砂岩结构面法向加卸载本构模型研究

鄂西志留系罗惹坪组砂岩结构面法向循环加卸载试验结果表明,在中低法向应力范围内,结构面加载变形曲线呈上凸型,卸载变形曲线呈上凹型,结构面卸载后产生残余变形,形成明显的回滞环。目前已提出的结构面法向变形本构方程都是在试验的基础上总结出的经验方程,因结构面的初始法向刚度和最大闭合变形量难以确定,使模型的计算精度受到一定的限制。因此,针对浅表工程岩体应力状态较低的特性,提出了结构面法向变形的半对数-圆弧线联合本构模型,加载曲线采用半对数模型表征,卸载曲线则采用圆弧线模型表征。其中,半对数函数的模型参数可根据加载试验结果回归分析得出,圆弧线模型方程则由本级加载曲线的起点、终点与卸载曲线的终点三点坐标确定。通过模型计算结果与试验结果对比分析表明,半对数-圆弧线模型计算结果与试验结果相吻合,较好地体现了结构面法向加载曲线为上凸型与卸载曲线为上凹型的特征,重现了卸载-加载过程的回滞圈。新的模型回避了最大闭合变形量和初始刚度的确定难题,并且不需引入新的模型参数,便于实际应用。     

岩石裂隙法向循环加载本构关系试验研究

法向变形对岩石裂隙渗流及应力波传播都有重要影响。在分析岩石裂隙法向变形机制的基础上,结合试验曲线循环滞后及其形状特点,探讨岩石裂隙在法向循环加载下的本构关系。试验得到粗晶及细晶大理岩裂隙岩样的15个循环加、卸载法向应力–闭合曲线。第一循环加载曲线与其他加、卸载曲线明显不同,其拟合曲线单独产生。平移其余加、卸载曲线使其低应力端点通过原点后,采用四参数双曲线–幂函数方程拟合所有曲线。加载累计闭合量和卸载残余闭合量与循环次数存在较好的指数函数关系,可确定循环加、卸载拟合曲线的2个端点;通过初次拟合得到加、卸载曲线幂函数项指数与循环次数的关系,再假定各加、卸载拟合曲线通过循环加、卸载拟合曲线的2个端点,获得幂函数系数的表达式;最后通过2次拟合,先后确定加、卸载曲线最大隙宽及初始刚度与循环次数的关系式。将各循环加、卸载曲线的3个参数拟合值代入双曲线–幂函数表达式,并平移各拟合曲线使其通过加卸载拟合曲线的2个端点,可得到拟合精度较好的连续拟合曲线。研究结果对循环加载下岩石裂隙法向闭合的数值模拟具有一定的实用价值。     

循环荷载作用下木材横纹力学特性与本构模型

木材循环受力特性与本构模型是木结构在地震、振动等反复荷载作用下受力分析的基础。试验中设计并加工了一种适用于木材横纹循环加载的狗骨状试件及其配套夹具,基于木材径向、弦向、偏轴60°三类共44个横纹试件的单调拉伸、单调压缩、循环受压、循环拉压试验,分析木材在不同循环加载条件下的变形特征、破坏模式、应力-应变全曲线性质与加卸载刚度变化规律。在此基础上,建立木材横纹循环应力-应变曲线中受压卸载残余应变、受拉卸载开始点应变、受拉卸载残余应变与受压卸载开始点应变的相关关系。研究结果表明：木材横纹循环受力过程中受压侧变形特征、破坏模式、骨架曲线与单调受压时相似,径向与偏轴60°试件的循环受压骨架曲线屈服点后的应变硬化特征明显,而弦向试件则表现出明显的应变软化特征;各类试件的卸载刚度、卸载后的反向加载刚度显著退化。进一步建立了木材横纹循环受力本构模型,并通过试验验证了其正确性,可用于木结构受循环荷载作用时的受力分析。     

含节理岩石试件的卸荷变形特性研究

 开展含节理岩石试件在主应力差卸载路径下的变形特性试验,试验发现：(1) 恒定s3减小s1卸载主应力差过程中,完整岩石卸载变形曲线与加载变形曲线基本重合,但节理试件加卸载变形曲线表现出较大差异,且卸载后试件轴向和环向均出现较大残余应变;(2) 按照2种不同路径卸载主应力差时,含节理试件变形特征存在很大差异。为从理论上研究含节理试件变形特征并解释上述试验现象,建立节理加卸载本构模型,并提出确定模型参数的方法。研究表明：用节理面加载与卸载变形特征的差异,从理论和试验结果两方面能很好地解释含节理岩石试件加卸载变形特性的差异以及在不同卸荷应力路径下的变形差异。研究成果可以反映含单组节理岩体的加卸载变形特性。     

法向循环加卸载条件下节理力学特征研究

将节理法向循环加卸载试验所得的法向应力–闭合量曲线分别采用半对数、双曲线本构方程进行拟合,得到2种类型节理法向刚度表达式,并将其引入持续屈服节理模型中,同时编写节理法向循环加卸载程序,首次实现节理非线性本构循环加卸载数值模拟分析。研究结果表明:建立的节理法向非线性本构循环加卸载数值试验方法行之有效;由双曲线方程得到的节理法向刚度值较由半对数方程得到的法向刚度值略有不同,但2种方法得到的节理法向应力–闭合量曲线数值模拟结果均与室内试验十分接近,均可有效表征节理法向循环加卸载力学特征。研究成果可为后续节理岩体动力学性质研究,边坡动力响应分析以及边坡稳定性、安全性评价等奠定基础。     

构皮滩软岩流变模型原位载荷蠕变试验研究

针对构皮滩水电站破碎页岩进行2点原位刚性承压板载荷蠕变试验,采用1级循环加载方式,试验压力为工程应力水平,试验历时1686,2299 h。试验揭示了该软岩如下蠕变特性:在工程应力下,岩体经历起始阶段减速蠕变和682,910 h较长时间的等速蠕变后,蠕变速率趋于零,总体呈衰减蠕变,并不发生塑性流动;卸荷后,经历瞬时回弹、弹性后效,存在较大的残余变形,残余变形大于总变形的50%。提出一种加载呈弹性、卸载不回弹的单向弹簧元件[HI]描述残余变形,将其与广义Kelvin模型串联组成变异广义Kelvin模型,该模型结构简单,可综合描述软岩加载呈衰减蠕变、卸载存在较大残余变形的蠕变特性。视岩体体积变形为弹性、畸变遵循变异广义Kelvin模型,基于相应性原理推导了岩体表面蠕变方程,以岩体蠕变方程拟合试验蠕变曲线,得到了模型参数。     

基于循环加卸载的次加载面模型在岩石中的初步应用EI北大核心CSCD

为模拟岩体工程在循环荷载作用下的变形特性及相应的稳定性,简要地介绍了次加载面的基本思想。为考虑岩石在三轴压缩状态下和在三轴拉伸状态下不同的强度特性,即应力角效应,在传统的Drucker-Prager屈服准则中引入一种角隅模型,从而形成了修正的Drucker-Prager屈服准则,基于该屈服准则,结合次加载面,提出适用于岩石循环加卸载的次加载面模型。通过参数敏感性分析,发现模型中参数u,C和χ的取值对反映岩石曼辛效应、棘轮效应的影响很大;为验证该模型的适用性和正确性,通过自编程序的数值模拟与岩石模型材料和玄武岩的循环荷载试验结果进行对比,结果表明该模型可以很好地描述岩石的动力变形特性,说明基于循环加卸载的次加载面模型可以运用到岩石中。     

基于循环加卸载的次加载面模型在岩石中的初步应用

为模拟岩体工程在循环荷载作用下的变形特性及相应的稳定性,简要地介绍了次加载面的基本思想。为考虑岩石在三轴压缩状态下和在三轴拉伸状态下不同的强度特性,即应力角效应,在传统的Drucker-Prager屈服准则中引入一种角隅模型,从而形成了修正的Drucker-Prager屈服准则,基于该屈服准则,结合次加载面,提出适用于岩石循环加卸载的次加载面模型。通过参数敏感性分析,发现模型中参数u,C和χ的取值对反映岩石曼辛效应、棘轮效应的影响很大;为验证该模型的适用性和正确性,通过自编程序的数值模拟与岩石模型材料和玄武岩的循环荷载试验结果进行对比,结果表明该模型可以很好地描述岩石的动力变形特性,说明基于循环加卸载的次加载面模型可以运用到岩石中。     

破裂岩石力学模型探讨

岩体是被地质构造弱面切割的地质体,它的特征是不连续、不均质和各向异性。用完整岩石试件在常规压力机上所获得的试验结果,不能很好地代表岩体的工程性质。但是,利用刚性很大的压力机对完整及破裂岩石作试验所获得的应力-应变全过程的后部份,以及循环加载-卸载曲线,在力学性质及破裂发展过程等方面,都与工程岩体十分相似。本文根据作者对多种岩石获得的应力-应变全图及循环加载-卸载试验结果,提出两种变参数单元模型,即变弹性模量的虎克体和变屈服极限的圣维南体,并由此而组成四种模拟破裂岩石的力学模型,导出相应的本构方程。根据岩石应力-应变全过程的试验结果,可以求出本构方程中的有关参数。通过模型与试验结果的对比,证明了模型的可用性,为今后讨论破裂岩体的稳定性及其支护分析提供了参考模型。     

岩石疲劳应力等效化及非线性疲劳变形本构模型

传统的岩石疲劳本构模型对循环加卸载次数敏感性方面存在明显不足,无法准确描述残余变形与疲劳损伤进程的关系。在蠕变与疲劳试验基础上,通过对岩石蠕变和疲劳的时间(循环次数)与变形归一化,分析验证了两者间存在某种"同源性"。运用流变理论描述疲劳荷载下岩石变形全过程,基于等寿命Gerber曲线方程与Goodman直线方程,提出了通过疲劳寿命与应力关系的方式,定义了一种新的疲劳应力等效方法。用村山黏弹塑性体替换Kelvin黏弹性体,并加入开关函数和岩石完整度参数对Bingham黏塑性体进行改造,建立了一种新的7参数岩石非线性疲劳变形本构模型。该模型能较好地表征疲劳荷载下岩石减速、等速和加速疲劳变形的全过程,其加速疲劳变形段的完整度参数随着循环次数N增加而减小,能够体现疲劳损伤对加卸载次数因素的敏感性。     

不同频率载荷作用下的岩石节理本构模型

用Instron1342材料试验机对表面含二、三、四锯齿状人工节理试样进行4种不同频率载荷下的动态压缩试验。通过对试验结果的分析,获得加载频率和表面形态对节理闭合变形性质的影响规律。通过5种常用函数方程对节理动态压缩试验数据的拟合,发现用幂函数模型来描述人工节理动态压缩闭合变形性质较好。根据试验数据,得出模型参数与载荷频率之间的关系,从而建立考虑率效应的节理本构模型,并进行试验验证。     

不同复合比下不锈钢复合钢材循环本构模型研究#br#

为研究不同复合比下不锈钢复合钢材在地震循环往复荷载作用下的力学特性,开展23个3+3mm厚316L+Q235B不锈钢复合钢材试件的单调拉、压和15种不同循环加载制度下的试验。根据试验结果,分析该类复合钢材的单调性能、滞回性能以及宏观和微观破坏形态;基于Ramberg-Osgood三参数模型拟合循环骨架曲线,并讨论其与单调荷载下的力学性能区别;基于Chaboche模型标定该不锈钢复合钢材的本构模型参数,并采用数值模型对其他循环加载制度下的力学响应进行模拟;最后与3+5mm厚316L+Q235B不锈钢复合钢材在循环骨架曲线、循环本构关系及滞回曲线方面进行对比,分析复合比的影响。试验结果与分析表明：该种复合比的不锈钢复合钢材在循环荷载下仍表现出明显的循环强化作用和混合强化（等向强化和随动强化）特征;滞回曲线饱满;随着循环周次的增加,卸载刚度和再加载曲线的初始刚度出现明显退化;Ramberg-Osgood模型可以较好地对其循环骨架曲线进行拟合;文章提出的循环本构模型能够准确模拟该复合比不锈钢复合钢材循环往复荷载作用下的力学响应;该复合钢材与3+5mm厚316L+Q235B不锈钢复合钢材在循环荷载下的具体力学指标存在明显区别。研究成果为提出双金属复合钢材的统一循环本构模型提供重要基础。     

脆性岩石单轴循环加卸载试验及断裂损伤力学特性研究

 以向家坝砂岩单轴循环加卸载室内力学试验结果为基础,结合岩石内部微裂纹的细观力学分析,对脆性岩石单轴循环加卸载的应力–应变曲线特征、峰值强度及断裂损伤力学特性等进行研究。给出一种根据应力–应变曲线计算损伤变量的方法,损伤变量计算结果和声发射测试数据变化规律较为一致。试验结果表明,砂岩的循环加卸载强度要比单轴压缩强度要小很多,对于脆性岩石单轴循环加卸载的峰值强度来说,受到多种因素的影响。弹性常数计算结果表明,循环加卸载过程中泊松比逐渐增大,而弹性模量在第一次循环加卸载增大之后则缓慢减小。脆性岩石循环加卸载过程中,岩石损伤在逐渐累积,在微裂纹进入不稳定扩展阶段,岩石损伤会迅速增大,岩石宏观力学特性取决于内部微裂纹的细观力学响应。     

循环荷载作用下石膏质岩的疲劳特性试验研究

 利用MTS 815岩石力学测试系统、声发射系统、环境扫描电镜开展石膏质岩循环荷载作用下的疲劳试验,探讨循环荷载条件对其疲劳损伤特性的影响。结果表明：石膏质岩循环荷载作用下的疲劳损伤特征明显,塑性特性显著。其疲劳试验的应力–应变全过程曲线具有如下形状特征：加载曲线可分为“近线性”的弹性特征段和“呈压扁状”的塑性特征段,塑性特征段滞后效应明显,卸载曲线呈现近线性特征。循环荷载条件对石膏质岩疲劳损伤特性影响显著,疲劳试验过程的声发射信息演化规律及微观结构变化特征能够较好地揭示其疲劳损伤演化过程及宏观破裂特征：循环应力水平高、上限应力大、加载频率低,疲劳试验的应力–应变全过程曲线越饱满疏松、加卸载的滞回环面积越大,声发射信息越强烈而集中、声发射率指标越高,试样的疲劳损伤速率快,每次循环产生的塑性应变量大,微观结构越破碎,试样的疲劳寿命越短。     

考虑阻尼修正的Pyke滞回模型研究

阻尼比反映了土体滞回耗能的特性,是土的重要动力特性参数。土的滞回本构模型能同时真实反映土的动剪模量衰减和阻尼比非线性变化特性,是保证场地及土–结构体系动力响应分析精确度的关键。针对经典的Pyke滞回本构模型,基于文献实测的动剪模量曲线和阻尼比曲线,研究了其对土体阻尼比的预测精确度,发现Pyke模型在大应变幅值时将显著高估土的阻尼比。针对此缺陷,结合前人提出的基于阻尼的滞回曲线方程和Pyke模型加卸载准则,提出了考虑阻尼修正的D-Pyke滞回模型。该模型假设双曲线形滞回曲线的饱满程度由形状系数确定,而后者则由当前加载曲线的滞回应变幅值所对应的实测阻尼比确定。滞回曲线的应变幅值与应力幅值之间通过骨架曲线相互关联,而应力幅值则由Pyke所建议的加卸载准则确定。通过针对粉质黏土的循环单剪试验结果,验证了D-Pyke模型相比于Pyke模型能够更为合理地同时模拟土的非线性动剪模量和阻尼比特性。模型同时继承了Pyke模型能更好地模拟土的循环加载棘轮效应、加卸载准则简单的优点,可为随机动力荷载作用下土体响应问题分析提供合理的本构行为模拟。     

Cyclic response and modeling of saturated silty clay due to fluctuations in reservoir water level of the Three Gorges Dam,China

The deformation characteristics of soil obtained from landslides at the Three Gorges Dam Reservoir have been examined. Due to the annual fluctuation in the water level of the reservoir, landslides around the Three Gorges Dam Reservoir are subjected to cyclic loading. Laboratory triaxial tests have been carried out on silty clay specimens subjected to cyclic changes in pore water pressure. The test results indicate that when the soil is subjected to repeated unloading–reloading with constant deviatoric stress in an overconsolidated state, the silty clay material shows inelastic deformation with the accumulation of irrecoverable strain. To capture this behavior, a constitutive model has been developed to simulate the deformation induced by changes in pore water pressure. This model is based on a modification of Yao et al. (2009)’s model to include the effect of cyclic loading. The model has been used to calculate the shear strain during cyclic loading and for a comparison with the laboratory test results. It has been shown that the proposed model is capable of capturing the deformation response of landslide soil subjected to changes in pore water pressure caused by the fluctuating water level of the reservoir.     

高围压下岩石卸荷的扩容性质及其本构模型研究

通过岩石试样高围压下的卸荷试验,研究卸荷条件下岩石的扩容性质。研究结果表明:初始扩容点即最大压缩体应变对应的变形模量可作为弹性阶段的弹性模量。根据试验研究,将岩石卸荷试验应力–应变全过程曲线分为弹性、应力屈服、峰后脆性及残余理想塑性4个阶段,并根据各阶段特征得到相应段的本构方程,最后得到卸荷岩体全过程的本构模型。用数据拟合的方法,得到不同卸荷试验下模型曲线,并验证模型曲线可以较好地模拟卸荷的应力–应变曲线。     

Constitutive model for monotonic and cyclic responses of loosely cemented sand formations

This paper presents a model to simulate the monotonic and cyclic behaviours of weakly cemented sands. An elastoplastic constitutive model within the framework of bounding surface plasticity theory is adopted to predict the mechanical behaviour of soft sandstone under monotonic and cyclic loadings. In this model, the loading surface always passes through the current stress state regardless of the type of loading. Destruction of the cementation bonds by plastic deformation in the model is considered as the primary mechanism responsible for the mechanical degradation of loosely cemented sands/weak rock. To model cyclic response, the unloading plastic and elastic moduli are formulated based on the loading/reloading plastic and elastic moduli. The proposed model was implemented in FLAC2D and evaluated against laboratory triaxial tests under monotonic and cyclic loadings, and the model results agreed well with the experimental observations. For cyclic tests, hysteresis loops are captured with reasonable accuracy.     

考虑多尺度结构的贯通节理岩体损伤摩擦耦合模型

基于贯通节理岩体结构的多尺度特征,采用两步均匀化方法,给出了节理岩体在复杂荷载作用下的自由焓表达式,建立了节理岩体损伤摩擦耦合本构模型。模型可同时考虑岩块损伤扩展、微裂纹滑移剪胀、法向刚度恢复,节理面多阶凸起体滑移磨损、剪胀演化以及节理与岩块相互作用等特征,较好地反映岩体内部微裂纹、节理等不同尺度微结构变化对其力学特性的影响。采用Lac du Bonnet花岗岩三轴压缩试验、花岗岩节理剪切试验以及不同节理倾角与不同围压下Martinsburg板岩三轴压缩强度试验等成果对模型进行了验证,模型预测值与实测值相当吻合,论证了模型的准确性。