砂的临界状态本构模型局部化分叉分析

基于砂的临界状态本构模型考虑了平均有效应力水平及孔隙比的影响,能合理地反映不同密度和应力水平下砂的变形特性。该模型对平面应变状态下变形局部化分叉的解析表明：在围压一定时,分叉出现在应力应变关系硬化阶段,分叉点对应的应力比及剪切带倾角均随孔隙比的增加而减小;密砂及松砂分叉点对应的应力比分别在临界状态线的上侧和下侧;而且峰值应力比与分叉应力比差值基本不变,但松砂较密砂差值大。在初始孔隙比一定时,密砂分叉点对应的应力比及剪切带倾角随着初始有效围压的增大而减小,而松砂分叉时的应力比及剪切带倾角基本不受围压影响。最后,为了验证解析解的正确性,采用回映应力更新算法,编写了有限元材料子程序,把该模型嵌入有限元软件ABAQUS。通过对多单元立方体试样数值模拟结果与解析解的对比,两者基本一致。     

砂的临界状态本构模型局部化分叉分析

摘要：局部化分叉的发生与材料本构模型及材料参数的选择密切相关，基于砂的临界状态本构模型考虑了平均有效应力水平及孔隙比的影响，能合理地反映不同密度和应力水平下砂的变形特性。通过对该模型在平面应变状态下变形局部化分叉解析表明：在围压一定时，分叉出现在应力应变关系硬化阶段，分叉点对应的应力比及剪切带倾角均随孔隙比的增加而减小；密砂及松砂分叉点对应的应力比分别在临界状态线的上侧和下侧；而且峰值应力比与分叉应力比差值基本不变，但松砂较密砂差值大。在初始孔隙比一定时，密砂分叉点对应的应力比及剪切带倾角随着初始有效围压的增大而减小，而松砂分叉时的应力比及剪切带倾角基本不受围压影响。最后，为了验证解析解的正确性，采用回映应力更新算法，编写了有限元材料子程序，把该模型嵌入有限元软件ABAQUS。通过对多单元立方体试样数值模拟结果与解析解的对比，解析解与数值模拟结果基本一致。     

剪切带形成过程中的边界约束和加载速度效应

基于有限变形理论，研究了正常固结藤森黏土的边界约束效应和加载速度效应。用中井的子负荷面本构关系模型模拟土体的变形和强度特性，并对该模型采用高精度的欧拉向后应力积分算法。在土体表面不需要人为地假定任何形式缺陷的情况下，得到了两种形式的剪切带模式。在慢速加载条件下，端面约束较强的试样形成2条共轭型剪切带；端面约束较弱的试样，形成单一型剪切带。而在快速加载条件下，则没能形成明显可见的剪切带。通过研究剪切带及其附近土体单元的体积变形发现，即使是正常固结的黏土，在剪切带的局部化过程中也会出现一定程度的应变软化和体积膨胀现象，而靠近剪切带附近的单元则出现一定的卸载情况。同时指出，利用考虑柯西应力的转动张量影响的单元分叉条件，可以为土体的剪切带局部化分析提供大量有用的信息。     

粘性土剪切带与屈服应力的探讨

利用全自动三轴仪,对南京地区典型的粉土、粉质粘土试样进行了固结不排水剪试验,研究具有剪切带性状试样的孔隙水压力随偏应力的变化关系,分析屈服应力、孔隙水压力和土体分叉之间的关系.试验结果表明,孔隙水压力的峰值可以表征土体局部开始屈服,并出现应变局部化的状态.围压的增大会延迟土体分叉,而干密度较大时易出现剪切带.可用土体初始分叉点来确定土体的强度参数.     

上海粘性土剪切带形成的平面应变试验研究

采用可进行边界变形局部化量测的平面应变仪 ,对上海典型硬粘性土 ( 2层褐黄色粉质粘土、6层暗绿色粉质粘土 )进行平面应变不排水剪切试验 ,研究局部化变形的初始分叉点、剪切带倾角随固结应力 σ3 之间的变化规律 ,评价 Columb和 Roscoe理论对剪切带倾角的预估 ,初步研究了剪切带内的变形机理。     

基于室内试验与数值模拟的煤岩围压效应研究

为研究不同围压下煤岩的变形破坏特征,对0、8、16、25 MPa 4种不同围压下的煤岩采用MTS 815岩石力学实验和RFPA 2D数值模拟软件展开应力应变特征、强度特征、声发射特征等研究,旨在揭示不同围压作用下煤岩的围压效应。结果表明:围压对煤岩的变形破坏特征影响显著,随着围压的增大,煤岩最大抗压强度线性增大,煤岩逐渐由脆性破坏向延性破坏转变,破坏形态以单轴压缩下的压剪-劈裂破坏和三轴压缩下的剪切破坏为主;煤岩强度特征参数随围压增大而增大,弹性模量随围压增大呈非线性增大,围压越大,则塑性应变越大,残余应变增大;声发射现象在煤岩单轴压缩状态下十分强烈,但随着围压的升高,声发射现象、应变能释放等声发射特征参数均趋于稳定; RFPA可再现煤岩在不同围压下裂纹萌生、扩展至完全破坏的渐进破坏过程,模拟结果与室内试验耦合度较好,验证了数值模拟的可靠性。     

上海粘性土剪切带形成的平面应变试验研究

采用可行性边界变形局部化量测的平面应变仪，对上海典型硬粘性土（２层褐黄色粉质粘土、６层暗绿色粉质粘土）进行平面应变不排水剪切试验，研究局部化变形的初始分叉点，剪切带倾角随固结应力σ３之间的变化规律，评价Ｃｏｌｕｍｂ和Ｒｏｓｃｏｅ理论对剪切带倾角的预估，初步研究了剪切带内的变形机理。     

基于改进Harris函数的砂岩损伤本构模型研究

岩石损伤量在岩石损伤的过程中是个动态变化量,通过改进Harris函数,建立了在三维应力作用下岩石损伤本构模型,并通过砂岩的三轴试验确定了模型参数,定性分析了围压、临界损伤值、峰值应变三者间的关系。研究结果表明:①基于改进的Harris函数所建立的砂岩损伤本构模型曲线与实测曲线拟合较好,有良好的适用性;②同一种岩石在不同围压下,临界损伤值不是固定值,它从侧面反映出岩石自身的力学性能与岩石所处的三维应力状态有关;③围压增大,临界损伤值也相应地增大,证明围压对岩石的破坏有抑制作用。分析结果对研究三维应力状态下岩石的损伤破坏机理有一定借鉴意义。     

华山花岗岩力学特性及能量演化规律研究

为了研究华山花岗岩的强度、变形特征以及能量耗散规律, 采用MTS815岩石力学试验机开展了单轴压缩和常规三轴压缩试验。结果表明:华山花岗岩表现出明显的脆性特征, 在三轴条件下应力应变曲线的上凹现象相比于单轴变得不明显; 随着围压的增加, 花岗岩的弹性模量和峰值应变不断增大, 但增加的速度逐渐变慢; 花岗岩的扩容阈值与围压近似呈线性关系; 单轴压缩条件下, 岩石内部储存的弹性应变能峰值后几乎瞬间都转化为耗散能, 劈裂破坏特征明显, 而三轴压缩下, 岩样的耗散能占吸收能的比例随围压提高逐渐增大, 表现为整体剪切破坏; 三轴压缩下的吸收能、弹性应变能以及耗散能都远大于单轴压缩下的对应值, 并且随着围压的增大而增大; 岩石破坏时的吸收能、耗散能以及储能极限均与围压存在良好的线性关系。     

泥质白云岩干湿循环力学特性试验研究及其本构模型

水岩相互作用一直是研究的热点课题,水岩相互作用使岩石性质劣化,影响岩石的强度。以泥质白云岩为研究对象,进行了干湿循环作用后的单轴和三轴压缩试验,研究了不同循环作用下岩石的强度、变形等力学特性,并运用连续损伤力学和统计理论,推导出干湿循环作用下岩石的损伤统计本构模型。试验结果表明:泥质白云岩峰值强度随干湿循环次数增加而减小;泥质白云岩在单轴压缩试验中,岩石的总劣化度随干湿循环次数增大呈增大的趋势,而各阶段的劣化度和平均劣化度逐渐降低并趋于稳定;三轴压缩试验中,岩石的总劣化度随围压增加而总体呈现先减小再增加的趋势,较高次的循环对岩石的强度影响大于较高的围压作用对其影响;岩石的弹性模量随干湿循环次数的增大呈总体减小的趋势。通过对比理论曲线与试验曲线可知,本构模型能够较好地反映岩石三轴应力-应变关系,验证了该模型的合理性。     

基于塑性体积应变的梯度塑性理论研究

首先介绍了2种基本类型的梯度塑性理论以及两者间的差别,然后在材料的屈服函数中考虑硬化参数的梯度项,引入了梯度塑性理论的一般本构关系。考虑到岩石材料的特殊性,以塑性体积应变为内变量,在Drucker-Prager屈服模型中引入该内变量的梯度项,建立了岩石的一种内变量梯度塑性模型;在经典塑性理论基础上推导了塑性体积应变的表达式,得出了分析岩石应变局部化的增量本构关系。最后在平面应变状态下分析单向受力时岩石应变局部化状态,推导出了应变局部化带宽度的表达式,并且得出了带宽随局部化带参数变化而变化的结论。     

压-剪复合应力下非球形颗粒材料空心圆柱剪切试验的离散元模拟

采用离散元模拟平台PFC3D构建空心圆柱型数值试样,分析了压-剪复合应力条件下非球形颗粒材料数值试样的宏细观力学响应,重点探讨了颗粒形状和围压对数值试样初始变形模量、抗剪强度、剪切带倾角和组构各向异性演化的影响。结果表明:在保持大主应力方向角α=30°不变的单调剪切条件下,数值试样的初始变形模量能够反映实际砂土的压硬性规律,也即初始变形模量随着围压的增大而增大。数值试样的峰值内摩擦角随着颗粒长短轴比Se的增大而增大,且随着围压的增大而减小。数值试样的剪切带倾角在16°～25°范围内,且随着Se的增大,剪切带倾角越大。无论接触法向初始各向异性分布如何,随着剪切荷载的施加,接触法向各向异性的主方向均逐渐接近大主应力方向,也即试样发现明显的应力诱发各向异性,且在低围压下这一规律更为显著。     

考虑围压效应的块状节理岩体变形破坏数值模拟

节理岩体变形模量是深部岩体工程设计及稳定性分析的重要设计参数,开展围压对节理岩体变形特征及破坏形态的研究具有重要意义。采用离散元数值模拟与室内试验测试相结合的研究方法,开展不同围压条件下含两组预制节理的块状节理岩体三轴压缩变形破坏数值模拟研究,主要结论如下：（1）块状节理岩体的变形模量随着围压的增大而增大,当围压超过4 MPa时,变形模量的变化趋于平缓;（2）块状节理岩体的破坏模式分为两种：一是产生沿着已有节理面的滑动破坏;二是产生穿过整个岩体的剪切破坏,且随着围压的增大,块状节理岩体的破坏模式由节理滑动破坏向岩块剪切破坏转变;（3）对于1+2、2+3、3+5和5+7块状节理岩体模型,发生破坏模式转变的围压分别为0.5、1.0、4.0和4.0 MPa。     

基于统计损伤理论的德鲁克-普拉格岩石强度准则的修正

德鲁克-普拉格强度准则是目前岩石力学中广泛应用的岩石强度准则之一，其计算结果较为保守，与实际存在差距，为此本文深入探讨了其修正方法。研究方法是在前人岩石损伤软化统计本构模型研究的基础上，通过探讨不同围压条件下模型参数与围压的关系,对模型进行修正，然后，根据岩石屈服或破坏的概念，利用岩石变形软化全曲线的极值特性，采用多元函数求极值的方法建立岩石强度理论，从而对德鲁克-普拉格岩石强度准则进行修正。修正后的德鲁克-普拉格准则能反映体积应力、剪应力、中间主应力和最小主应力对岩石强度的影响，同时还可以反映岩石强度莫尔包络线的曲线特征，它与试验结果吻合良好。工程实例计算表明，该强度准则能更好地反映工程实际。     

尾矿粉土动力变形特性试验研究

采用GDS动三轴试验仪,对某尾矿坝的尾矿粉土筑坝料进行了动模量与阻尼比试验,研究了尾矿粉土的动应力-动应变特性,分析了围压和固结比对最大动剪切模量、动剪切模量比和阻尼比的影响,并基于沈珠江动力本构模型,提出了可以将固结比影响归一化的最大动剪切模量和模量衰减的修正公式。试验结果表明:随着围压和固结比增大,尾矿粉土的动弹性模量增大,阻尼比减小;随着动应变的增大,动剪切模量比逐渐减小,阻尼比变大;该修正公式可以将固结比和围压对最大动剪切模量和模量衰减的影响归一化,能较准确地反映尾矿粉土的动力变形特性。     

高含石量堆积体剪切特性研究

通过室内大型直剪试验和PFC颗粒流数值模拟方法研究了不同含石量堆积体的剪切特性。研究结果表明,含石量对堆积体的强度和变形特性具有控制作用,随着含石量的升高,堆积体剪应力-位移关系曲线由应变硬化型向应变软化型转变,即高含石量堆积体剪应力-位移曲线具有显著的应变软化特征,采用Weibull模型可以较好地拟合堆积体的剪应力-位移曲线。