考虑颗粒破碎的粗粒土临界状态弹塑性本构模型

研究了颗粒破碎对硬化准则和剪胀性的影响,提出了修正后的硬化准则和剪胀方程,并基于有效塑性功的概念,建立了考虑颗粒破碎的粗粒土临界状态弹塑性本构模型。将所提出的模型与未考虑颗粒破碎的模型用于不同围压下粗粒土室内大三轴试验的数值模拟,对比分析表明:模型计算结果与试验实测结果更为一致,能较好地描述低围压和相对中高围压下的强度和变形特性,得出颗粒破碎导致粗粒土强度降低,压缩变形增大,并利用离散单元法模拟一维压缩颗粒破碎试验对该结论进行了验证。     

基于细观数值试验的非饱和土石混合体力学特性研究

 从土石混合体细观结构出发,融合细观结构模型生成技术、主–从接触面模型及非饱和土渗流与强度理论,建立非饱和土石混合体的细观数值模拟方法。通过与非饱和土石混合体室内试验结果进行对比,验证所建立的细观数值模拟方法的可行性和合理性。利用该细观模拟方法,分析土–石界面接触特性、含石量及饱和度等因素对非饱和土石混合体力学特性与破坏机制的影响。结果表明：(1) 非饱和土石混合体在低围压下表现出明显的剪胀性,且受含石量和饱和度影响显著;在较高围压下基本上表现为剪缩变形,随含石量的增大其剪缩变形减小,饱和度对剪缩性的影响较小。(2) 土石混合体的峰值强度和变形模量随土–石界面摩擦因数的增大呈非线性增长,在界面摩擦因数大于0.6以后,两者基本趋于稳定值。(3) 含石量越大,非饱和土石混合体的峰值强度和变形模量越大,应变硬化特征更为显著,在含石量增加到58%后峰值强度和变形模量趋于稳定值。在低围压下剪胀变形随含石量的增加而增大;在较高围压时,剪缩变形随含石量的增大而减小。(4) 饱和度越大,基质吸力越小,非饱和土石混合体的峰值强度越低,但变形模量变化不大。     

基于随机散粒体模型的堆石体真三轴数值试验研究

基于三维变形体离散单元法,模拟堆石体的真三轴试验,研究堆石体在三向不等应力状态下的强度和变形特性。真三轴数值试验装置采用六刚性板加荷方式,等中主应力比路径加载。数值试验结果表明：真三轴数值试验能较好反映堆石体在三向不等应力状态下的应力和变形规律,数值模拟得到宏观应力变形特性与试验规律相似;等中主应力比参数的大小对堆石在三向应力状态下应力和强度特性有显著的影响,堆石体在 3 个加载方向的变形也随该参数的变化而变化,应力比参数从 0 到 1 变化过程中中主应变方向先压缩后膨胀,小主应变方向一直处于压缩状态;堆石体的内摩擦角随着值的增加而增大,基本符合 Lade-Duncan 破坏准则;在细观层面上,围压越高,值越大,颗粒配位数越大; 加载过程中,颗粒接触法向和法向接触力各向异性程度加强,各向异性主方向角由水平向转向大主应变方向,试样各向异性系数的演化规律和试样的宏观应力变形曲线相对应,试样的宏观力学特性与细观组构存在内在的关联。     

颗粒形状及粒间摩擦角对堆石体宏观力学行为的影响

基于三维变形体离散单元法对堆石体进行细观研究,采用随机模拟技术生成堆石体三维数值试样,模拟其常规三轴剪切试验,研究堆石体颗粒形状及粒间摩擦系数对宏观力学性能的影响,揭示其细观组构和细观力学参数与堆石体宏观特性的关联性,建立细观力学参数与宏观力学参数的相关关系。数值模拟结果表明：颗粒形状对堆石体宏观特性影响明显,颗粒的长短径比越大,数值试样的峰值强度和残余强度均明显增大,峰值强度对应的轴向应变也逐渐增大,而数值试样的初始模量有所减小;在细观层面上,颗粒的长短径比越大,颗粒的接触法向向加载方向倾斜越明显,接触法向的各向异性程度越大;粒间摩擦角对堆石体宏观特性的影响显著,随着粒间摩擦角的增大,峰值强度明显增大和初始模量均明显增大,数值试样在剪切时的体积收缩量也有所增大,反映了堆石颗粒间的相互作用对颗粒体骨架的宏观力学行为的影响。     

中主应力对散粒体材料强度和变形影响的数值模拟研究

采用PFC3D数值模拟软件,研究散粒体材料在真三轴试验条件下中主应力对强度和变形的影响,并用统计方法从细观角度探讨中主应力的影响机制。数值模拟结果表明,中主应力比b增大,材料的有效内摩擦角、轴向应力峰值以及对应的轴向应变都呈现先增大然后减小的变化规律。b值的增大使中主应力方向应变由拉伸变为压缩,体应变由剪缩变为剪胀。b值对散粒体材料有效内摩擦角的影响规律和Lade-Duncan准则比较一致。从细观层面上,b值影响颗粒间法向接触力的分布。在b值增大过程中,当b值较小时中主应力方向的增强效应占主导使得材料强度增大,b值较大时小主应力方向的减弱效应占主导使得材料强度降低。     

堆石体三轴剪切试验的三维细观数值模拟

从细观角度出发,采用随机模拟技术建立堆石体的三维随机颗粒模型,基于修正的增广Lagrangian算法的非线性接触算法模拟颗粒间的相互接触,采用损伤软化模型描述细观单元的应力应变关系,当细观单元的损伤度超过损伤阀值时删除该单元,采用Weibull概率分布描述堆石体材料物理力学性质的非均匀性。以水布垭面板堆石坝茅口组堆石为研究对象,进行其三轴剪切试验的变形体离散元细观数值模拟,采用应变控制加载,再现了堆石体的颗粒变形和运动规律。数值计算结果表明,数值模拟能够较好地反映堆石体三轴试验的变形规律,得到的轴向应变–偏应力曲线和轴向应变–体积应变曲线接近试验曲线。从能量角度分析了颗粒变形、颗粒间的摩擦、颗粒的损伤破碎、颗粒运动在加载过程中对系统的贡献。     

堆石料剪切过程中的颗粒破碎研究

颗粒破碎直接改变堆石料本身结构,影响土体的剪胀、内摩擦角、峰值强度、渗透系数和流变变形。但是,目前对于堆石料在剪切过程中的破碎规律尚不明确。通过室内固结排水三轴试验,研究了古水面板坝玄武岩堆石料在制样、固结和剪切过程中的颗粒破碎规律。研究结果表明:堆石料在制样过程中会产生较为显著的颗粒破碎现象;在等向固结过程几乎不产生颗粒破碎。低围压下,颗粒间的翻越和滑移受围压约束较弱,剪切过程中的颗粒破碎不明显。髙围压下,颗粒间的翻越和滑移受到限制,颗粒间的咬合力显著提高,随着剪切应变的增大,土体颗粒不断发生破碎。在颗粒破碎过程中,大粒径颗粒首先破碎,破碎的颗粒从大粒径逐渐向小粒径扩展。粒径在0.5 mm以下颗粒的含量始终随剪应变的增大而增多,且增长幅度随着围压的增大而增大。土体颗粒破碎同时受围压和剪切变形的影响,相同围压下剪切过程中的相对破碎参量Br和剪应变之间的关系可采用双曲线公式描述。     

三轴排水剪切下钙质砂的颗粒破碎特性

颗粒破碎是影响粒状土的变形和强度机理的重要因素。为了研究钙质砂在剪切过程中的颗粒破碎特性及其对变形和强度性质的影响,对3种不同初始分布的钙质砂进行了不同围压下的三轴排水剪切试验。结果显示:初始分形的粒径分布在三轴剪切过程中始终保持着较为严格的分形特性,该现象与各粒组中的破碎颗粒主要向相邻的下一级粒组中迁移的机制有关。钙质砂的应力–应变特性与围压大小和初始粒径分布有关,围压越低,初始粒径分布越不均匀,钙质砂的剪胀效应越显著。随着围压的增大,钙质砂的剪胀倾向减少,并逐渐过渡到剪缩状态。钙质砂的破碎率随剪切过程中的应力和应变的增长而增大,其峰值内摩擦角随着破碎率的增大而降低,最后趋于定值。用非线性的指数函数来描述峰值内摩擦角与破碎率的相关关系,揭示了颗粒破碎对钙质砂抗剪强度的影响规律。     

常压至高压下中砂剪切特性及应力–剪胀关系

为研究高围压范围内砂土相对密实度和围压对土体强度和变形特性的影响,对3种不同相对密实度砂土试样在常至高围压下进行常规三轴固结排水剪切试验,获得偏应力–轴向应变–体应变关系曲线,同时进行颗粒破碎分析。结果表明:在常至中压范围(0.8 MPa≤σ_3≤2 MPa),应力–应变曲线均表现出不同程度的应变软化,其剪胀性随相对密实度增加和围压的降低而增强;当进入高围压范围时(σ_32 MPa),应力–应变曲线逐渐向应变硬化型转变,试样体积逐渐趋于剪缩。颗粒破碎程度随着围压和密实度的增大而增大,在高围压时由于中密和密砂剪切后期出现了明显的颗粒破碎,导致剪切过程中出现了二次相变。不同密实度土体的破坏内摩擦角和对数围压表现良好的线性关系,拟合确定了破坏内摩擦角随对数围压增加的衰减率,同时基于Bolton应力–剪胀关系拟合确定了试验砂土的临界状态内摩擦角,建立了剪胀指标与初始相对密实度及平均有效应力的关系式,为高压情况下砂土地基稳定性分析等提供强度参数。     

砂土直剪力学性状的非圆颗粒模拟与宏细观机理研究

基于PFC2D非圆颗粒单元的二次开发,对砂土直剪力学过程进行了非圆颗粒仿真模拟,分析了数值试样的应力–剪胀关系并与实际砂土进行对比,探讨了颗粒位移与颗粒旋转特征及其与剪切带演化的内在关联,研究了主应力与主应变增量的非共轴效应,揭示了细观组构各向异性的演化规律及其与宏观剪切强度之间的宏细观关联。研究结果表明,数值试验能够较好的模拟实际砂土的应力–剪胀关系和剪切过程主应力与主应变增量的非共轴效应;剪切带的演化与颗粒位移和颗粒旋转密切相关,颗粒形状影响剪切带的厚度;试样宏观的剪切强度主要受控于粒间法向接触力的分布及其各向异性演化;整个加荷过程中,剪切带内大主应力的偏转方向与法向接触力各向异性的主方向保持了良好的一致性。     

模拟岩体失效全过程的连续–非连续变形体离散元方法及应用

 岩石、混凝土等材料,由于存在细观构造的非均匀性,其损伤–破碎发展过程及破损特征与材料中含有的微裂隙分布相关。基于有限–离散耦合分析的思路,在变形体离散元法的基础上引入基于弹塑性断裂力学的黏聚力模型,在细观单元之间插入界面单元,并对界面单元的刚度等参数进行推导,通过界面单元的起裂、扩展和失效,实现岩体开裂扩展的数值模拟。以岩石单轴压缩、单个颗粒破碎以及边坡失稳3个算例对该方法进行验证,结果表明：所提出的方法能较好地模拟计算裂纹的开裂萌生与扩展,反映岩石介质从小变形到大变形再到破坏的全过程。     

松香基相似材料抗剪强度指标试验研究

采用松香作为胶结剂的相似材料是地质力学模型试验中常用的一种相似材料。为研究松香基相似材料骨料组成、松香用量、石蜡用量等影响因素对其抗剪强度指标的影响,设计了三因素四水平的正交试验。制作了16组不同配比的试样,通过直剪试验测得其黏聚力和内摩擦角,并对试验结果进行了极差分析。结果表明,松香基相似材料的黏聚力受松香用量的影响最大,随着松香用量的增加,黏聚力有大幅增长;内摩擦角受骨料组成影响最大,粗骨料比例越高,内摩擦角越大。通过调节配比,可使黏聚力在68 kPa~270 kPa之间波动,内摩擦角在29°~58°之间波动。该研究成果可为地质力学模型试验中相似材料的制备提供参考。     

抛填集料工艺对混凝土力学性能的影响

采用抛填集料工艺制备了一种粗集料能充分接触并有效嵌锁的混凝土,从而使集料能在混凝土中充分发挥强度骨架的作用.采用这种方法制备集料嵌锁混凝土不仅保证了原混凝土的良好工作性,而且抛入碎石后混凝土的强度不但没有降低,反而随着集料对混凝土的置换率从10%~30%(体积分数)的增加而有一定增加.粗集料在这种混凝土中有很高的体积分数.SEM观察表明:抛填集料与水泥石的界面粘结比普通混凝土中的集料/水泥石界面粘结要紧密.     

沥青混凝土非均质性对其蠕变行为的影响

为研究非均质性对沥青混凝土蠕变行为的影响,对沥青混凝土单轴蠕变试验进行了三维离散元模拟.生成了包含粗集料、沥青砂浆及空隙在内的沥青混凝土三维离散元数字试件,对数字试件微观组成材料之间的接触赋予了相应的微观接触模型,并通过室内试验对此模型进行了验证.在此基础上,假定粗集料刚度和沥青砂浆微观黏弹性参数服从Weibull分布,研究了粗集料和沥青砂浆的非均质性对沥青混凝土蠕变行为的影响.结果表明:随着粗集料和沥青砂浆均质度的增大,沥青混凝土的蠕变应变呈减小趋势,且随粗集料均质度增大而减小的幅度较沥青砂浆显著;粗集料刚度分布均匀时沥青混凝土的蠕变应变比粗集料均质度较低(均质度m=1.0)时减小49%.在沥青混凝土材料的选择中应更为重视粗集料的均质性.     

基于破碎能耗的粗颗粒料本构模型

现有的考虑颗粒破碎的本构模型主要是通过引入颗粒破碎率来反映颗粒破碎对材料力学性质的影响,由于颗粒破碎率只是粗颗粒料在受外荷作用下的一种外部表现,在测定的其它参数中实际上已经包含了颗粒破碎的影响,因此为反映颗粒破碎而引入颗粒破碎率的方法是不合适的。基于Ueng和Chen剪胀方程,通过分析三轴剪切试验过程中的能量平衡,提出了考虑颗粒破碎的剪胀方程及其参数确定方法。将Rowe剪胀方程和考虑颗粒破碎的剪胀方程分别引入Duncan E-非线性模型和沈珠江“南水”双曲服面模型,通过与三轴CD剪切试验成果的对比分析和工程实例的有限元数值分析,表明所提模型可较好地反映材料的剪胀特性。如采用弹塑性模型尚能反映颗粒破碎在增加变形的同时降低了材料的强度等特性,验证了所提模型的合理性和可靠性。与现有的考虑颗粒破碎的本构模型相比,所提模型具有试验工作量小、参数少和参数物理意义明确等优点,便于在工程中推广使用。     

考虑颗粒破碎影响的粗粒土的剪切强度理论

由于粗粒土的粒径相差很大,通过剪切试验测量粗粒土的剪切强度很麻烦,且剪切试验费时费力、试验数据离散性大;另外,已有剪切强度经验公式中的参数没有明确的物理含义,工程应用中难以确定。本文根据颗粒破碎的分形模型,揭示单颗粒破碎强度的尺寸效应,假设剪切强度是颗粒接触面上的摩擦力,导出用正应力幂函数表示的粗粒土剪切强度公式,幂函数的指数是颗粒破碎分维的函数,并采用垃圾炉渣的颗粒破碎分维和剪切强度试验结果进行验证。     

混凝土结构裂缝扩展全过程的新GR阻力曲线断裂判据

混凝土结构的受力特性与裂缝的发展密切相关。在对国际断裂力学领域里所提出的三种裂缝扩展阻力曲线理论加以总结的基础上,以能量为表征,基于裂缝黏聚力提出了描述混凝土结构裂缝扩展全过程的新GR阻力模型。在该模型中,裂缝扩展阻力分为三部分:一部分是基体水泥凝胶材料裂缝发展需克服的表面能,一部分是克服细骨料桥联作用的能量消耗,另一部分是粗骨料桥联闭合作用消耗的能量。文中对粗细骨料所消耗的能量进行了详细推导,得出了不同区段裂缝扩展阻力的解析计算公式。根据实测试验结果,得到了混凝土新GR阻力曲线。结果表明GR曲线是材料的基本参数,与试件尺寸无关,并建立了适用于混凝土结构裂缝扩展全过程的断裂判据。     

应力状态下含黏粗粒土渗透变形特性试验研究

含黏粗粒土的渗透变形问题是水电工程中常见的渗透稳定性问题之一。对于含黏粗粒土来说,黏粒含量、颗粒级配及应力状态是影响渗透变形最重要的3个因素。为研究应力状态大小对含黏粗粒土渗透变形特性及临界水力梯度的影响,利用大直径渗透变形仪加载系统,完成了侧限条件下某含黏粗粒土在0.1,0.3,0.6,0.9 MPa铅直应力作用下的渗透变形试验。试验结果表明：不同应力状态下黏粒含量值的大小直接影响到含黏粗粒土的渗透变形破坏类型;试件中附加应力值越大,产生渗透变形时的临界水力梯度也越大。通过对渗透变形试验过程中渗透系数的演化过程研究,提出了利用渗透系数与水力梯度关系曲线的突变关系来判断临界水力梯度的新方法。     

循环直剪条件下粗粒土与结构接触面颗粒破碎研究

循环剪切条件下粗粒土与结构接触面颗粒破碎规律的定量研究具有重要意义。循环剪切时,接触面产生了明显的颗粒破碎,并显著影响其宏观力学响应。接触面颗粒破碎细观上表现为大颗粒破碎、小颗粒含量增加及大孔隙的减少或消失,统计上表现为粒径分布曲线的抬升和特征粒径的减小,宏观上表现为接触面不可逆性剪切体变;且不可逆性剪切体变可作为接触面颗粒破碎等物态演化的宏观度量。接触面颗粒破碎主要由剪切引起,相对破碎率与剪切路程、不可逆性剪切体变与相对破碎率间的关系均可用双曲线描述。法向应力越大、结构面板越粗糙、硬度越小,接触面颗粒破碎和损伤越严重;且相对破碎率与法向应力间符合幂函数关系;剪切路径对接触面相对破碎率影响较小。     

粗骨料对高性能混凝土抗压强度的影响

抗压强度为３０ＭＰａ的砼中，砼受压破坏时粗骨料是完整的没受到破坏。而高性能砼则由于砼强度比较高，砼破坏时粗骨料几乎完全断裂破坏。本文对不同品种的粗骨料在砼中的体积含量、最大粒径对砼强度的影响进行了试验，并根据试验结果得到了数学模型，用以评价不同品种粗骨料的性能