既能反映球应力作用产生体应变对土体扰动的影响,也能反映剪应力作用产生剪应变对土体扰动的影响,分别称其为体应变扰动因子(Dv)及偏应变扰动因子(Ds),以理论和试验为基础建立扰动函数,使本构模型符合土体的实际受力过程。本构模型中各参数物理意义明确,可由等向压缩试验和三轴剪切试验求得。通过试验曲线与理论计算曲线及修正剑桥模型计算曲线的对比可知本构模型可以较合理地描述Q3结构性黄土加载扰动条件下的变形特性,具有很强的工程应用前景。     

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。     

岩土材料特性相关塑性位势理论

针对传统塑性位势理论因采用连续性、均匀性与各向同性等基本假定导致其应用于岩土材料导致的局限性,根据砂土细观物理特性可以用宏观组构张量来描述的特点,统一考虑各向同性与各向异性,把应变分配法则和材料特性联系起来,建立了岩土材料特性相关的塑性位势理论。该理论塑性应变增量的分量方向和应力分量方向相同,但是塑性应变增量的大小与3个因素相关,即塑性因子、组构各向异性程度和组构与主应力方向的几何关系。建立的位势理论不但可以描述岩土材料在主应力轴固定条件下应变增量的各向异性分配关系,而且可以描述主应力旋转条件下应变增量的大小和方向变化规律。采用能量转换关系证明了塑性应变增量的大小的变化规律,与现有的非共轴塑性理论相比,建立的位势理论应用范围更广、物理意义更清晰。     

Strength-increase mechanism and microstructural characteristics of a biotreated geomaterial

Microbially induced calcite precipitation (MICP) is a recently proposed method that is environmentally friendly and has considerable potential applications in artificial biotreated geomaterials. New artificial biotreated geomaterials are produced based on the MICP technology for different parent soils. The purpose of this study is to explore the strength-increase mechanism and microstructural characteristics of the biotreated geomaterial through a series of experiments. The results show that longer mineralization time results in higher-strength biotreated geomaterial. The strength growth rate rapidly increases in the beginning and remains stable afterwards. The calcium ion content significantly increases with the extended mineralization time. When standard sand was used as a parent soil, the calcium ion content increased to a factor of 39 after 7 days. The bacterial cells with attached calcium ions serve as the nucleus of crystallization and fill the pore space. When fine sand was used as a parent soil, the calcium ion content increased to only a factor of 7 after 7 days of mineralization. The nucleus of crystallization could not normally grow because of the limited pore space. The porosity and variation in porosity are clearly affected by the parent soil. Therefore, the strength of the biotreated geomaterial is affected by the parent soil properties, mineralization time, and granular material pore space. This paper provides a basis for theory and experiments for biotreated geomaterials in future engineering practice.     

Rayleigh wave propagation in intact and damaged geomaterials

An analytical model of an elastically deforming geomaterial with microstructure and damage is assumed to be a material where the second spatial gradients of strain are included in the constitutive equations. Based on this assumption, a linear second gradient (or grade-2) elasticity theory is employed, to investigate the propagation of surface waves in either intact or weathered—–although homogeneous and isotropic at the macroscale—materials with microstructure such as soils, rocks and rock-like materials. First, it is illustrated that in contrast to classical (grade-1) elasticity theory, the proposed higher-order elasticity theory yields dispersive Rayleigh waves, as it is also predicted by the atomic theory of lattices (discrete particle theory), as well as by viscoleasticity theory. Most importantly, it is demonstrated that the theory: (a) is in agreement with in situ non-destructive measurements pertaining to velocity dispersion of Rayleigh waves in monumental stones, and (b) it may be used for back analysis of the test data for the quantitative characterization of degree of surface cohesion or damage of Pendelikon marble of the Parthenon monument of Athens.     

An elastic stress–displacement solution for a lined tunnel at great depth

By using the complex potential theory proposed by Muskhelishvili, an elastic plane strain solution for stresses and displacements around a lined tunnel under in situ stresses is presented. The tunnel is assumed to be driven in a homogeneous and isotropic geomaterial, and the tunnel construction sequence is properly taken into consideration. Numerical analyses indicate that, in order to simultaneously meet the needs of structural strength and rigidity, the relative rigidity and thickness of liner should be in an appropriate range. Either too high or low values for these parameters are unfavorable for the structural stability. The variations of stresses in the geomaterial intensively rely on the relative rigidity and thickness of liner when the ratio between the distance of the point under investigation to the tunnel axis and the outer radius of the liner is in the range from 1 to 2. In addition, the present solutions contain previously known results as the special cases.     

岩土破损力学—— 结构类型与荷载分担

岩土破损力学是不同于岩土断裂力学和岩土损伤力学的新理论。介绍了岩土破损力学中分宏观、细观和微观3个层次的研究方法，把结构性岩土材料划分为碎裂结构、散块结构、包络结构和浮悬结构4种类型，并讨论了分别确定结构体和结构面分担荷载的基本原则。     

横观各向同性地基空间问题的位移函数解法

从横观各向同性弹性体空间问题的基本方程出发,通过引入各向同性弹性体力学伽辽金(Galerkin)位移势函数的修正,采用位移函数解法,借助Hankel积分变换和Bessel函数理论,在象域内严格导出了横观各向同性地基空间问题的一般解。运用Hankel积分反演变换,针对横观各向同性地基材料特征根相等或不相等的两种情形,分别导出了横观各向同性地基空间问题的应力分量和位移分量的解析表达式,可用于多种边界条件下具体问题的求解。     

净剪应变比能强度理论研究

将剪破面及潜在剪破面上的剪应力与摩擦力之差定义为净剪应力,由净剪应力产生的剪应变能定义为净剪应变能。基于剪切破坏假设,针对岩土类材料提出净剪应变比能强度理论,该理论认为当净剪应变比能达到一定值时材料破坏。净剪应变比能理论在π平面上的破坏曲线为光滑的曲边三角形,这个特性有利于将其推广用作屈服准则,以构建弹塑性本构模型。根据文献中提供的混凝土真三轴试验资料,对净剪应变比能理论进行初步检验,并与双剪强度理论和Mohr-Coulomb强度理论进行比较。结果表明,净剪应变比能理论的误差相对较小。此外,当单轴抗压强度与单轴抗拉强度相等时,净剪应变比能理论退化为Mises强度理论。     

岩土材料细观结构定量化表述方法研究——以土石混合体为例

自然界中的岩土体在细观层次上呈现明显的结构性特征,这种结构性一方面反映了其成因机制,另一方面也影响着其自身工程地质力学性质及在外荷载作用下的变形破坏特征。对岩土体细观结构定量化描述方法进行系统地论述,并以土石混合体为例对其细观结构特征进行系统研究,发现其细观结构在统计层次上具有很好的自组织特征。在此基础上,提出土石混合体细观结构定量指标体系,这对于深化土石混合体理论体系的研究具有指导的意义。