考虑应力方向依赖性的砂土等效统一硬化模型研究EI北大核心CSCD

土的应力方向依赖性是指土的力学特性随应力方向改变而改变的性质,其内在原因是颗粒堆积形成的土体在微观尺度上具有各向异性。为了定量描述各向异性颗粒材料沿不同方向孔隙特征的差异,提出孔隙面积比的概念,即颗粒材料某一截面上孔隙面积与颗粒面积之比,并建立孔隙面积比与组构张量之间的定量关联。在此基础上,将各向异性状态参数定义为当前方向的孔隙面积比与孔隙面积比的平均值(或孔隙比)的差值,以定量描述材料不同方向的状态与平均状态之间的关系。进而采用等效应力法对砂土UH模型进行“改造”,建立砂土的EUH模型。EUH模型仅增加了2个试验参数,便可以很好地反映应力路径、孔压、应力-应变关系的应力方向依赖性,实现了对主空间和物理空间中各应变分量应力方向依赖性的精确预测,进一步验证了等效应力法的科学性,为等效应力法的工程应用奠定了坚实基础。     

有效应力决定饱和岩土材料抗剪强度的摩擦学解释

有效应力决定了岩土材料的变形和强度，有效应力概念虽然已在岩土工程中广泛应用，但是，对于决定饱和岩土材料抗剪强度的有效应力，其理论解释至今却并不充分且受到质疑。为此，通过文献分析，确定了宏观抗剪强度与粒间摩擦强度之间的正相关关系，并运用摩擦学中的黏着摩擦理论，推导了排水和不排水条件下，粒间接触面黏着结点的生长公式和抗剪强度公式。通过对比分析这两种条件下的应力状态对抗剪强度的作用影响，得到了与 Terzaghi 一致的有效应力表达式，并在此基础上，探讨了有效应力和有效应力原理的基本概念和定义。     

基于SMP准则的土体三维应力状态土压力问题

基于SMP准则,分析了土体处于三维应力状态下的土压力问题,推导出无粘性土的主被动土压力的计算公式,通过引入粘结力σ0将其扩展到粘性土,和实测数据及朗肯理论计算结果进行了对比。结果表明:朗肯土压力理论所得的主动土压力偏大,采用本文公式计算所得结果更为接近实测值,从而说明考虑土体三维应力状态对分析土压力的设计计算具有一定的指导意义。     

应力Lode角对砂岩变形特性影响

 基于自主研发的“多功能真三轴流固耦合试验系统”,进行真三轴应力( )条件下,保持球应力、偏应力不变而改变应力Lode角试验,研究了球应力、偏应力不变条件下,应力Lode角旋转对岩石变形特性的影响。结果表明：3个主应变、体应变及偏应变均随应力Lode角的变化而改变;偏应力相等时, , , , 及 随着偏应力比M(q/p)的增大而呈现递减趋势;球应力相等时,3个主应变、体应变及偏应变随着偏应力比M的增大呈现先减小后增大的趋势,且在M较大时失稳破坏。岩石破坏时形成多个近似垂直于 方向而平行于 , 方向的破坏面,且强度值较常规加载明显偏小;偏应力比M对偏应变模量Gs有较大影响。球应力主要影响岩石的体积变化,且有一定的区间性;偏应力主要影响岩石的畸变,对岩石破坏起重要作用。试验砂岩的塑性变形受Lode角影响较大,塑形流动方向为 。       

边坡植物根系松弛应力实验研究

通过柳树根系的松弛实验,对松弛应力与加载时间的关系进行了研究,发现松弛应力与加载时间存在接近对数函数的曲线关系,根据实验推导的函数关系式可以求出任意加载时间对应的松弛应力;通过回归计算和推导,发现松弛应力与加载时间的函数关系式中的各系数与初应力存在一定关系,因此可以应用初应力和加载时间计算松弛应力,而初应力可以通过简单实验测得;利用推导的公式可以很快地估算单个根系的松弛应力;与实际加载的松弛应力曲线相比较,推导公式计算的松弛应力大于实际的松弛应力。     

论有效应力原理与有效应力

有效应力原理是土力学区别于一般固体力学的基础,是土力学的核心基石。Terzaghi有效应力原理从提出至今就一直饱受争议,特别是有关Terzaghi有效应力的近似性问题是争议的焦点。从有效应力原理的任务出发,阐明有效应力原理的内涵是土体可量测荷载效应—外荷载间的一般规律。指出有效应力的作用是联接土体强度、变形等可量测荷载效应与外荷载间的纽带,定义对土体强度特性和变形行为等可量测荷载效应产生直接影响的土体应力为有效应力,因此,有效应力不是唯一的,它们是土体中真实存在应力的名义表述,可以依据应力平衡原理和流体压力与土颗粒间的相互作用关系给出,不同的有效应力定义就对应不同的有效应力计算公式,从而解释了Terzaghi有效应力原理近似性的原因。提出了强度相关有效应力和变形相关有效应力(Terzaghi有效应力)的概念,严格推导了他们的计算表达式,阐述了强度相关有效应力与土体剪切强度、变形相关有效应力与土体变形的一般关系。进一步,基于莫尔库仑强度准则,推导了土体抗剪强度与Terzaghi有效应力和孔压的关系。     

路堤下复合地基桩、土应力比分析

由于路堤由填土等散体材料组成，路堤下复合地基桩与桩间土之间的沉降不一致，导致填土内部出现相对垂直位移，应力状态发生变化。计算路堤复合地基桩、土应力比的方法及计算参数均与刚性基础下的复合地基不同。通过对复合地基上部填土的力学分析，推导出一个求解桩顶平面处的桩、土应力比的公式。该公式表明桩顶处桩、土应力比的大小与复合地基置换率，桩顶处桩，土沉降差，填土厚度，填土弹性模量等关系密切。最后，利用一个工程实例证明该公式的正确性。     

城市固体废弃物中竖向应力沿深度方向变化规律的试验研究

城市固体废弃物中竖向应力沿深度方向的变化规律是应用MSW沉降模型计算废弃物沉降的重要依据。本文采用了河海大学研制的MSW室内柱状沉降仪进行了人工配比的MSW填埋试验。在沉降桶的底部安装了荷载传感器,测出填埋层顶部所施加竖向荷载沿深度方向的变化值。推导出Powrie和Beaven在1999年得到的竖向有效应力沿深度方向的应力传递公式,计算出荷载沿深度方向分布的计算值。结果表明,实测值和计算值相当吻合。     

基于张量距离的深埋隧洞围岩应力扰动指标及特征分析

针对目前深埋隧洞开挖过程中应力扰动程度难以表征，尤其是主应力方向改变难以量化的问题，基于应力张量间距离建立应力扰动度指标(SDI)，可以定量描述主应力大小和方向的改变。依托加拿大Mine-by深部地下实验室工程和锦屏地下实验室二期(CJPL–II)工程，研究隧洞分步开挖时主应力及其应力扰动度指标的变化特征。结果表明，隧洞开挖过程中，轴向不同位置处应力受扰动度与掌子面位置有关，具有明显的空间分布特征，应力仅在掌子面影响区域内受扰动剧烈。沿隧洞径向方向应力扰动度从洞壁到围岩深部逐渐降低，当掌子面开挖接近监测断面时，应力扰动深度逐渐增大，随着掌子面远离，扰动深度逐渐减小。洞壁处SDI最大，但主应力方向扰动度则不一定最大，峰值位置随掌子面位置变化。扰动度指标物理意义明确，合理地描述隧洞开挖时主应力大小和方向的改变，并且主应力大小和方向的扰动度指标量纲一致，可方便地进行比较。该研究可以为深部地下工程中的围岩稳定性分析和支护设计提供量化的应力扰动评价指标。     

复杂应力状态下孔隙水压力对混凝土抗压强度的影响

将Terzaghi(太沙基)有效应力原理引入到饱和混凝土力学性质的研究中,探讨复杂受力环境下孔隙水压力对混凝土抗压强度的影响机制,建立了符合混凝土材料自身微结构特点的有效应力原理表达式,推导出三向一般应力状态下的孔隙水压力系数公式,用其预测不同围压下混凝土的抗压强度,并在应力空间压子午面内定量描述干燥混凝土及饱和混凝土基体真实应力加载路径的变化,所得到的趋势与试验结果相吻合.研究表明:孔隙水压力的存在改变了混凝土基体真实应力在应力空间的加载过程,从而改变了混凝土材料应力达到峰值时所对应的抗压强度;与干燥混凝土相比,准静态工况下饱和混凝土在各种应力状态下的抗压强度均有所降低,且受初始静水压力、孔隙率及加载路径的影响.从基体真实应力的角度揭示了复杂应力状态下孔隙水压力对饱和混凝土抗压强度的影响机理.     

有压圆形隧洞围岩径向裂纹应力强度因子研究

为研究隧洞围岩周边径向裂隙的水力劈裂问题,利用复势法分别给出了高水压和构造应力两种因素作用下围岩径向裂隙应力强度因子的解析公式。研究表明:在压应力构造应力场中,构造应力只主导裂隙的Ⅱ型扩展,围岩孔隙水压力只主导裂隙的Ⅰ型扩展;侧压力系数和构造主应力与裂隙夹角是影响裂隙Ⅱ型扩展的重要因素。研究结论对于进一步研究高水压和构造应力对径向裂隙的水力劈裂效应具有重要的参考价值。     

粗粒料变形特性的大型真三轴试验研究

三维应力状态下粗粒料的变形性状对土石坝的沉降尤为重要。通过大型真三轴试验系统,对粗粒料开展了等小主应力等中主应力系数加载试验。试验结果表明:小主应力较小时,粗粒料的剪胀性较强,随着小主应力的增大,粗粒料的剪缩性逐渐增强。中主应力系数从0增大到0.5时,粗粒料的剪胀性基本上是逐渐减小的,而当中主应力系数增大到0.75时,剪胀性又有所增强。大主应变均表现为压缩变形,小主应变均产生膨胀变形,中主应变在一般三维应力状态下表现为压缩变形,而在常规三轴应力状态下中主应变则产生膨胀变形。     

山东地区现今地应力场特征与应力积累水平分析

 山东地区地质构造环境十分复杂,历史上曾多次发生中强地震及强震。为深入了解该地区现今构造应力场特征及区域地壳应力积累水平,基于优化处理后的181组地应力实测数据,采用回归分析法全面分析了该地区地应力量值随深度的分布特征,并依据地壳应力积累理论,探讨了区域应力积累水平和地壳稳定性。结果表明,该地区地应力状态主要以?H＞?h＞?v型和?H＞?v＞?h型为主,应力状态类型与深度有一定关系;3个主应力?H,?h和?v均随深度呈近似线性增加的关系,应力变化梯度值分别为0.024 2,0.018 0,0.025 8;3个侧压系数KH,Kh和Kav随深度呈近似双曲线分布,随着深度的增加分别向1.46,0.89,1.17趋近;水平差应力相对大小μd更接近于线性分布,随着深度的增加趋向于0.24;最大水平主应力优势方向整体表现为NWW-SEE向,但NEE-SWW向也占有较大比例,优势方位统计结果与世界应力图2016及板块间作用相吻合;沂沭断裂带西侧区域最大水平主应力优势方向整体呈NEE-SWW向,而其东侧区域整体呈NWW-SEE向。?m能较好地反映地壳应力积累能力,?m值主要集中在0.3～0.5,0.2～0.3范围内,该地区的应力积累水平整体上处于中低程度,地壳浅层处于相对稳定状态。逆断型应力状态的?m值主要集中在0.2～0.3范围内,应力积累水平以较低程度为主;走滑型应力状态的?m值主要集中在0.3～0.5范围内,应力积累水平以中等程度为主。     

金川二矿深部1 000 m中段地应力测量 及应力状态研究

 金川镍矿是我国最大的硫化铜镍矿,而二矿又是金川镍矿的主力矿山。目前二矿已进入深部开采阶段,由于矿岩破碎、剧烈开采扰动以及巷道采场结构越来越复杂,加之应力状态的改变,围岩稳定性问题更加突出。为此在二矿深部1 000 m中段进行了系统的地应力测量,以了解深部应力分布特征及其变化规律。现场测试采用空心包体应力解除法,共获得7个测点的三维应力数据。地应力测量成果表明,在井下700～800 m深度范围内,最大主应力量值基本为20～30 MPa,大部分测点最大主应力方位为NNE～NE向,最大主应力倾角在40°以上,以水平应力为主导的应力作用特征发生改变。     

三维地应力BWSRM测量新方法及其测井机器人在重大工程中的应用

地壳上层岩体的应力状态是地壳最重要的性质之一,获取岩体应力状态最直接、可靠的手段是原位地应力测量.首先简要回顾地应力测量的研究历程及其发展现状,分析岩石力学与工程中常用的几种地应力测量方法和技术.重点介绍钻孔局部壁面应力解除法(BWSRM)这一新的三维地应力测量方法的原理,以及基于BWSRM的地应力测井机器人研制过程和...     

广义Hoek-Brown破坏准则平面应变问题的滑移线场理论

根据弹塑性力学平面应变问题的特点,推导广义Hoek-Brown破坏准则平面应变问题应力分量的双参数表达式。代入静力平衡微分方程,得到双曲型一阶拟线性偏微分方程组。运用行列式方法,在适当的变量代换后,获得应力偏微分方程组的特征方向和特征上的微分关系。特征方向表明塑性区中的共轭斜交剪切滑移面形成两族非正交滑移线,其共轭角随极限应力状态和Hoek-Brown岩体材料物性参数而变化。由于对称初始应力场条件下圆形硐室理想弹塑性围岩塑性区内最大主应力方向为环向,而滑移线切线方向与最大主应力方向的夹角是最小主应力(径向应力)的函数,结合圆形硐室理想弹塑性围岩的应力分布的分析解,获得滑移线的极坐标曲线所满足的微分方程,进而得到其极坐标曲线方程。     

出线竖井变形监测反馈及衬砌变形稳定研究

溪洛渡左岸布置两条出线竖井,其总深度为488.5 m,穿越的覆盖层深度达到120 m。已有的监测资料表明左岸出线竖井已向下游侧变形约1 mm,向河谷侧变形约18 mm。本文拟合观测墩变形数据,对左岸两条出线竖井及其井壁衬砌结构进行三维非线性有限元分析,得出竖井详细的应力变位情况,并确定观测墩变位和竖井最大变形值的关系,从而提出了竖井观测墩变位的预警控制阈值,以及竖井可能的破坏模式。最后对不同岩层接触面进行了抗滑稳定计算,结果表明沿着这些面整体抗滑稳定安全系数满足设计要求。     

考虑中间主应力的横观各向同性深埋圆隧弹塑性解

平面应变条件下的深埋圆形交通隧道问题一般忽略中间主应力影响,但塑性区围岩的变形与实际情况会产生较大差异。岩土与地下工程中多遇到层状岩体,常将其处理为横观各向同性固体材料。充分考虑中间主应力对深埋圆形隧道的影响,基于平面应变假设得出了与横观各向同性材料相适应的Drucker-Prager准则并将其与Mohr-Coulomb准则精确匹配,在此基础上推导了考虑剪胀特性的横观各向同性理想弹塑性材料在塑性阶段的中间主应力表达式;根据所得的中间主应力表达式,推导出横观各向同性深埋圆形隧道围岩塑性区应力位移解析式;结合实际算例,分析了横观各向同性参数与围岩剪胀角对横观各向同性深埋圆形公路隧道围岩塑性区位移的影响规律。为深埋圆形交通隧道的计算和设计提供更为合理的理论基础。     

复杂应力路径下影响粘土孔压开展的因素研究

采用空心圆柱扭剪仪,针对杭州原状软黏土,设计轴对称和三维应力状态下的复杂应力路径,进行固结不排水条件下的主应力轴旋转试验,以此从试验上验证主应力轴转幅、中主应力系数、初始剪应力对剪切过程中孔压开展特征影响的理论分析结论。理论分析和试验结果均表明：在主应力轴旋转过程中,主应力轴转幅分别为0°～45°和45°～90°间的值时,试样的变形不同,产生的孔压增量不同,以主应力轴转幅等于45°为界;当中主应力系数在0～1间变化时,随着中主应力系数的增大,产生的孔压增量先减小后增大,以中主应力系数等于0.5为界,并且,中主应力系数对剪切过程中孔压开展的影响受剪应力水平的控制;初始剪应力水平越高,上升初始剪应力阶段产生的孔压增量越大,剪切过程中总的孔压水平越高。在包含主应力轴旋转和剪应力增大的剪切应力路径初始阶段,以大主应力方向角作为控制条件比以初始剪应力作为控制条件产生的孔压增量大,对剪切过程中孔压的开展影响更大。     

Experimental study on compaction-induced anisotropic mechanical property of rockfill material

The anisotropy of rockfill materials has a significant influence on the performance of engineering structures. However, relevant research data are very limited, because of the difficulty with preparing specimens with different inclination angles using traditional methods. Furthermore, the anisotropy test of rockfill materials is complex and complicated, especially for triaxial tests, in which the major principal stress plane intersects with the compaction plane at different angles. In this study, the geometric characteristics of a typical particle fraction consisting of a specific rockfill material were statistically investigated, and the distribution characteristics of particle orientation in specimens prepared via different compaction methods were examined. For high-density rockfill materials, a set of specimen preparation devices for inclined compaction planes was developed, and a series of conventional triaxial compression tests with different principal stress direction angles were conducted. The results reveal that the principal stress direction angle has a significant effect on the modulus, shear strength, and dilatancy of the compacted rockfill materials. Analysis of the relationship between the principal stress direction angles, change in the stress state, and change in the corresponding dominant shear plane shows that the angle between the compacted surface and dominant shear plane is closely related to interlocking resistance associated with the particle orientation. In addition, different principal stress direction angles can change the extent of the particle interlocking effect, causing the specimen to exhibit different degrees of anisotropy.