冻土二元介质模型探讨——以-6℃冻结粉土为例

二元介质模型已成功用于模拟未冻结岩土材料,比如岩石、均质或各向异性结构性土、超固结黏土、堆石料以及黄土。类似地,为了探讨冻土的应力应变关系,此处引入二元介质模型来模拟其应力应变关系。基于岩土破损力学理论框架和二元介质模型概念,将饱和冻结粉土抽象成具有强胶结特性的胶结元(冻土骨架)和无胶结特性的摩擦元(融土骨架),胶结元在一定围压下会产生压碎和压融现象,随围压的增大逐步破损并向摩擦元转化,二者共同承担外荷载。在-6℃和0.3~15.0 MPa围压下对冻结粉土进行了一系列低温三轴压缩试验,结果表明:随变形的增大,应力应变曲线均呈三阶段变化,分别是线弹性阶段、弹塑性阶段和应变软化阶段;强度随围压的增大呈先增大后减小的趋势,极限强度对应下的围压称为临界围压,且临界围压下的软化现象最不明显。通过细观角度运用二元介质模型概念探讨了冻土变形破损机理,在非均质材料均匀化理论基础上建立了冻土二元介质模型,讨论了破损率函数演化规律。理论与试验结果对比表明,所建立的模型可以较好地模拟冻土的应变硬化和软化现象。     

岩土材料破损过程的细观数值模拟

探究岩士材料破损机制必须考虑其非均质性。岩土破损力学将岩土材料抽象成由胶结元和摩擦元组成的二元结构体，在细观尺度上分别把胶结元看成理想弹脆性的和把摩擦元看成理想弹塑性的材料，通过受荷过程中胶结元破损并逐渐向摩擦元转化来模拟岩土材料的破损过程，最后给出平面应变单轴受压应力状态下的数值算例。数值算例结果表明，基于岩土二元介质概念的细观有限元方法可较好地模拟岩土材料的破损过程和变形特性。     

岩土破损力学:理想脆弹塑性模型

岩土破损力学把结构性岩土材料抽象成由胶结强的胶结块和无胶结的软弱带组成的二元结构体 ,变形过程中胶结块逐步破损并向软弱带转化。从不均质材料的均匀化理论出发推导了破损参数的演化规律 ,并通过一种理想脆弹塑性模型合理地描述了岩土材料在低围压下软化和高围压下硬化的典型力学行为     

裂隙性黄土的双参数二元介质模型

裂隙性黄土可以看成是由胶结块和软弱带组成的非均质土,其变形破坏过程是土中胶结块和软弱带的变形、破损和连通过程。基于岩土破损力学理论建立了裂隙性黄土的双参数二元介质模型,并用三轴剪切试验结果进行了对比,结果显示该模型能计算模拟裂隙性黄土的不同变形阶段,并能反映裂隙性黄土的脆性破损和应变软化现象,说明岩土破损力学理论对裂隙性黄土具有较好的适应性。     

基于修正Mohr-Coulomb屈服准则的冻结砂土损伤本构模型

为了探讨冻土的强度和变形特性以及反映低围压下的应变软化和高围压下的应变硬化现象,建立不同围压影响下的冻结砂土损伤本构模型,其能合理解释冻土内部微裂隙向宏观破碎带转化过程。通过引入修正Mohr-Coulomb屈服准则来描述冻土微元强度破坏准则,利用冻土内部微缺陷分布的离散性和随机性特点,假设微元强度服从Weibull随机分布,并根据统计学和连续损伤力学理论建立能反映冻土破损全过程的损伤本构模型。通过低温三轴试验数据确定模型参数值,讨论Weibull分布参数n和F_0的物理意义,并修正分布参数随围压的变化规律;讨论并分析冻结砂土的黏聚力c、内摩擦角φ和损伤变量D随围压变化的演化规律。最后将模型预测结果与试验值进行对比,表明该模型能够较好地模拟冻结砂土应力–应变全过程曲线,并能反映随围压的增大曲线由应变软化逐渐向应变硬化过渡的现象;同时模拟了体积变形曲线,并能反映随围压的增大体变曲线由剪胀向剪缩转变特性。     

围压对胶结碎石土应力-应变关系的影响

文章为研究围压对胶结碎石土应力-应变关系和初始切线模量的影响,对胶结碎石土进行了最大围压为10 MPa的三轴压缩试验。试验结果表明:胶结碎石土在低围压下呈脆性破坏,在高围压下呈塑性破坏;随围压的增大,应力-应变曲线由应变软化型向应变硬化型转变,存在一界限围压;初始切线模量随围压的增大而增大,与围压成幂函数关系。     

岩土材料破损特性的颗粒流研究

基于颗粒流理论,利用颗粒接触胶结本构模型,建立结构性岩土材料的颗粒流模型。通过颗粒流数值模拟试验,对结构性岩土材料破损的细观机理作了初步的研究。试验中采用胶结在一起的小圆盘去代替一个可破碎颗粒,再在可破碎颗粒之间施加适当的胶结,形成结构性岩土材料试样。在试验过程中通过记录胶结破损的数目和空间位置,就可以直观反映结构性岩土材料破损特性。试验表明试样在低围压下压缩试验中应力应变曲线表现为软化型,伴随剪切带的形成,有必要区分体积破损率和面积破损率。试样在高围压下压缩试验应力应变曲线表现为硬化型,没有明显的剪切带形成,表现为体积破损。分析表明颗粒流方法是研究岩土材料破损特性的一个有力工具。     

不排水条件下轴向加卸载时结构性土的力学特性探讨

 为研究结构性土在不排水条件下的力学特性,开展固结不排水条件下初始应力各向异性结构性土、各向同性结构性土及重塑土在25,50,100,200及400 kPa共5种围压下的三轴加卸载试验,并利用二元介质概念对试验现象进行了分析。结果表明：结构性土在固结应力较低时结构性保持较好,存在明显的结构屈服强度,不同应力循环中平均模量无明显变化;固结应力较高时结构性减弱,表现为与重塑土相似的特性,受结构性减弱及正孔压等因素影响,平均模量随εa增加而减小;结构性土胶结元破损率与摩擦元中土颗粒间距随轴向应变增加而增大,卸载时体缩趋于明显。     

岩土材料的脆性研究

对岩土材料的脆性破坏过程进行正确描述是很困难的。目前,有关脆性的定义和度量还没有统一的说法,脆性既是变形特性又是材料特性。首先对岩土材料的脆性进行了讨论,然后在总结脆性度量方法的基础上建议了一个可以描述材料脆性变化的脆性指数,并验证了这一指数可以较好地描述岩土材料在受荷时的脆性变化,最后应用二元介质模型,对岩土材料在受荷过程中的应力应变特征进行了模拟。模拟结果表明:这一模型可以模拟低围压下的应变软化到高围压下的应变硬化现象,并且脆性指数随着围压的增大而逐渐减小。     

岩土二元介质模型的一般应力应变关系

本文把岩土材料看作由胶结块和软弱包组成的二元介质,并假定胶结块为弹脆性元,软弱包为硬化型弹塑性元,在非均质材料均匀化理论的基础上,推导了增量型的一般应力应变关系。模型中包含弹脆性元的破损参数和应力集中系数两组结构参数,其演化规律可以通过先假设后验证的办法确定。文末通过结构性粘土和砂岩岩样两个算例,说明以上模型具有广泛适应性。     

冻结改良黄土三轴强度和变形特性试验研究

通过对-6℃的冻结黄土及冻结改良黄土在1~15 MPa的围压范围内进行一系列的三轴试验,分析其变形和三轴强度特性。研究发现:随着围压的增大,冻土的应力-应变曲线相继体现出应变软化和应变硬化特征,初始切线模量随围压的增大呈现出先增大后减小的趋势;冻结黄土和冻结改良黄土的三轴强度随围压的增大表现出先增大后减小的趋势,改良后冻结黄土的强度得到明显的提高,且水泥比石灰的改良效果更为显著。基于莫尔-库仑强度准则,得到冻结黄土和冻结改良黄土的广义黏聚力和广义内摩擦角随围压的变化规律。同时,建立非线性莫尔-库仑强度准则,用以描述冻结黄土及冻结改良黄土的强度随围压非线性变化的现象。     

砂岩力学特性及其改进Duncan-Chang模型

 为了研究砂岩的力学特性,对砂岩试件开展了不同围压下的常规三轴压缩试验。试验结果显示,随围压增加,砂岩峰值应力、峰值点应变及残余强度均逐渐增大;当围压低于15 MPa时,砂岩弹性模量随围压增加也逐渐增大,但增大幅度逐渐降低;当围压在15 MPa以上时,其弹性模量则与围压无关。为了描述砂岩破坏过程的应力–应变响应,提出一种改进的Duncan-Chang模型,并根据岩石应力–应变曲线峰值点处斜率为0的特点给出模型参数的确定方法。利用砂岩三轴压缩试验结果对模型合理性进行验证。预测曲线和试验结果对比显示,该模型能够准确描述砂岩应变软化特性和不同围压下砂岩破坏过程中除初始压密阶段以外的其余4个阶段,特别是能够反映砂岩破坏后的残余强度。对模型特性的进一步分析表明,除应变软化特性外,该模型还可模拟岩石在高围压下的应变硬化行为,具有较强的适应性。     

裂隙黄土的单参数二元介质模型

为了研究裂隙黄土的结构和变形特性,在岩土破损力学理论框架基础上,把裂隙黄土视作由胶结块和软弱带组合而成的二元介质,将二元介质模型运用于裂隙黄土的研究。通过模型计算分析,得到裂隙黄土的单参数应力应变关系,并将其与三轴试验结果进行了对比分析。结果表明,将岩土材料二元介质模型应用于裂隙黄土特性的研究具有较好的适应性。更多还原     

不同胶结砂土力学特性及胶结破坏的离散元模拟

采用离散元法研究不同胶结砂土的宏观力学特性以及微观胶结破坏,其中一种胶结砂土胶结特性由离散元商业软件PFC2D中的胶结接触模型(Contact bond model)进行控制,另一种则采用蒋明镜等提出的无厚度改进胶结接触模型(改进的蒋氏模型)控制.首先,将改进的蒋氏模型引入PFC2D;其次,使用PFC2D对不同胶结强度和不同围压下的上述两种胶结砂土进行双轴压缩试验模拟,对比分析了两种不同胶结砂土的模拟结果.结果表明蒋氏试样(胶结特性由改进的蒋氏模型控制)应变软化和体积剪胀显著,峰值内摩擦角基本随胶结强度增大而增大;而PFC试样(胶结特性由Contact bond model控制)在高胶结强度时应变软化和体积剪胀性比较显著,低胶结强度时表现为应变硬化和体积剪缩,峰值内摩擦角随胶结强度增加而减小.离散元模拟结果在一定程度上与已有室内实测结果相符,蒋氏试样更能反映胶结砂土的主要力学特性.由胶结破坏微观信息统计可知,蒋氏试样中胶结点受拉破坏率远大于受剪破坏率,而PFC试样中两者相当,且蒋氏试样中的总胶结点破坏速率峰值要大于PFC试样.通过对改进的蒋氏模型参数分析可知,低围压条件下,试样宏观力学特性与胶结破坏形式对切向胶结强度与法向胶结强度的比值较为敏感.     

3种胶结岩土材料本构模型中破损规律的离散元验证

采用离散元法（DEM）对胶结岩土材料本构模型中的破损规律进行验证。首先,根据胶结颗粒间胶结特性,建立适用于胶结颗粒的微观理论;其次,基于该微观理论,给出3种经典胶结岩土材料本构模型破损参数的微观解释;最后,对数值试样进行等向压缩、等应力比压缩及双轴压缩试验的离散元数值模拟,并对比验证数值试样破损规律的模拟结果与本构模型的预测结果。结果表明：采用DEM对胶结岩土材料本构模型的破损规律进行验证是可行的。3种加载条件下,扰动状态模型假定的破损规律同模拟结果均较为一致;Nova模型在双轴压缩试验条件下的预测结果同模拟结果存在很大差异;而上负荷面剑桥模型假设的破损参数则不能很好描述上述加载条件下数值试样的破损规律。     

结构性砂土力学特性三维离散元分析

利用离散元法对结构性砂土的三轴试验进行了三维数值模拟并对其宏观特性进行了分析。首先将考虑胶结尺寸(宽度和厚度)的三维胶结接触模型导入离散元软件PFC3D中,对结构性砂土数值试样进行三轴试验数值模拟;然后对比分析离散元模拟与室内试验结果;最后从宏观力学角度对试验结果进行了分析。离散元模拟结果表明:结构性砂土与无胶结松散砂土表现不同,其在低围压时表现出应变软化和体积剪胀特征,并随胶结含量的增加或围压的减少而愈发显著,在高围压时则呈应变硬化和体积剪缩现象;低平均应力时,随胶结含量的增加,试样峰值内摩擦角、黏聚力以及内摩擦角均增加,其中黏聚力增加较为明显,随着平均应力的增加,峰值强度包线逐渐趋向于无胶结土。     

冻结砂土的应力-应变关系及非线性莫尔强度准则

对于-6℃的冻结砂土进行一系列的试验,结果表明,当围压小于3.0MPa时,其应力–应变关系具有明显的应变软化现象;当围压大于3.0MPa时,其应力–应变关系则具有明显的应变硬化现象。针对广义的双曲线模型并不能很好地描述-6℃冻结砂土在围压大于3.0MPa时的应力–应变关系,邓肯–张模型也不能理想地反映围压小于3.0MPa时-6℃冻结砂土的应变软化特性,提出既能描述应变软化现象又能描述应变硬化现象的改进的邓肯–张模型。研究表明,其结果和试验结果吻合良好。由于压融现象的存在,当围压大于一定值后,冻结砂土的剪切强度随围压的增大而减小。如果用莫尔–库仑准则来描述冻结砂土的剪切强度,会产生较大的误差。为解决这一问题,提出非线性莫尔强度准则。研究结果表明,其精度较高,比莫尔–库仑强度准则能更好地描述冻结砂土的剪切强度。     

冻结砂土的应力–应变关系及非线性莫尔强度准则

对于－6 ℃的冻结砂土进行一系列的试验，结果表明，当围压小于3.0 MPa时，其应力–应变关系具有明显的应变软化现象；当围压大于3.0 MPa时，其应力–应变关系则具有明显的应变硬化现象。针对广义的双曲线模型并不能很好地描述－6 ℃冻结砂土在围压大于3.0 MPa时的应力–应变关系，邓肯–张模型也不能理想地反映围压小于3.0 MPa时－6 ℃冻结砂土的应变软化特性，提出既能描述应变软化现象又能描述应变硬化现象的改进的邓肯–张模型。研究表明，其结果和试验结果吻合良好。由于压融现象的存在，当围压大于一定值后，冻结砂土的剪切强度随围压的增大而减小。如果用莫尔–库仑准则来描述冻结砂土的剪切强度，会产生较大的误差。为解决这一问题，提出非线性莫尔强度准则。研究结果表明，其精度较高，比莫尔–库仑强度准则能更好地描述冻结砂土的剪切强度。     

粉质黏土冻土三轴强度及本构模型研究

通过对南京典型粉质黏土10℃冻土在不同围压、固结方式、应力路径条件下的三轴试验,分析不同因素对三轴强度影响,结果表明：最大轴向偏应力随围压增大而线性增大,且重塑粉质黏土冻土的最大轴向偏应力随围压的增大速度大于原状粉质黏土冻土的增大速度;固结方式对内摩擦角影响较大,对黏聚力影响不大,先等压排水固结再冻结试样强度会大幅度提高;强度和弹性模量受应力路径影响,其中常规加载应力路径强度及弹性模量要大于卸载应力路径强度及弹性模量;基于Duncan-Chang模型建立考虑围压影响的冻结粉质黏土本构模型,参数a、b与围压呈负相关,获得原状粉质黏土以及先等压排水固结再冻结、先等压不排水固结再冻结和先冻结后固结重塑粉质黏土的破坏比均值分别为0.87、0.89、0.93和0.87。     

考虑围压影响的深埋圆隧围岩应变软化与剪胀特性分析

 不同围压下岩石应变软化与剪胀特性不同,若在隧洞开挖中考虑围岩塑性区域内变化围压影响,其应力–应变场求解方式将区别于既有文献中的传统方法。根据围压影响下应变软化围岩的临界塑性剪切应变变化特征,给出改进的判断围岩是否进入塑性残余区域的规则;引入考虑围压与临界塑性剪切应变的非线性剪胀模型。基于Hoek-Brown屈服准则,根据一定径向应力增量将围岩塑性软化与残余区域分层,采用有限差分法对围岩应力–应变场进行求解;为分析围压对围岩稳定性的影响,根据临界塑性剪切应变与剪胀系数变化与否,设定4种非线性力学模型,深入分析并比较4种力学模型下临界塑性剪切应变、剪胀系数与围岩变形等在塑性软化与残余区域的分布规律。研究结果表明：地质强度指标GSI较小时,考虑围压影响下的围岩应力–应变场与未考虑时差异明显;此时临界塑性剪切应变的减小对开挖边界的围岩剪胀性具一定抑制作用。