考虑剪胀与软化的接触面弹塑性模型

采用大型单剪仪进行粗粒料与混凝土接触面在混合土泥皮(膨润土中掺入水泥)条件下的剪切试验,揭示混合土泥皮条件下接触面的力学特性与机制。试验结果表明,存在混合土泥皮时,接触面表现出明显的剪胀及应力-应变软化现象。峰值强度以及发生剪胀所对应的剪应变与法向应力大小有关,相同法向应力下,峰值强度所对应的剪应变滞后于产生剪胀的位置。为反映接触面的这一变形特性,基于广义位势理论,建立考虑剪胀以及应变软化的接触面弹塑性本构模型。利用塑性状态方程取代传统屈服面,采用分段函数,对剪应力与剪应变关系曲线和法向应变与剪应变关系曲线均用双曲线函数以及似正态函数分别进行拟合,从而确定模型中的各个参数。结合部分试验结果表明,模型计算的剪应力与法向应变与试验值的误差分别在10.5%,12.7%以内,从而验证模型的合理性。     

粗粒土的剪胀方程及广义塑性本构模型研究

以剑桥模型的剪胀方程为基础,引入曲线形态调节因式,提出了一个新的剪胀方程,并依此构建了一个适用于粗粒土的广义塑性模型。主要结论如下:(1)所提剪胀方程能够反映粗粒土剪胀比和应力比之间的非线性关系,且参数定义明确、确定方法简单,并通过试验验证了其对粗粒土的剪缩和剪胀特性的描述能力较好;(2)所构建的广义塑性本构模型参数为9个,并给出了通过室内常规试验确定参数的方法;(3)推导了该模型在一般应力状态下的刚度矩阵,并证明了其对粗粒料普通三轴CD试验具有良好的拟合效果,进一步地,利用三轴等p试验和两段等应力比试验验证了模型的适用性。     

基于广义塑性理论的堆石料动力本构模型研究

分析了堆石料在等幅与不等幅应力循环荷载作用下的变形特性,以此为基础,确定了不同加载过程中堆石料的剪胀方程,加载方向,切线模量及塑性模量,建立了一个可以考虑堆石料循环加载特性的广义塑性本构模型.模型将所有的加卸载阶段都视为弹塑性过程,并在剪胀方程中引入老化函数来考虑体积应变积累对剪胀(缩)性的影响.模型共有12个参数,均可通过常规室内单调及循环加载试验确定.为验证模型的有效性,依据试验资料确定了两种不同堆石料的本构模型参数,并对等幅循环三轴压缩与不等幅循环三轴压缩试验进行了模拟.两种材料在不同围压下的模型预测结果与试验数据均吻合良好,表明模型可以有效地反映循环荷载作用下堆石料应力应变曲线的滞回特性与永久变形的积累.     

有关岩土材料剪胀的讨论

剪胀是岩土材料一个非常重要的特性,但目前对于剪胀的描述并不统一。剪胀角在滑移线场理论中主要有两种定义:①是实际塑性应变ε与剪切应变γ之间的夹角;②是破坏面(应力滑移线)与速度矢量方向的夹角(此时也称膨胀角)。在有限元计算中剪胀角则通过塑性势函数来定义,但对塑性势函数的选择比较随意,只是将屈服函数中的内摩擦角换成剪胀角,此时的剪胀角已没有明显的物理意义,只能在一定程度上反映材料的剪胀特性。阐明了滑移线场理论中有关剪胀的描述,推导了平面应变条件下考虑剪胀角影响并与Mohr-Coulomb准则精确匹配的广义Mises准则,研究了剪胀对浅基破坏模式的影响。     

基于等效时间的双屈服面三维流变模型

为了同时描述土体剪缩剪胀及流变特性,运用Yin-Graham等效时间法建立了双屈服面三维流变模型。首先,以Yin-Graham三维流变方程作为反映剪缩机制的第一屈服面流变方程;其次,以Matsuoka-Nakai 屈服准则作为反映剪胀机制的第二屈服面,以黏塑性功为硬化参数,采用非相关联流动法则,借鉴Mesri建模思路构建应力-黏塑性功-时间关系,利用等效时间法得到应力-黏塑性功-黏塑性功速率关系式,借助Perzyna过应力理论建立第二屈服面三维流变方程;再次,按照双屈服面模型理论将以上两个流变方程结合起来,提出一个基于等效时间的双屈服面三维流变模型,并利用经典的四阶Rung-Kutta方法编制差分计算程序,获得流变模型的数值解答;最后,利用加拿大膨润土及香港重塑海相沉积土三轴固结不排水流变试验将预测值与实测值进行对比,以验证该模型在流变试验中的适用性。结果表明：建立的流变模型可以较好地模拟不排水流变试验多级加载和单级加载发展过程以及土体剪缩剪胀特性。     

基于等效时间的双屈服面三维流变模型

为了同时描述土体剪缩剪胀及流变特性,运用Yin-Graham等效时间法建立了双屈服面三维流变模型。首先,以Yin-Graham三维流变方程作为反映剪缩机制的第一屈服面流变方程;其次,以Matsuoka-Nakai屈服准则作为反映剪胀机制的第二屈服面,以黏塑性功为硬化参数,采用非相关联流动法则,借鉴Mesri建模思路构建应力–黏塑性功–时间关系,利用等效时间法得到应力–黏塑性功–黏塑性功速率关系式,借助Perzyna过应力理论建立第二屈服面三维流变方程;再次,按照双屈服面模型理论将以上两个流变方程结合起来,提出一个基于等效时间的双屈服面三维流变模型,并利用经典的四阶Rung-Kutta方法编制差分计算程序,获得流变模型的数值解答;最后,利用加拿大膨润土及香港重塑海相沉积土三轴固结不排水流变试验将预测值与实测值进行对比,以验证该模型在流变试验中的适用性。结果表明:建立的流变模型可以较好地模拟不排水流变试验多级加载和单级加载发展过程以及土体剪缩剪胀特性。     

砂土与混凝土接触面力学特性大型单剪试验研究

利用研制的大型单剪仪,进行砂土与混凝土接触面单剪试验研究,研究单一粒径的砂土对混凝土接触面物理力学性质的影响。从试验结果分析得到,不同单一粒径砂土的接触面厚度和试样破坏时的剪切位移。试验表明:抗剪强度与法向应力呈较好的线性关系;在接触面法向应力压力较低时,剪切应力-位移关系曲线呈应变软化型;随着接触面法向应力的增高,剪切应力-位移关系曲线呈应变硬化型的趋势越明显,此时,不同单一粒径的砂土与混凝土界面剪应力-位移曲线可看成由一条曲线与一条平直线组成。接触面法向应力越低剪胀越明显;随着接触面法向应力的增大,剪胀性减弱,试样发生剪胀时的剪应力也逐渐增大。     

砂土的UH模型

在UH(Unified Hardening,统一硬化)模型的基础上,通过分析砂土特性,建立了砂土的本构模型。该模型具有以下几个特点:1通过引入压硬性参量,模型可以描述在e–lnp空间内砂土的等向压缩线为曲线的特性;2通过引入剪胀性参数,模型可以合理描述砂土的剪胀特性,即松砂的特征状态应力比较大,密砂的特征状态应力比较小的特性;3通过引入临界状态参数来建立砂土的水滴形屈服面,模型可以合理描述临界状态线(CSL)在e–lnp空间内的位置。相对于UH模型,本文所提的砂土模型只增加了3个材料参数,且3个参数都可通过室内常规试验确定。最后,利用该模型对砂土排水和不排水试验进行预测,预测结果与试验结果吻合很好。     

粗粒土与结构接触面作用机理及本构规律分类

分析接触面物理机制,提出能够反映土体与结构相互作用机理的"结构约束"理论,明确接触面的力学特性。在考虑接触面特性状态依赖性基础上,提出了接触面剪切试验中呈现出的软化规律及剪胀规律公式,并结合相关参数的概念进行规律的拓展。结合状态参数ψ与结构面粗糙度D得到了具有一定创新性的接触面特性综合决定因素M=f(ψ,D),由此将粗粒土与结构接触面剪切本构规律分为6类。这些规律公式、接触面综合决定因素M及本构规律分类对建立能够综合反映应变软化和剪胀特性的接触面本构模型具有十分重要的意义。     

尾矿库筑坝土石料大型三轴试验与力学模型研究

针对沙溪铜矿龙王顶尾矿库工程初设土石坝建设方案,配置了3种含石量(5%、15%和30%)的筑坝土石料,开展了常围压条件下的大三轴压缩试验。试验表明,在低围压下土石料表现出明显的剪胀变形,在高围压条件下其变形以剪缩为主。随试样含石量从5%增加至30%,土石料的应力应变曲线形态相似,但强度和剪胀效应均明显增大。基于试验成果分析,构造适用于描述土石料剪缩/剪胀变形规律的塑性加载和流动方向矢量。在广义塑性本构模型框架内,建立了一个适用于土石料的弹塑性力学模型,阐述了模型参数的确定方法。将此力学模型应用于土石料的大型三轴试验模拟,发现该力学模型能较好地模拟土石料的剪缩/剪胀变形规律。     

堆石料剪胀特性大型三轴试验研究

基于不同初始孔隙比e0和不同固结压力σc情况下筑坝堆石料大型三轴固结排水剪切试验,分析了堆石料应力应变关系与体积应变关系以及剪胀率ζ与塑性剪应变εsp关系的变化规律。研究表明:对于颗粒级配确定的堆石料,剪胀剪缩转化关系由临界初始孔隙比(e0)crit与临界固结压力(σc)crit共同决定;堆石料破坏时的剪胀率ζf可以成为材料剪胀性的判断标准。通过试验数据非线性拟合分析,提出了堆石料应力应变关系与塑性体积应变关系的统一表达式以及初始物理力学状态依赖的应力-剪胀方程和破坏时剪胀率ζf表达式,并由此获得了堆石料剪胀剪缩转化的判断准则。     

三参数强度理论及其在脆性材料中的应用

为了完善岩石、混凝土等脆性材料的强度理论,在双τ²强度理论的基础上,考虑两个较大的主剪应力和静水压力对岩石类材料强度的不同贡献,提出了一个新的含有3个参数的双τ²强度理论。推导出了该理论的数学表达式,分析了主应力空间极限面的相关特性,研究了该理论在几种应力状态下的理论预测曲线,并与一些实验数据进行了对比分析。结果表明:该理论在主应力空间的极限面为在拉伸区封闭而在压缩区开口且沿着静水压力轴不断增大的曲面,子午线为椭圆曲线,极限面的形状由材料的极限应力比α、β决定;在σ₁＞σ₂=σ₃或σ₁=σ₂＞σ₃的应力状态下,该理论的理论预测曲线与极限应力比β无关,极限应力σ₁随着压拉比α的增大而增大;双τ²的三参数强度理论与部分岩石和混凝土材料的实验数据吻合较好,完善了脆性材料的强度理论。     

Bounding surface model refined with fractional dilatancy relation for sand

Due to its simplicity, the Sanisand bounding surface model was developed for constitutive modelling of sand, which has been widely used. Nevertheless, the model ignored the dependence of yielding on Lode’s angle, sometimes showed a concave plastic potential surface, and had several parameters that required simultaneous identification through trial and error, which could affect model performance. This study aims to refine the model by providing alternative multiaxial yielding and dilatancy relations. This is possible through the definitions of a modified yielding function and fractional stress–dilatancy ratio enriched by fabric-dilatancy tensor. This approach can enhance the model performance and simplify the calibration process. The refined model can simulate various stress paths, stress–strain hysteric loop, unloading-induced contraction, reloading-induced dilatancy, butterfly-shaped liquefaction, etc., of different sands.     

双向耦合剪切条件下饱和松砂的液化特性试验研究

为了模拟海床及海洋建筑物遭受波浪荷载时所引起的循环应力,进行了一系列均等固结条件下的应力控制式轴向–扭转双向耦合循环剪切试验。加载路径在σd/2-τ应力空间内为椭圆。试验在保证椭圆面积不变的情况下,分别变化竖向和扭转向的荷载分量幅值,以此来探讨双向耦合剪切试验中各个分量的变化对饱和松砂的循环强度特性的影响。试验结果表明砂土在双向耦合荷载作用下,其液化强度与加载椭圆路径的面积和两个荷载分量比值密切相关。当轴向应力与剪应力幅值的比值保持不变时,砂土液化强度随着椭圆面积的增大而降低。而在椭圆面积保持不变时,当竖向与扭转向荷载分量的比值小于某一临界值0.6～0.75时,砂土液化强度随着比值的增加而增大,当竖向与扭转向荷载分量的比值大于某一临界值0.6～0.75时,砂土的液化强度随着比值的增加而减小,在临界值0.6～0.75之间表现出最高的强度。另外,在一个周期内孔隙水压力的循环变化与轴向应力相位一致,与循环剪应力相位相差90。     

Unified modeling behavior of rockfill materials along different loading stress paths

Rockfill materials used for dam construction show obvious stress path dependency during construction process. The constitutive model for rockfill materials are mainly established based on conventional triaxial test. This brings some deviation to the numerical calculation for earth rockfill dam engineering, and it is necessary to develop a constitutive model considering stress paths effect. In the framework of generalized plasticity, plastic modulus can be expressed as the function of dilatancy equation and tangent modulus, hence the influence of stress paths on model can be transfer to the dilatancy equation and tangent modulus. This leads to a new method to describe stress-strain response of rockfill under various loading stress paths. Based on the analysis of large-scale triaxial experiments of rockfill materials with various stress paths, we proposed new dilatancy equation and tangent modulus to better describe stress paths effect and corresponding modified generalized plasticity model is established. Through the prediction and comparison of three groups of rockfill materials triaxial tests, the model established in this paper can simulate behaviors of rockfill materials under various stress paths, using only a set of parameters.     

循环荷载作用下流变性软黏土的边界面模型

为了预测交通荷载作用下流变性软黏土的长期运行沉降,提出了一个能够描述循环加载条件下饱和软黏土流变特性的弹黏塑性本构模型。本模型以边界面弹塑性理论为基础,采用滞后变形理论。模型不仅能单独考虑土体的流变效应和循环加卸载效应,还能考虑交通荷载作用下软黏土在循环荷载和流变耦合作用下的变形特性。模型概念清晰,参数少。通过多组上海软黏土循环加载流变试验结果的模拟,初步验证了本模型的合理性和有效性。     

土的清华弹塑性模型及其发展

 土的清华弹塑性模型具有独特的建模方式。在Drucker假说的基础上,无需其他的附加假设,通过试验资料直接确定塑性势面和塑性势函数,选择适当的硬化参数使屈服函数与塑性势函数一致。通过真三轴试验及平面应变试验,利用该模型的建模方法,在π平面上确定了一种双圆弧的屈服轨迹,从而建立了该模型的三维形式,提出了相应的流动规则表达式;在小浪底堆石料的三轴湿化试验基础上,发现湿化应变作为一种塑性应变与通过该点的屈服面正交,因而只需分别确定干土与饱和土的清华弹塑性模型的参数,同时进行各向等压条件下的湿化试验,测量其湿化体应变,就可以计算出在任意应力状态下浸水湿化的应力应变全过程;与湿化的清华模型相似,进行了不同含水率的土的三轴试验,并进行在干土试样中预加冰屑然后在指定应力状态下使其融化均匀增湿的三轴试验,发现屈服函数不变,硬化参数可以表示为塑性应变和含水率的函数,从而绕过了基质吸力这一变量,建立了非饱和土的清华模型,试验表明它可以合理地预测从干试样增湿到其他含水率的应力应变全过程;密实的永定河砂的试验表明,在相同应力状态下,应变硬化段与应变软化段的塑性应变增量的方向是一致的,将硬化参数表示为塑性功的函数,则可以描述土的应变软化,模型试验结果表明了建立的反映应变软化的清华模型可以合理地计算浅基础的荷载沉降关系;将等向硬化改为旋转硬化,就可以计算砂土在减载和循环加载下的应力应变关系。清华弹塑性模型是一个具有很大发展空间的模型。