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。     

基于率效应的岩石材料次加载面动态模型在岩体工程中的初步应用

为较准确反映岩体工程在地震荷载下的响应,结合Drucker-Prager屈服准则和次加载面理论,初步构建基于Drucker-Prager准则的次加载面应力路径模型,在此基础上,除计算弹性模量的率效应之外,还在Drucker-Prager准则上考虑强度的率效应,提出岩石材料的动态模型,并把该模型运用到滇中引水香炉山隧洞中。计算结果表明,相对于Drucker-Prager准则,应力路径模型能较好地描述玄武岩在循环荷载下体现的曼辛效应和棘轮效应,由于没有考虑率效应,表现出应力–应变曲线的斜率没有试验曲线大,且累计应变也比试验曲线大;在岩石循环加卸载过程中,动态模型得出的模量上比次加载面应力路径模型模拟的要大,同时变形量也较次加载面应力路径模型要小,因此该模型能较好地反映岩石的动态力学性质和变形性质;相比于Drucker-Prager准则下,采用动态模型得出隧洞的左侧监测点和右侧监测点的瞬时相对变形峰值增大了0.67 cm,同样底部和顶部以及左右两侧的永久相对变形也分别增大了0.19和0.77 cm,说明动态模型可以较好地反映围岩残余大变形;岩石动态模型相对于Drucker-Prager准则和线弹性本构,更具有滤掉高频的功能。说明该模型能很好地运用到岩石动力学中,同时也为准确分析岩体工程在地震作用下的响应奠定了一个很好的基础。     

考虑率效应的岩石材料次加载面动态本构模型

为反映岩石材料在循环荷载下的滞回圈特性及在动态荷载作用下的率效应,首先基于次加载面理论,建立了基于Drucker-Prager准则的次加载面应力路径模型;其次,在此基础上,通过分析岩石材料率效应的体现,分别在弹性模量上考虑了刚度的率效应和在Drucker-Prager准则上考虑了强度的率效应,进而提出了考虑率效应的岩石材料次加载面动态本构模型;通过自编程序,实现了动态本构模型的植入,并模拟了岩石材料在动态荷载下的力学响应。结果表明,相对于Drucker-Prager准则,应力路径模型能较好地描述玄武岩在循环荷载下体现的曼辛效应和棘轮效应,同时揭示了玄武岩的发展形态;利用动态模型对岩石材料的动态单轴加载和循环加载模拟,发现加载的应变率越大,岩石材料的弹性模量越大,变形则越小,正好反映了岩石材料在动态加载过程中所体现的率效应;动态本构模型能同时反映岩石材料在地震荷载下的滞回圈特性和率效应,正好说明了地震荷载不但具有等效循环荷载的形式,还具有动态荷载的形式,也说明了次加载面动态本构模型模拟岩石材料在地震荷载作用下的力学性质是可行的。     

循环荷载作用下流变性软黏土的边界面模型

为了预测交通荷载作用下流变性软黏土的长期运行沉降,提出了一个能够描述循环加载条件下饱和软黏土流变特性的弹黏塑性本构模型。本模型以边界面弹塑性理论为基础,采用滞后变形理论。模型不仅能单独考虑土体的流变效应和循环加卸载效应,还能考虑交通荷载作用下软黏土在循环荷载和流变耦合作用下的变形特性。模型概念清晰,参数少。通过多组上海软黏土循环加载流变试验结果的模拟,初步验证了本模型的合理性和有效性。     

灰岩在三轴变围压循环压缩中的变形特征研究

 岩石在周期荷载作用下的力学性能是影响岩体工程长期稳定性的重要因素之一,需研究循环荷载作用下岩石的特性及演化规律。首先采用声波纵、横波波速测量方法,对岩样进行筛选。设计灰岩在施加不同围压和恒定循环上限应力作用下,三轴变围压循环加卸载下岩石变形特征测试方案。三轴变围压循环试验在GCTS–1000型岩石力学测试系统上进行,通过对试验结果的分析表明：(1) 灰岩在变、恒围压加、卸载循环中,形成一封闭的塑性滞回环。在轴向变形上滞回环面积逐次缩小;而变围压循环在径向变形上滞回环面积逐次增大,而恒围压循环在径向变形上滞回环面积几乎相等。(2) 在三轴变围压循环压缩试验中,围压增加和循环上限应力不变,残余变形量随着循环次数的增加而呈现出一个递减的趋势,轴向应变和径向应变的发展趋势是相反的。(3) 在整个循环加卸载过程中,各个加卸载阶段变形模量值不同,卸载阶段变形模量高于加载阶段变形模量。(4) 变围压循环加、卸载阶段变形模量的值大于恒围压循环加、卸载阶段下变形模量的值。通过试验,揭示灰岩在三轴变围压循环下,加载和卸载2种力学状态时变形特性的差异。同时分析变围压循环和恒围压循环状态下岩石弹性参数的差异性。     

岩体结构面法向循环加载本构关系研究

对岩体结构面在法向循环加载下的受力变形关系进行了理论研究。试验表明,加卸载应力–变形曲线均可表示为双曲线函数,并且呈现不断硬化的特性,伴随产生法向残余位移。对已有双曲线型式的本构关系加以拓展,引入新的模型参数,假定卸载和重加载曲线均以结构面最大压缩位移为渐近线,曲线在法向力时为0的起始刚度由前一次循环过程的加载和卸载曲线起始刚度决定,从而完全确定循环加载本构方程。新参数体现结构面法向循环加载曲线的收敛速度和所产生的残余位移等受力变形特性,取决于岩石类型、结构面几何特征和填充物特性。通过设定参数的不同取值,这一模型分别等价于已有的不同模型。与无充填岩石裂隙和有厚度岩石夹层在法向循环加载下的试验结果对比表明,模型能较好描述岩体结构面的本构关系。     

砂土中大直径单桩的长期水平循环加载累积变形

海上风电在风载、波浪荷载等长期水平循环荷载作用下的累积变形问题备受重视,因其过大会导致风机无法正常工作。考虑了桩周砂土的循环加载特性对海上风电大直径单桩基础的水平循环响应加以研究。首先采用R-O加载曲线和修正Masing准则构建砂土的加卸载应力应变曲线,基于砂土轴向累积应变显式公式推导了砂土加卸载割线刚度演化模型。其次在长期水平循环受荷桩的有限元数值模拟中对该演化模型加以实现,通过与文献的离心模型试验结果进行对比分析,验证了砂土加卸载刚度演化模型用于水平循环受荷单桩响应的合理性。进一步开展了单桩不同埋深的参数分析,探讨了埋深条件对桩顶累积转角发展的影响。研究表明,基于砂土加卸载割线刚度演化模型的有限元分析能够合理模拟砂土中水平循环加载条件下单桩桩顶累积转角的长期演化规律,为分析海上风电的长期循环响应提供了理论基础。     

循环加卸载下煤的黏弹塑性蠕变本构关系研究

 基于岩石三轴循环加卸载蠕变试验,对试样的蠕变应变进行有效的黏弹塑性应变分离,根据试样的弹性蠕变特性和塑性蠕变特性分别建立相应的蠕变模型,继而得到岩石的黏弹塑性蠕变模型,该模型能较好地描述试样的衰减和稳态蠕变特性。为了能够较好地描述岩石加速蠕变特性,在塑性蠕变模型中引入损伤因素,建立相应的弹塑性损伤蠕变模型,对该模型参数进行敏感性分析,同时给出模型参数确定方法。所建模型黏弹塑性概念清晰,模型参数较少。对煤进行三轴循环加卸载蠕变试验,分析蠕变试验中煤样的弹塑性应变特性以及试样的稳态蠕变速率演化规律,用该黏弹塑性蠕变模型对煤样的三轴压缩蠕变试验结果进行拟合,结果表明,该模型能很好地描述循环加卸载路径下试样的弹塑性加载和弹性卸载蠕变特性。     

基于多级荷载试验的岩石损伤模量探讨

根据《工程岩体试验方法标准》(GP/T50266—1999)中建议的岩石单轴压缩试验加载速率,并结合天然气储库注气、采气循环过程的运营状态,利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统,以大理岩作为对比岩石,对作为天然气储库围岩的盐岩损伤卸载模量,进行单轴压缩加卸载试验和单轴压缩低周循环荷载试验研究;试验加载采用轴向荷载控制,每个试件均按7级不同应力幅值加卸载;低周循环荷载试验采用轴向荷载的正弦波控制加载,其频率为1.0 Hz,控制每级动荷载下的振动周次不低于30个循环。研究得到盐岩应力–应变滞回环均为条带状,在加卸载转折部位具有较大不可逆变形,对应弹性响应较慢;大理岩则均为尖叶状,在加卸载处对应弹性相应较快;盐岩的卸载模量测试得到的变化趋势在加卸载和低周循环荷载下相反,而大理岩测试结果则相同,并均随应力增加递减。测试结果表明,应力幅值的大小较循环周次的多少对盐岩不可逆变形增量的影响更加显著,研究得到储库运营中盐岩的损伤演化特征。     

循环荷载下花岗岩强度及变形特征试验研究

为研究循环加卸载作用下岩石的强度及变形特征,以隧道工程区域内的花岗岩为对象,采用室内岩石力学试验方法,得到了以下结论.(1)单轴循环荷载作用下花岗岩的最终破裂面明显多于单调加载,而三轴条件下,两种加载方式的破坏模式较为接近;(2)循环荷载作用下花岗岩的峰值强度显著降低;单调加载下的花岗岩表现为脆性破坏,而循环加载下花岗...     

基于ABAQUS二次开发的岩石力学试验数值仿真系统

岩石力学试验是研究岩石力学特性,获取力学参数的重要途径。为研究不同荷载作用下不同尺寸试块的破坏过程,利用Python语言对ABAQUS软件进行二次开发,建立岩石力学试验过程的参数化数值模拟仿真系统。将考虑剪切效应的Drucker-Prager破坏准则编入vusdfld子程序中,引入失效单元删除算法研究荷载作用下岩石试块变形破坏过程,实现了岩石力学试验过程的数值仿真。以花岗岩试块三轴压缩试验为例,验证了仿真系统的有效性。该系统可根据用户需要与实验室加载平台进行数据匹配,极大提高了建模和分析效率,同时丰富了力学试验内容。     

灰岩岩样等幅和分级循环加卸载过程中电阻率响应规律研究

为研究受载过程中特别是循环加卸载作用下岩石电阻率变化规律,对单轴等幅循环加卸载和分级循环加卸载条件下岩石破坏过程中的电阻率响应特征进行研究。试验结果表明,岩石电阻率变化与荷载变化或试件内微裂隙发展密切相关。等幅循环加卸载过程中,加载时随着荷载的增加,岩石的电阻率总体上呈下降的变化趋势;第1次加载循环与其他4次加载循环明显不同,在加载初期存在快速下降阶段;卸载时,试样电阻率会逐渐恢复;5次加载循环中,完全卸载(载荷0 k N)和完全加载(载荷40 k N)时,不同循环电阻率不同,第一次最大,以后逐次减小。分级循环加卸载与等幅循环加卸载存在一些相同的规律,不同之处在于:5次加载循环中,完全卸载(载荷0 k N)和完全加载(载荷取第一级完全加载时荷载35 k N)时,不同循环电阻率也不同,前3次循环电阻率依次减小,后2次循环逐次略有增加;破坏加载时,加载初期也存在快速下降阶段。对2种循环加卸载过程中电阻率变化规律采用循环加载下微裂隙闭合机制进行了解释。试验研究表明,电阻率变化可以较好地表征单轴等幅循环加卸载和分级循环加卸载过程中试件内微裂隙发展情况。     

反复堆载作用简化建模思想及其模型实现

以临界状态土力学理论为基础,基于改进的Carter模型,将屈服面的变化和反复荷载相联系,以反映循环荷载作用下的加载硬化和卸载回弹。引入衰减参数和临界重复应力来反映土体变形的塑性累积与荷载记忆特性,建立了能够考虑反复堆卸载作用下土体变形特征的本构模型。同时基于FLAC提供的开放的二次开发平台,将创建的简化模型引入其中,由此建立的简化模型能方便地用于实际工程。     

三轴循环荷载下页岩变形及破坏特征试验研究

前期工作已经研究了含裂隙页岩在单轴循环荷载下的变形及破裂特征,为进一步认清围压与循环荷载耦合作用下的变形及破坏特征,利用MTS815.03岩石刚性压力机展开了对含裂隙页岩的三轴循环加卸载试验研究。试验结果表明:在三轴循环荷载下,含裂隙页岩的破坏形式主要为混合破坏,呈现出拉剪贯通模式;随围压逐渐增大,页岩的峰值强度呈线性增大,完整页岩经11周加卸载循环后,峰值强度增大9.98%~25.03%;而含裂隙页岩经15周加卸载循环后,峰值强度增大1.47%~6.98%;含裂隙页岩在同一循环内的弹性模量大于变形模量,卸载弹性模量大于加载弹性模量,卸载变形模量大于加载变形模量,并且损伤面积系数F越大,卸载弹性模量与加载弹性模量的差值也越大;随循环加卸载次数逐渐增加,加载变形模量与卸载变形模量呈先增大后单调减小的规律,加载弹性模量与卸载弹性模量表现出先增大,后逐渐呈"波浪式"减小的规律,剧烈波动的弹性模量是内部结构不断发生局部调整的有效证据。该研究为揭示在围压与循环荷载耦合作用下含裂隙页岩破坏形成复杂裂缝网的发展机理提供了有益参考。     

基于广义塑性理论的堆石料动力本构模型研究

分析了堆石料在等幅与不等幅应力循环荷载作用下的变形特性,以此为基础,确定了不同加载过程中堆石料的剪胀方程,加载方向,切线模量及塑性模量,建立了一个可以考虑堆石料循环加载特性的广义塑性本构模型.模型将所有的加卸载阶段都视为弹塑性过程,并在剪胀方程中引入老化函数来考虑体积应变积累对剪胀(缩)性的影响.模型共有12个参数,均可通过常规室内单调及循环加载试验确定.为验证模型的有效性,依据试验资料确定了两种不同堆石料的本构模型参数,并对等幅循环三轴压缩与不等幅循环三轴压缩试验进行了模拟.两种材料在不同围压下的模型预测结果与试验数据均吻合良好,表明模型可以有效地反映循环荷载作用下堆石料应力应变曲线的滞回特性与永久变形的积累.     

循环荷载下非饱和结构性土的边界面模型

基于结构体损伤概念和非饱和土力学,利用边界面塑性理论,提出了一个可以描述循环荷载作用下非饱和土力学特性的弹塑性本构模型。在BBM(Barcelona Basic Model)模型的基础上,利用土的持水曲线建立了常含水率下吸力与土体应力之间的耦合作用关系;通过屈服面的大小的改变来反映土体结构性的变化,建立了与累积塑性应变相关的损伤规律。同时,修正了常用边界面理论中映射准则,引入可移动映射中心的概念,将加载、卸载过程的映射准则进行统一,以反映循环荷载下土体产生的滞回特性。通过与相关文献以及本文的循环三轴试验结果的比较,表明本文模型能够较好地模拟非饱和黄土在循环荷载作用下的力学特性。     

循环荷载作用下花岗岩疲劳力学性质及其本构模型

 循环荷载作用下岩石力学性质研究对完善岩石力学基本理论和指导相关工程建设具有重要意义。通过花岗岩三轴循环荷载试验,系统研究花岗岩疲劳力学特性,提出花岗岩疲劳力学模型。研究结果表明：(1) 岩石残余应变和变形模量与循环次数之间关系与岩石体积变形状态相关;(2) 在应力–应变全空间内,花岗岩疲劳性质分为3个区域,不同区域内微观机制不同;(3) 岩石疲劳破坏门槛值应为剪缩和剪胀区域分界点对应的峰值偏应力;(4) 循环荷载作用下岩石疲劳势有别于单调加载时塑性势,循环荷载作用下岩石表现出比单调加载时更强的抵抗体积变形能力;(5) 提出基于内变量理论的岩石疲劳本构模型,试验数据与模拟预测对比显示模型较好地反映出岩石疲劳力学性质。     

循环荷载作用下盐岩三轴变形和强度特性试验研究

 为研究三向应力状态下循环荷载作用对盐岩变形、强度及损伤特性的影响,利用TAW–2000 型微机伺服岩石三轴试验机进行不同荷载波形参数(上、下限应力、应力幅值和频率)和不同围压下的盐岩试样的循环加、卸载试验。试验得到盐岩轴向初始变形和稳态变形两阶段演化规律;通过提高循环荷载上限应力、降低下限应力、增大应力幅值或者降低载荷频率、减小围压等途径,均会加速盐岩试样不可逆变形的发展,提高盐岩循环稳态应变速率,减小稳态阶段在整个变形阶段的比例,从而加速试样变形破坏;荷载波形参数中上限应力和应力幅值对循环荷载作用下盐岩变形演化速率、试样损伤发展的影响最大。循环荷载作用下,盐岩弹性模量随循环次数或加载时间呈指数递减趋势,并在50～100个循环后其值接近常数;循环加载后二次压缩盐岩强化与否,取决于循环加载时所施加荷载水平是否造成盐岩内部损伤的累积,通过试验可间接推断盐岩三轴循环变形破坏的上限应力阈值为80%～89%。     

软黏土不排水循环应力应变响应的弹塑性模拟

为描述循环荷载作用下饱和软黏土不排水应力应变特性,以Mises屈服准则构建边界约束面方程,利用硬化模量插值方法及映射中心移动方法,在偏应力空间中构建硬化模量场,建立了一个总应力形式的增量弹塑性边界面模型。该模型依据径向映射法则建立弹塑性模量插值函数,并认为加卸载过程中映射中心随加卸载路径变化而不断移动,通过弹塑性模量的插值及映射中心的移动,使得硬化模量场的演化规律表述简单,跟踪循环应力路径所需记忆的参数较少。另外,模型通过在弹塑性模量插值函数中引入反映剪应变累积速率和大小的参数控制累积剪应变随循环次数的变化规律,不仅可描述循环加载时应力应变曲线的非线性、滞回性、应变累积性等基本特性,还可预测不同初始应力水平、循环应力水平下土单元的应力应变响应。最后阐述了利用循环三轴压缩试验确定模型参数的方法,并对循环三轴拉伸试验结果进行了预测,通过预测结果与试验结果的对比,验证了所建模型的合理性。     

单轴加卸载扰动下石灰岩声发射特性研究

 以取自拟建大连地铁二号线的石灰岩试件为研究对象,用单轴循环加卸载扰动来模拟交通荷载,进行该加载过程的声发射特性研究,并利用RFPA2D模拟岩石加卸载循环下的破坏过程。试验结果证实该种石灰岩存在Kaiser效应,也证实加卸载下的Felicity效应的存在。将加卸载理论应用于岩石的声发射前兆分析中,将加卸载响应比Y值达到(接近)1作为此种岩石失稳破坏前兆特征;石灰岩破裂过程中声发射能量加速释放现象明显。数值模拟结果能看到明显的Kaiser效应以及各步对应的声发射现象,将模拟结果与试验结果进行对比发现,岩石均质度系数m=5时,二者最为接近。所得结果可望为地下工程的施工安全研究提供理论依据。