考虑黏聚特性和拉压不等效应的修正剑桥模型及数值实现

 针对修正剑桥模型不能反映岩土介质黏聚特性和拉压不等效应的局限性,通过子午面上考虑黏聚力、偏平面上考虑应力罗德角的影响,建立可考虑黏聚力与拉压不等效应的非相关联修正剑桥模型;较系统地介绍所修正模型的Euler向后隐式本构积分算法及程序实现过程。应用ABAQUS软件所提供的用户材料子程序UMAT接口,编制改进修正剑桥模型本构子程序,并运用所编程序研究比利时Boom clay的三轴压缩力学行为。研究结果表明,所编子程序具有较高的计算精度和良好的稳定性,所改进模型能较好地反映Boom clay的非线性与塑性流动特性。     

强触变性水泥基浆液研发及基本性能测定

为治理采空区灾害,提出采用强触变性浆液局部充填等精细化治理解决方案,强触变性浆液在流速极低或静置情况下能够快速失去流动性而呈现似固体状,可在大空洞采空区中流动范围有限并大角度堆积自立,在采空区治理工程中展现了很好的应用前景和实用价值。为了系统研究触变性水泥基浆液用于采空区充填治理的适用性,从强触变性水泥基浆液研发出发,开展了浆液稳定性、触变性、流变性及结石体强度特性等基本性能测定,并对其进行了概述;提出了触变系数的概念,弥补了触变指数、触变环法表征触变性随静置时间迅速增大的工程浆液触变性的不足。结果表明,所研发触变性水泥基浆液配比合理,成本低于120元/m3,触变性能突出,在1∶5的灰沙质量比下,结石体15 d单轴抗压强度超过1 MPa,满足充填堆积体强度要求。     

影响重塑黄土湿陷性因素的试验研究

以陕西杨凌Q3黄土为例,通过对不同初始含水率和压实度重塑黄土土样的单轴压缩试验,总结了黄土湿陷系数随初始含水率、压实度和外力变化的规律,并利用试验结果进行回归分析,建立了湿陷系数与含水率、压实度和外力之间的定量关系,经过模型检验后证明该模型较为准确,具有一定的实用性,可以作为判别黄土湿陷性的一个初步依据。     

考虑黏聚力的上下加载面修正剑桥模型及数值实现

 首先完善上下加载面模型中超固结状态参数R与结构性状态参数R*的定义,给出上下加载面修正剑桥模型更具普适性的推导过程;然后介绍考虑黏聚力的上下加载面修正剑桥模型的半隐式本构积分算法及数值实现过程,并基于ABAQUS软件所提供的用户材料子程序UMAT接口编制上下加载面修正剑桥模型本构子程序;利用该模型模拟不同工况以及不同加载方式下超固结和原状土体的力学特性,以验证该本构模型对原状超固结土体的模拟能力以及所编写子程序的正确性和可靠性;最后进行Boom Clay三轴固结不排水剪切试验的模拟,完成将上下加载面修正剑桥模型应用于工程实际的关键一步。     

基于能量耗散修正的Boom clay上下加载面模型及其数值实施

 针对剑桥模型不适用于超固结土和结构性土的局限性,引入上下加载面模型以描述Boom clay的结构性;基于Boom clay的屈服面的特点,通过修改能量耗散函数对上下加载面的形状进行了修正,构造了一个更好地反映其特性的弹塑性模型;以有限元程序ABAQUS的UMAT子程序接口为平台,采用隐式积分算法--最近点映射法(CPPM)实现了模型的二次开发;最后利用该模型对不同围压下的Boom clay 不排水三轴试验进行了模拟,并将该模型的计算结果与修正剑桥模型的计算结果以及试验实测结果进行了比较,结果表明,该模型能较好地反映Boom Clay在剪切过程中的结构性演化,且在一定程度上纠正了常规上下加载面模型高估重超固结土峰值强度而低估正常固结土和轻超固结土峰值强度的问题。     

低温及冻融环境下岩体热、水、力特性研究进展与思考

 研究低温及冻融循环条件下岩体热、水、力特性对于寒区工程冻胀机理研究及防寒保温设计具有十分重要的指导意义。综述国内外低温及冻融循环条件下岩石的物理力学特性,温度,渗流特性以及水、热、力耦合特性4个方面的研究现状以及取得的研究成果,并结合寒区隧道的特点,提出以现场监测、大量室内冻融试验和单轴、三轴压缩试验为手段,以研究低温相变条件下的导热系数等热、水、力学参数为基础,以建立含相变低温岩体水热耦合模型和考虑空气温度和湿度影响的隧道风流场湍流模型为前提,以获得通风条件下寒区隧道温度–渗流–应力–损伤耦合模型为目的,用以研究寒区隧道围岩的冻胀破坏机制;同时,开发出兼具轻质、保温、抗冻、抗裂和抗震等功能的泡沫混凝土,用于寒区工程保温层及抗震层使用的基本思路。     

冻融环境中饱和岩石的热量传递与温度平衡规律

 冻融环境中温度是岩石性态变化的关键影响指标之一,而冻融试验中岩石的热量传递和温度变化规律国内和国际都未形成统一认识。为探究岩石在冻融环境中的热量传递和温度变化规律,利用室内试验和数值计算方法分别研究冻结和融化过程中试样温度平衡的过程和时程规律。利用3种岩石进行饱和态的冻融循环试验,试样中心温度监测表明,冻结和融化过程的试样温度均存在显著的3段式变化特征,其中相变过程是一个较为特殊和重要的阶段,相变温度均在0 ℃～－1 ℃范围。随着试验温度区间增大,冻结和融化各阶段时长显现出不同规律,冻结过程总时间逐渐降低,而融化过程总时间先降低后升高。基于第3类热传导边界条件,利用Comsol Multiphysics有限元数值计算平台,分析考虑相变阶段的冻结和融化过程,数值计算结果与试验结果吻合较好。数值计算结果显示,试样不同位置的冻结与融化特征主要体现在相变阶段差异,而试样孔隙率对该阶段的影响最大,剩余温度势造成对称温度区间和非对称温度区间的冻结、融化特征的显著差异。     

露天煤矿冻岩边坡饱和砂岩冻融损伤试验与劣化模型研究

 高海拔多年冻土区露天煤矿岩质边坡常年处于冻融交替环境中,边坡浅部病害显著。为了分析边坡上岩石在冻融环境中的劣化规律,利用采集于木里地区露天矿边坡钻孔中的砂岩试样进行了室内饱和冻融循环试验,并建立了饱和岩石冻融劣化的理论模型。岩样冻融循环试验结果显示随着冻融循环次数的增大,饱和砂岩的微裂隙率逐渐增大,单轴和三轴抗压强度以及表示岩石质量的常见物理参数逐渐降低。基于岩石在冻融循环过程中的微裂隙变化,提出并推导了微裂隙扩展因子,理论建立了岩石强度随冻融循环变化的劣化模型和本构关系,利用劣化理论模型所计算的岩石强度与试验结果吻合较好。分析岩石微裂隙的变化规律,可以获得饱和砂岩在冻融循环环境中的劣化是由于岩石内部的微裂隙在水成冰相变过程中产生的巨大复合应力超过了岩石微裂隙开裂强度,而导致微裂隙逐渐失稳扩展,岩石整体性被削弱等结论。     

坑外降水条件下软土地层深大盾构工作井稳定性研究

采用合适的计算方法确定有效的围护方案是基坑设计中的难点。以南京纬三路过江隧道江北盾构工作始发井为依托,采用空间地基板法反演分析得到各地层m值,通过编制DLOAD子程序实现主动区与被动区的判别和相应荷载的施加,得到坑外降水条件下软土地层深大盾构工作井围护体系的受力与变形特征。计算结果与现场实测值较为吻合,从而证明采用空间地基板法配合反演得到的地层m值可有效预测工作井围护体系的变形与受力特征。为进一步优化设计方案,选定连续墙厚度、支撑截面尺寸及底板以下5 m范围内土体m值3个参数,通过正交试验进行参数分析,得到影响连续墙水平位移及支撑轴力的主要因素。计算方法及相关计算结果可为同类工程设计提供参考。     

Boom Clay蠕变特性研究

Boom Clay为比利时第三纪细密黏土沉积物,其力学性质十分复杂,尤其是其显著的蠕变特性更需进行广泛的试验和深入的理论研究。通过室内固结和三轴蠕变试验,研究不同应力水平下的蠕变特性;建立以不可恢复应变为变量的不显含时间的分离型屈服面蠕变本构模型,避免了传统显含时间项的蠕变模型在土体经历加、卸载过程等复杂工况的实际计算中,具体蠕变时间确定的难题。将所建新型蠕变模型在ABAQUS软件中实现二次开发,并通过不同蠕变参数下的基本性能检验和蠕变试验的模拟,验证了所建模型的正确性和所编程序的可靠性。