岩石的封闭应力、蠕变和扩容及本构方程

以火成岩、变质岩和某些沉积岩的多种矿物和多晶体结构为基础,本文对岩石的变形特性做了微观流变分析,此外还考虑了砂岩类岩石的多颗粒结构.对岩石形成和构造运动的历史也做了适当的考虑. 文中给出并分析了宜昌砂岩的扭转蠕变试验结果,并介绍了一种新的试验方法:这种方法是对岩石样品施加一个阶梯状加载函数并量测其变形随时间的变化.采取这种方式,只需在一个样品上进行试验,就可以很容易地得出蠕变与应力及时间的函数关系.从一些典型的试验结果入手,就“封闭”应力的起源和形成提出了一种假说,并研究了内应变能的释放.论述了这些应力包裹体(Stress pockets)在实际中的重要性,并着重指出:“蠕变和封闭应力是岩石性状中的两个基本因素,在实践中必须仔细地加以研究. 在实验结果和物理推理的基础上,建立了本构方程;它们是Griggs的实验方程γ=a blogt ct的三维推广.在所建立的本构方程中,各材料参数都是应力不变量的标量函数.     

基于特征应力的正常固结土三维弹塑性本构模型

在特征应力空间中,Drucker-Prager形式的强度准则可以合理描述岩土类材料的真三维强度特性,即特征应力具有以各向同性形式的表达式描述岩土类材料各向异性力学特性的功能。在特征应力空间中,利用插值函数法直接提出了正常固结土的新的屈服函数,结合笔者已在特征应力空间中提出的塑性势函数,直接建立了正常固结土的真三维弹塑性本构模型。模型只有7个材料参数,每个参数均具有明确的物理意义,可利用室内试验简单确定。通过模型功能分析以及与文献中试验结果的对比验证表明,本文模型可简单合理地描述正常固结土的真三维变形与强度特性,并且可简化为修正剑桥模型。     

砂井地基的大变形固结

基于一维大变形固结理论,考虑饱和黏土的压缩性和渗透性的非线性变化,取消了小应变的限制条件,在流动柱体坐标系下,推导建立了以孔隙比为变量的砂井地基大变形固结控制方程。采用交替隐式差分法编程求解了砂井地基大变形固结方程,通过工程实例分析,验证了控制方程及差分求解程序JEFD02的合理性和适用性。本文将大变形固结理论引入砂井处理超软地基的固结计算,对该类地基的固结预测估算方法进行了一次有意义的探索。     

梁和框架结构的大变形非线性分析

描述了有限元方法分析梁和框架结构的几何非线性问题,考虑大转动的影响,在有限转动公式的级数展开式中,取二阶近似,从而形成线性刚度矩阵和几何刚度矩阵,推导了大变形情况下梁的本构方程,算例表明：对于较复杂的几何非线性问题,本文提出的方法是有效的。     

压缩试验本构关系的大变形表述法

基于连续介质力学有限变形理论,采用完全拉格朗日描述法导出压缩试验本构关系的大变形法表述形式.首先根据压缩试验特点建立大、小变形法应力张量和应变张量之间的转换式,得到一般意义上的大变形法压缩本构关系.然后在小变形法双曲线模型基础上,得到其对应的大变形法本构方程,并提出简化形式的大变形法双曲线模型.工程实例和参数分析的结果均表明,大变形法双曲线模型可较好地模拟土体的大变形压缩试验本构关系.大、小变形法的双曲线参数在定义和数值上均不相同,但两者服从一定的变化规律.     

超固结土本构模型分叉三维理论分析及数值模拟

应变局部化分叉的产生强烈依赖于本构模型的弹塑性矩阵。以基于伏斯列夫面超固结黏土三维本构模型为研究对象,推导了三维应力下产生分叉的应力条件,求出了该模型在常平均应力时不同应力路径下分叉三维解析结果。解析结果表明：该模型在应力洛德角为-26.5°～7.5°时,有分叉现象产生,分叉产生于土体应力应变的硬化阶段,且分叉后剪切带倾角变化趋于稳定;而应力洛德角在-30°～-26.5°及7.5°～30°时无分叉现象出现。最后,利用有限元软件ABAQUS的材料子程序接口,采用回映应力更新算法,编写了材料特性子程序,实现了该模型在有限元数值分析中的应用,对均匀各向同性多单元立方体进行常平均应力时真三轴试验数值模拟,并比较数值计算结果与解析结果,验证了解析解与数值模拟结果的一致性。     

两种Lagrangian大变形比奥固结有限元法及其与小变形法的比较

从非线性连续介质力学出发,采用Jaumann应力率和Biot平面固结理论,用同一程序结构和土性参数计算比较了饱和土体大变形Lagrangian法(TL和UL法)与小变形法的沉降和孔压差异。计算结果表明,当应变较小时,三种方法计算的变形和孔压值相同;当应变很大时,大变形法和小变形法计算的沉降和孔压差异很大。因此,大小变形法分析结果的比较应采用总应力法。文中还指出,大变形分析地基最终沉降小于小变形法,而且时间步长对计算沉降值有严重影响     

砂土液化大变形的弹塑性循环本构模型

循环剪切过程中饱和砂土的3个体积应变分量(有效球应力变化引起的体变、剪切引起的可逆性体变和不可逆性体变)的变化规律决定了液化后剪应变的发展。基于上述机理、对剪切引起的可逆性和不可逆性体变的数学描述、体积相容性条件以及边界面本构理论框架,建立了一个可描述饱和砂土液化后大变形的弹塑性循环本构模型。通过对饱和砂土排水和不排水循环扭剪试验结果的模拟表明,该模型不仅可以合理地模拟饱和砂土循环加载条件下从液化前到液化后、从小剪应变到大剪应变的变形发展过程,而且可以合理地模拟饱和砂土液化后再固结大体变的累积特性。本文的研究为定量描述砂土液化后大变形提供了一条合理而有效的途径。     

水泥砂浆塑性收缩开裂的三元本构方程研究

分别测试了不同灰砂比或聚乙烯醇(PVA)纤维掺量、环境温度和湿度下水泥砂浆的塑性抗拉强度和塑性毛细管收缩应力,并对实验结果进行了三元线性回归分析.结果表明:灰砂比和聚乙烯醇纤维掺量对塑性抗拉强度以及塑性毛细管收缩应力的线性影响基本显著,而环境温度和湿度的影响则不显著.建立了抗裂指数关于灰砂比环境温度和湿度的三元本构方程及抗裂指数关于聚乙烯醇纤维掺量、环境温度和湿度的三元本构方程.经检验,上述两方程的计算结果与实验结果均相吻合.     

弹塑性大变形Biot固结理论的参变量变分原理

根据大变形弹塑性理论Lagrangian描述的UL方法，利用参变量变分原理的思想推导建立了弹塑性大变形Biot固结理论的数值模拟计算方法。该方法的优点在于，将弹塑性分析问题转化为屈服条件下的约束求弹塑性势能泛函的极值问题，增量计算中不需要迭代，而且便于进行非关联流动与应变软化计算。     

高温三维应力下鲁灰花岗岩蠕变本构关系的研究

采用中国矿业大学的20 MN高温高压岩体三轴试验机进行了高温三维应力下大尺寸Φ200 mm×400 mm鲁灰花岗岩蠕变特性的实验研究,温度最高达到了600℃,轴向应力最高达到了175 MPa。通过对实验数据的分析,发现高温三维应力条件下静水应力引发鲁灰花岗岩发生蠕变变形,提出了考虑静水应力作用时稳态蠕变率的本构方程,得到了鲁灰花岗岩蠕变本构方程的参数A1,A2,?Q,m,n。研究还发现静水应力下的蠕变和差应力下的蠕变曲线特征相同,同样可以划分为初始蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段三个阶段,鲁灰花岗岩的蠕变变形是温度,差应力和静水应力的函数,温度、差应力和静水应力的升高都会加速鲁灰花岗岩的蠕变变形。更多还原     

改进的岩石节理弹性非线性法向变形本构模型研究

回顾了已有的几类岩石节理法向变形本构模型,指出以往模型在中应力水平条件下模拟结果与试验结果发生偏离的现象。针对这一问题,引入"半值节理最大闭合量应力"σ1/2概念,着重论述了传统的BB模型与经典指数模型本身所固有的数学缺陷。随后,以Malama和Kulatilake(2003)提出的统一指数模型为例,进一步阐明模型改进的必要性,同时分析了该模型因采用对σn/σ1/2项添加幂函数n的修正方式而丢失节理法向初始刚度Kni的物理意义这一不足之处。基于上述研究,根据前人试验数据分析建立单调加载条件下岩石节理法向应力–位移关系曲线的控制微分方程,定义拟节理最大允许闭合量Dmax=ξdmax的概念,提出一种新的三参数本构模型--改进的岩石节理弹性非线性法向变形本构关系,并在数学上严格证明了BB模型与经典指数模型是新模型的两个特例。新模型克服了前述模型数学上的缺陷,弥补了以往模型模拟结果与试验结果发生偏离的不足,且没有因新参数ξ的添加丢失Kni的物理意义。最后采用新模型对他人试验结果进行预测,建议了修正参数ξ的确定方法。模型预测结果与试验结果吻合良好,进而验证了本文模型的可行性。     

非饱和土耦合本构模型的三维化

非饱和土本构关系模型通常是建立在修正剑桥模型的基础上,并采用了广义的von Mises准则,以描述非饱和土在一般应力状态下的本构行为。该准则假设在π平面上屈服面是个圆形,高估了土体除三轴压缩以外的强度,在平面应变中也会错误估计中主应力比。空间滑动面破坏准则（SMP）考虑了第三应力不变量的影响,屈服面在π平面上为曲边三角形,可以较好地描述一般应力状态下土体的剪切屈服和破坏特性。采用变换应力方法,将SMP准则应用到最近建立的非饱和土耦合本构模型中使其合理的三维化,能够有效地将模型从轴对称应力状态扩展至一般应力状态。根据与试验结果对比表明,改进后的模型在不增加任何参数的情况下,能够较好地模拟非饱和土在三轴伸长等一般应力状态下的行为特性。     

堆石料的应力-应变特性及其三维破碎本构模型

综合已有的研究成果,从压缩、剪胀和强度三方面分析颗粒破碎对堆石料应力-应变特性的影响。基于堆石料的变形和强度特性,引入新的硬化参数H,并推导出相应的屈服函数表达式,进而提出一个能够考虑堆石料颗粒破碎影响的弹-塑性本构模型。利用基于空间滑动面准则（SMP准则）的变换应力方法将模型进行三维化,并参照某堆石料大三轴试验结果对...     

水坠坝冲填土弹塑性本构方程

本文从屈服面与塑性应变增量的正交性出发,对土的弹塑性本构关系作了简要的论述,说明了确定K、G、H、f的方法,并将几种应力路线的计算值与实测值作了比较。     

渗透系数变化对一维大变形固结性状的影响

1　前　　言 太沙基的一维固结理论在土力学中占有独特的位置 ,但是 ,实际上土的状态复杂而多变 ,在很多情况下 ,太沙基的假设不能被满足 ,因而其结论也存在不足之处。特别地对于象软粘土和吹填土等 ,当荷载较大、土体变形较大时 ,小变形分析可能会带来难以接受的误差。因此 ,有必要引入大变形固结分析。谢永利[1] 和谢新宇[2 ] 详细综述了国内外学者对软土和吹填土大变形固结特性研究的现状。Ｇｉｂｓｏｎ等[3] 自从提出了饱和土体的一维大变形固结理论后 ,也研究了基于大变形考虑的球体的Ｍａｎｄｅｌ-Ｃｒｙｅｒ效应[4 ,5] 。Ｂｉｏｔ固结理论可以解释三维条件下的Ｍａｎｄｅｌ -Ｃｒｙｅｒ效应。而     

横观各向同性黏土的非正交弹塑性本构模型

为了描述土体各向异性对应力应变关系的影响,基于特征应力的概念,建立横观各向同性黏土的非正交弹塑性本构模型。建模思路如下:(1)借鉴修正应力方法将组构张量引入到特征应力概念中;(2)根据修正特征应力空间中八面体面上的摩擦规律,建立可以综合反映土体各向异性和中主应力效应的横观各向同性土的β强度准则;(3)在修正特征应力空间中,采用倾斜屈服面描述非等向固结对土体屈服特性的影响,并引入体应变相关的硬化参数;(4)通过基于分数阶微分的三维非正交塑性流动法则,确定横观各向同性黏土的塑性应变增量方向。模型仅需要6个可通过常规三轴试验确定的材料参数,所涉及3个模型参数均可通过材料参数得到。预测结果与试验数据的对比表明,本文提出的模型可以合理地描述横观各向同性黏土的强度及变形特征。     

三维化方法对土的平面应变强度和变形的影响分析

临界状态本构模型需要通过三维化来反映材料在三维应力状态下的力学特性。采用不同三维化方法在描述应力罗德角和偏应力对应力应变的影响程度上具有差异性,在平面应变条件下,这种差异性对土的应力应变计算结果影响往往非常显著。以K₀固结土的统一硬化(UH)本构模型和空间滑动面(SMP)强度准则为例,分别采用变换应力(TS)方法和g(θ)方法这两种常用方法对模型三维化,推导了相应的三维弹塑性刚度矩阵[D_ep],阐述了不同方法在三维应力应变计算过程上的本质区别。相比g(θ)方法,TS方法可以合理描述不同K₀状态下土的应力水平对偏平面上屈服曲线形状的影响规律,即由低应力比下的近圆形转变为剪切破坏时的SMP破坏准则形状,实现了土体从剪切屈服到剪切破坏的一致性。通过对一系列平面应变单元试验和边值问题的分析计算结果表明,采用TS方法三维化的UH模型预测结果与已有试验规律更为吻合。在不同K₀固结条件下,由于计算得到的破坏面呈现不规则形状,采用g(θ)方法往往过高或过低地估计平面应变条件下土体的应力水平。     

评价饱和砂土液化过程中小应变到大应变的本构模型(英文)

在RambergOsgood模型的基础上,建立了一个实用的能描述饱和砂土从液化前小应变到初始液化后大应变范围的非线性本构模型。该模型主要有三个特点:①采用作者曾提出的移动相态转换线(MPTL)和移动临界状态线(MCSL)概念来较为合理地描述变形过程中的有效应力路径和临界状态;②采用一个应力软化模型来描述剪胀和定义超静孔压变化引起的骨架曲线的软化与硬化;③基于笔者等提出的液化后大变形理论来描述初始液化后产生的大剪切变形。文中通过对室内循环剪切试验结果的模拟,验证了模型的预测能力。该模型适用于水平饱和砂土地基的有效应力地震反应分析。