描述饱和砂土剪切特性的一个热力学本构模型

砂土的力学特性十分复杂,与其所处的物理状态直接相关,表现为松砂的剪缩以及密砂的剪胀特性,受相对密度和有效围压的共同影响。为有效地描述饱和砂土在不同物理状态下的剪切特性,基于颗粒物质热动力学理论,考虑颗粒层次能量耗散机制,并结合引入状态参数的剪胀方程,发展一个饱和砂土的热力学本构模型。该模型形式较为简单,不涉及屈服准则、流动法则等概念,而是引入颗粒熵和颗粒温度的概念来描述砂土内部的不可逆变形,并通过迁移系数和能量密度函数将饱和砂土内部的能量耗散机制与宏观力学行为建立联系。模型可以反映饱和砂土在剪切过程中由于相对密度和有效围压的变化对土体强度和变形特性的影响。基于模拟计算结果与等向压缩、三轴不排水以及排水剪切试验结果的对比,验证了模型描述饱和砂土剪切特性的能力。     

复杂应力下砂土的广义双剪应力破坏准则及双硬化本构模型

基于双剪应力强度理论，推导出了砂土的广义双剪应力破坏准则，给出了该准则参数的物理解释，分析了该准则在双硬化参数本构模型中的应用。     

砂土内在各向异性的本构模拟

基于砂土的应力-应变-强度关系受土骨架结构朝向和主应力方向间相对关系影响,相同状态砂土在三轴压缩条件下剪切膨胀,在三轴拉伸条件下剪切收缩的研究.介绍一个模拟砂土内在各向异性的本构模型.模型采用描述材料内在各向异性的二阶对称组构张量和各向异性状态变量(组构张量和应力张量的联合不变量)描述土的各向异性.在e-p平面,临界状态线不固定,而与各向异性状态变量相关.塑性模量也与各向异性状态变量相关.模型能在很大应力和密度变化范围内模拟砂土的剪缩和剪胀行为,特别是主应力方向和土骨架结构朝向间夹角对砂土性质的影响.模拟结果与实验数据吻合.     

用于流动液化变形分析的临界状态砂土模型

介绍一个用于流动液化变形分析的临界状态砂土模型.该模型的参量与应力和材料状态无关,模型能自动处理材料因过程发展而产生的各种状态变化.对于一种或几种类似的土,参量一经率定,不论材料初始处在松的可液化状态还是紧的剪胀状态,模型以统一方式模拟材料从起始阶段近似弹性的响应直到趋于临界状态破坏,包括流动液化在内的全程响应,无需在分析过程中人为干预调整模型参量.作者利用完全耦合有限元分析程序SUMDES2D,以Upper San Fernando土坝在1971年地震中的分析为例,示范该模型在流动液化变形分析中的应用.     

砂土材料状态相关临界状态各向异性模型

考虑材料状态对砂土临界状态的影响,采用宏细观结合的方法建立了砂土的各向异性模型。将新的各向异性状态变量引入砂土模型的临界状态方程,增加了各向异性参量、应力状态和应力与材料组构方向关系3个因素对临界状态的影响,扩展了砂土材料状态相关的概念。随应力状态和应力与材料组构方向几何关系变化,π平面上模型的临界状态线、相变状态线和峰值状态线的形状和位置自然产生变化,各向异性越大,状态线偏离的静水压力轴也越远,形状变化也越大。模型的剪胀方程和硬化规律也是状态参量函数,随细观参量的变化,细化和量化了砂土物理状态变量对剪胀性及硬化规律的描述。模型用一组参数可以描述较大围压和密度范围砂土各向异性强度-变形的力学响应。     

一种青藏高原冻结砂土蠕变本构模型

为描述青藏铁路沿线冻结砂土的蠕变特性,建立一个考虑应力和时间耦合的蠕变本构模型.首先进行一系列不同温度、干密度条件下的冻结砂土三轴蠕变试验;其次以Nishihara模型为基础,考虑应力和时间对模型元件的耦合影响,将黏弹性元件中定常的黏滞系数修正为时间和应力的函数,引入损伤变量改进黏塑性元件,构建新的冻结砂土蠕变本构模型;最后基于试验数据验证其科学性.结果表明:试验数据与拟合数据吻合良好,改进模型能较好地描述不同温度和应力水平下冻结砂土的衰减、稳态和加速蠕变特性;改进模型中黏弹性元件的黏滞系数、剪切模量和黏塑性元件的黏滞系数均随温度升高和应力水平增大而减小,损伤变量参数随着温度升高、应力水平增大而增大.成果可为冻结砂土蠕变沉降预测提供一种新的选择,为蠕变理论研究积累资料.     

干燥及饱和橡胶砂压缩和剪切特性

将废弃轮胎作为建筑材料应用在土木工程领域是对其回收处理最有前景的方法之一。为了研究轮胎橡胶颗粒改良砂土的效果,选取橡胶颗粒与福建砂的混合土为研究对象,研究了橡胶砂的压缩和抗剪特性,分析了橡胶含量与干湿状态对橡胶砂力学特性的影响,并建立了双曲线模型预测橡胶砂受剪过程的剪应力与剪切位移关系。结果表明：橡胶砂的压缩变形随橡胶含量增大而增大,饱和橡胶砂的压缩变形明显大于干燥橡胶砂;橡胶砂的剪应力剪切位移曲线表现出应变硬化特征;橡胶砂的抗剪强度与橡胶含量的关系不大;干燥试样内摩擦角随着橡胶含量的增大而降低,饱和试样的内摩擦角随着橡胶含量的增大而轻微升高;通过双曲线模型预测的剪应力剪切位移关系曲线与试验结果吻合。     

基于应变软化与剪胀性特征的粉砂土双硬化弹塑性本构模型

针对上海粉细砂不存在惟一临界状态线的特点,对传统的砂土本构模型进行了改进,提出了一个能合理描述剪胀性和应变软化特性的粉细砂弹塑性本构模型. 该模型采用双屈服面形式,可同时反映剪切变形及压缩变形机理. 模型对传统修正剑桥模型中的剪胀性公式进行了改进,考虑了状态转换应力比与初始有效围压的相关性. 为了描述应变软化特性,提出了一个利用残余状态应力比和峰值应力比的应变软化公式,可较为合理地反映粉细砂的应变软化特性. 通过对上海粉细砂的多组试验结果模拟,验证了本文模型的合理性和有效性.     

Modeling of state parameter and hardening function for granular materials

A modified plastic strain energy as hardening state parameter for dense sand was proposed, based on the results from a series of drained plane strain tests on saturated dense Japanese Toyoura sand with precise stress and strain measurements along many stress paths. In addition, a unique hardening function between the plastic strain en--ergy and the instantaneous stress path was also presented, which was independent of stress history. The proposed state parameter and hardening function was directly verified by the simple numerical integration method. It is shown that the proposed hardening function is independent of stress history and stress path and is appropriate to be used as the hardening rule in constitutive modeling for dense sand, and it is also capable of simulating the effects on the de-formation characteristics of stress history and stress path for dense sand.     

Nonlinear Elastic Constitutive Model of Soil-Structure Interfaces Under Relatively High Normal Stress

The shear characteristics of soil-structure interfaces with different roughness are studied systematically by using the DRS-1 high normal stress and residual shear apparatus. The experimental results indicate that, under a relatively high normal stress, normal stress and the coefficient of structural roughness are the most important factors affecting the mechanical interface characteristics. The relationship between shear stress and shear displacement of the soil-structure interface is a hyperbolic curve with high regression accuracy. Based on our experimental results, a nonlinear elastic constitutive model of the soil-structure interface under relatively high normal stress is established with a definite physical meaning for its parameters. The model can predict the strain hardening behavior of the soil during the shearing process. The results show an encouraging agreement with experimental data from direct shear tests.     

无筋砌体材料本构模型述评

对于砌体的研究,虽然在材料强度、构件承载力及结构整体分析等层次上已作过许多工作,但其微观机理、本构模型等基础理论方面的研究相对滞后,一直未建立能描述非线性全过程分析和适于复杂应力状态下有限元分析的本构模型,从而在一定程度限制了对砌体的认识．回顾砌体本构建模的发展动态,基于灰缝是否与块体分开考虑,砌体建模可分为分离式模型和整体式模型两类;着重于建模方法及适用范围,指出分离式模型是认识砌体材料本构特征的首要、合理方法,而灰缝与块体问的联结问题是关键等观点．     

结构状态的马尔科夫链模型及其统计推断

马尔科夫链是结构状态宏观描述和预测中一个可接受的概率模型,但在建立该模型的过程中目前的极大似然法需在较长的时间跨度内采集不同时期的数据,存在数据采集方面的困难。本文为此提出了利用当前数据的最小二乘法,使得通过统计推断建立马尔科夫链模型更为现实可行。     

GH4169合金高温动态应变时效实验及模拟

为了解和掌握GH4169高温合金热处理过程中动态应变时效（dynamic strain ageing, DSA）现象对力学性能的影响,通过高温单轴拉伸实验及数值模拟的方法对固溶态该合金高温条件下DSA现象进行了实验及模拟研究.不同应变率的单轴拉伸实验在620 ℃的高温下进行,应变速率分别为10^-2、10^-3、10^-4 s^-1.实验结果表现出了由DSA效应导致的负的应变率敏感性,以及明显的锯齿状屈服现象.基于热激活能的塑性流动法则并对DSA效应予以明确考虑,建立了材料宏观一维本构模型,其中变形阻力被分为位错滑移阻力及DSA效应导致的变形阻力两部分,DSA效应模型中引入等效时效时间及等效热激活等待时间两个内变量,通过最小二乘法进行参数拟合.该本构模型的计算结果与实验结果具有较高的一致性. 结果表明,通过分析本构模型中内变量的变化趋势得出结论,位错滑移阻力随应变速率的提高表现出上升趋势,而DSA效应导致的变形阻力随应变率的提高表现出下降趋势. 因此,材料强度在一定应变率范围内的应变率负相关现象是由于DSA效应及正的率效应两种机制之间的竞争所导致.     

SICP方法加固饱和砂土提高抗液化能力的动三轴试验研究

在地震作用下,饱和砂土地基易达到液化状态,从而形成安全隐患。以标准砂为材料进行大豆脲酶诱导碳酸钙沉积（SICP）的胶结固化,对30%、40%和50%相对密实度下的中密砂分别做1~3次处理,进行不同循环剪应力与有效固结围压比值下的动三轴试验。通过分析动应变、超孔隙水压力、动循环次数,对SICP方法处理饱和砂土的抗液化效果进行评价。结果表明：试样的孔压与应变发展都呈现出分阶段增长的特点,孔压在加载瞬间会急剧增长到一定水平,而后伴随塑性应变以稳定的速率增长,直至破坏。SICP方法处理饱和砂土能有效增强砂土的抗液化能力,减缓超孔隙水压力的增长速度,且处理次数越多,密实度越高,抗液化效果越好。     

基于Gross方程的饱和砂土液化后流动特性模型

将液化后的饱和砂土视为一种流体,其流动特性表现出类似剪切稀化非牛顿流体的特性。根据非牛顿流体力学理论分析液化后饱和砂土的流动特性发现,当处于零有效应力状态时,可以用纯粘性流动本构模型较好地描述砂土的剪应变率表观黏度关系。通过拟合动扭剪试验结果的流变曲线,对比分析了几种常用的纯粘性流动本构模型,发现Gross模型可以较好且较简洁地描述液化后砂土零有效应力状态时的流动特性。通过对拟合参数的分析,建立了基于Gross模型的液化后饱和砂土零有效应力状态的流动本构模型,得到时间量纲下的参数K以及零剪切表观黏度η₀和极限剪切表观黏度η_∞的函数关系。考虑相对密实度、固结应力和应力历史对模型参数的影响,阐释了模型参数的函数关系以及物理意义。     

Constitutive equations and finite element implementation of strain localization in sand deformation

A recently proposed model coupling with the solid-fluid of the saturated sand was utilized to study the deformation band. Based on the critical state plasticity model by Borja and Andrade, the hydraulic conductivity tensor was naturally treated as a function of the spatial discretization matrix about the displacement and the stress field, allowing a more realistic representation of the physical phenomenon. The fully Lagrangian form of the Darcy law was resolved by Piola algorithm, and then the flow law was gained, leading to the implementation of a modified model of the saturated sand. Then the criterion for the onset of localization was derived and utilized to detect instability. The constitutive model was implemented in a finite element program coded by FORTRAN, which was used to predict the formation and development of shear bands in plane strain compression of saturated sand. At last, the formation mechanism of the shear band was discussed. It is shown that the model works well, and the simulation sample bifurcates at 1.18% axial strain, which is in a good qualitative agreement with the experiment. The pore pressure greatly affects the onset and development of the deformation band, and it obviously increases around the localization-prone regions with the direction toward the outer side of the normal of the shear band, while the pore stress flows nearly horizontally and is distributed equally far away the shear band region. Foundation item: Project(2006G007-C) supported by the Foundation of the Science and Technology Section of Ministry of Railway of China; Project(77206) supported by the Excellent PhD Thesis Innovation Foundation of Central South University, China     

非线性模型参数的经验欧氏似然估计的渐近性

本文构造了非线性模型中参数的经验欧氏似然比统计量,并证明了该似然估计的强相合性和渐近正态性。     

Viscoelastoplastic constitutive model for creep deformation behavior of asphalt sand

A uniaxial viscoelastoplastic model that can describe whole creep behaviors of asphalt sand at different temperatures was presented.The model was composed of three submodels in series,which describe elastoplastic,viscoelastic and viscoplastic characteristics respectively.The constitutive equation was established for uniaxial loading condition,and the creep representation was also obtained.The constitutive parameters were determined by uniaxial compression tests under controlled-stress of 0.1 MPa with five different test temperatures of 20,40,45,50 and 60 ℃.Expressions of the model parameters in terms of temperatures were also given.The model gave prediction at various temperatures consistent with the experimental results,and can reflect the total deformation characterization of asphalt sands.     

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.