小主应力方向加载条件下的掺砾黏土真三轴试验

对土石坝心墙掺砾黏土开展模拟心墙单元小主应力方向加载的真三轴试验,首先对试样进行不同围压条件下等向固结,然后保持小主应力恒定,通过调整大主应力和中主应力,以模拟土石坝竣工后的初始三向应力状态。试验过程中保持大主应力和中主应力恒定,从小主应力方向单向加载,以模拟土石坝蓄水过程中心墙单元所经历的应力路径。试验结果与常规三轴试验以及复杂应力条件下大主应力方向真三轴加载试验结果都有显著不同。不同初始应力条件下,不同主应力方向的初始切线模量和初始切线泊松比的变化规律非常复杂,应力–应变显现出明显的各向异性。在心墙堆石坝施工过程及蓄水过程中,心墙单元所经历的应力路径明显不同,合理的土体本构模型应该对这种由于加荷路径不同所引起的不同方向模量和泊松比进行合理描述。     

复杂应力条件下掺砾黏土真三轴试验

采用新型真三轴仪器,对掺砾黏土进行了复杂应力条件下加载试验,近似模拟了土石坝填筑期心墙土体单元的加荷过程。试验结果表明,由于土体单元处于复杂应力状态,即使是单向加载这样的简单加荷应力路径,在不同应力方向上的应力和变形也都呈现显著的应力各向异性。土石坝应力变形分析中坝体单元处于三向应力条件下,由于加载引起的应力各向异性对心墙乃至整个坝体的应力变形规律都有较大影响,合理的本构模型应该能够反映并描述这种复杂应力状态下的应力各向异性。     

砂土-格栅筋土界面特性的本构模型研究

基于砂土与土工格栅、土工织物界面的室内大型直剪试验,分析了两种不同界面的力学性能。试验结果表明,峰值、残余剪切应力与界面剪胀性曲线存在一定的联系,即峰值强度通常会发生在界面相对减缩过程结束和残余剪切强度发生在界面的相对剪胀过程结束。加载过程中由于土工合成材料的逐步磨损、褶皱或者断裂导致了筋土界面强度出现较为明显的强度软化现象,在界面抗剪强度的研究中不可忽略。在试验基础上提出一种能够描述筋土界面力学性能的组合本构模型,该模型包含4个关系式：(1) 峰值、残余强度包络线;(2) 强度峰值前的双曲线模型;(3) 强度峰值后的位移软化模型;(4) 反映剪胀特性的界面剪胀模型。该组合模型的预测结果与直剪试验结果吻合较好,表明所用模型是合理的。     

加筋黏性土挡墙长期工作性能的试验研究

基于加筋黏性土挡墙的长期工作性能试验,综合分析加筋土挡墙在回填、加载过程及加载后各阶段对格栅应变、面板变形及墙后土压力的影响,以及格栅应变受模型槽尺寸效应的影响。试验结果表明：顶部加载完成后格栅应变随时间增加而逐渐增大,约6个月后增加趋势变缓并趋于稳定;随着距面板距离的增大,筋材应变先增大后减少,随着时间增长,黏性土中格栅应变沿全长发展并均有相应增长;受模型槽挡板与填料间的摩擦以及加载板与模型槽间存在间隙的影响,靠近两侧挡板筋材的应变值要比中间测点小些;相同位置处挡墙后最大水平土压力监测值约为朗肯主动土压力计算值的2倍;竖向土压力最大值仅为考虑顶部载荷和自重后应力总和的1/3左右,表明格栅加筋使挡墙填土中应力得以重新分布。     

单桩不同加载条件下有限元模拟及侧摩阻力分析

采用弹塑性有限元法,结合岩土体结构特征,应用接触单元模拟桩土之间的不连续面,分别对单桩传统静载加载方式和自平衡加载方式进行数值模拟。自平衡加载方式的数值模拟结果与实际自平衡测试结果吻合较好,说明选取的模型和参数比较合理。进而采用此模型和参数,对传统静载加载方式进行数值模拟,得出桩上部荷载传递过程中桩及桩周岩土体应力及位移,求出各单元的应力应变,确定出桩侧法向应力,结合桩土之间摩擦试验的参数,根据莫尔-库仑理论求出桩侧摩阻力。最后将有限元数值模拟和自平衡实测侧摩阻力值进行对比,验证了在选用合理的模型和物理力学参数的基础上,有限元计算的侧摩阻力值和实测值较吻合,通过有限元方法计算获得的单桩侧摩阻力值具有一定的可借鉴性和实用性。      

根-土复合体的三轴试验及其强度分析

植被根系对土体的强度有显著影响。现有研究缺乏准确的模型描述根-土复合体破坏时应力状态。为量化植被根系对土体强度的贡献,采用一系列固结不排水三轴试验研究了含根量对根-土复合体强度特征的影响,并基于能量耗散原理建立了根-土复合体强度预测模型,最后对比分析了试验结果与模型预测值。结果表明:根系可显著提高根-土复合体强度,当含根量为0.486%,根-土复合体的偏应力较素土增大了1.70倍,抗剪强度较素土提高了72.1%,围压较小时根系对土体强度的提高更为显著;根-土复合体内摩擦角随含根量的增加变化较小,而根-土复合体的黏聚力随含根量的增加而逐渐增大;根-土复合体模型预测值与试验结果较为接近,表明该模型具有较高的准确率和可靠度。研究成果可为根-土复合体强度特性理论研究提供参考,并为根-土复合体强度预测提供了可靠方法。     

考虑格栅流变性的加筋挡土墙格栅等效应力计算

将土工格栅加筋土作为宏观均匀的各向异性材料 ,在考虑格栅与土之间变形协调、土为满足Mohr Coulomb破坏准则的理想弹塑性材料及格栅为粘弹性材料的条件下 ,假定格栅加筋土宏观应力由土和筋材两种微观应力所组成 ,通过引入格栅的流变模型 ,建立了筋土复合体中格栅的等效应力计算方法 ,并将结果与未考虑流变时的格栅应力法进行了对比分析。     

紫花苜蓿根系?黄土复合体剪切特性与库仑修正模型

植物根系可以显著提升土体的强度。为探究紫花苜蓿根系对黄土抗剪性能的增强作用,选取生长周期为60 d的紫花苜蓿根系?黄土复合体为研究对象,通过剪切试验和根系拉伸试验获取紫花苜蓿根系?黄土复合体抗剪强度和根系抗拉强度参数,采用电子放大镜观察紫花苜蓿根系结构与特征,利用经验公式建立根?土复合体库仑修正模型,并对比分析库仑修正模型、WWM模型及修正WWM模型的优缺点,对黄土地区植物根系增强土体强度进行评价。结果表明:紫花苜蓿根系对土体抗剪性能的增强效应显著;紫花苜蓿根系发达,根径在0.2~6.7 mm,随着根径的增大,单根极限抗拉力呈指数式增大,抗拉强度呈指数式降低;不同RAR(Root Area Ratio,即根系横截面积之和与土体横截面积的比值)下的根?土复合体抗剪强度相比素土样提升显著,RAR与黏聚力和内摩擦角之间具有显著的相关关系,其中RAR与黏聚力之间呈线性正相关关系,与内摩擦角之间呈高斯函数关系;根?土复合体库仑修正模型对黄土区草本植物根?土复合体的抗剪强度增量预测具有较好的合理性、有效性及适用性,修正WWM模型次之,WWM预测精度相对较差;而在木本植物根?土复合体的抗剪强度增量预测方面,根?土复合体库仑修正模型和修正WWM模型的预测精度要远高于WWM模型。研究结果对黄土地区植被护坡工程具有指导意义。      

考虑细观结构演化的非饱和Q_3原状黄土弹塑性本构模型

Q_3原状黄土是典型的非饱和土,具有明显的结构性,其力学变形特征与结构性密切相关。建立黄土的本构模型有必要考虑加载和湿陷过程中结构演化特征,才能真实地反映原状黄土的固有特性。假设原状黄土的屈服应力是重塑黄土与结构性两者的耦合,基于细观结构演化规律,考虑吸力和结构性的影响,提出了一个非饱和Q_3原状黄土的弹塑性本构模型。模型包括土骨架变形与水量变化两个方面,土骨架变形方面以修正Barcelona非饱和土弹塑性模型为基础,引入通过CT三轴试验获得的Q_3原状黄土加载-湿陷过程中的结构演化方程,分别得到描述土骨架在加载和湿陷过程的本构模型,以突出加载和湿陷过程中结构性对变形的影响;水量变化方面则采用广义土-水特征曲线描述,以反映净平均应力和偏应力对持水性的影响。模型总计22个材料参数,均可由试验确定。通过对比若干试验数据与模型计算结果,初步验证了模型的合理性。建立的考虑结构性的弹塑性本构模型为深化认识黄土力学特性提供了可能,并为有效分析黄土地基湿陷变形提供了一定借鉴。     

压力分散型锚索内力变化规律试验研究

对压力分散型锚索的每个承载体单元采用了分级循环加载的方法,通过新的地质力学模型试验,研究压力分散型锚索各单元内力变化规律,并根据试验方法和压力分散型锚索锚固段的受力状态,导出了分级循环加载条件下接触面满足摩 尔-库仑强度条件时的弹性理论解。试验结果表明,在软岩和粉土地质条件下,前者的注浆体应变和剪应力分布相对后者比较集中,加载过程中单元间影响相对较小;基于摩尔-库仑准则的弹性理论解可以较好地描述锚索注浆体在分级循环加载后的应变和剪应力分布规律。研究结果对正确分析压力分散型锚索加固作用机制和锚固工程设计具有较好的参考价值。     

粗粒土的离心模型试验与数值模拟

岩土工程数值计算中粗粒土常采用邓肯-张本构模型,为了验证该模型在轴向加载、卸载、侧向加载等复杂应力路径条件下的适用性,进行了粗粒土的三轴试验获取其力学特性及本构模型参数;根据相似性原理制作了堆石坝的离心模型试样,并采用与三轴试验同样级配与粒径的粗粒土进行复杂应力路径的堆石坝离心模型试验,试验中通过改变离心加速度模拟加载、卸载,利用上游蓄水模拟坝体的侧向加载;采用ABAQUS对离心模型试验进行三维数值模拟,并研究了模型箱侧壁摩擦系数与土体的初始应力对数值结果的影响。通过比较离心模型试验与数值模拟成果,表明土体的初始弹性模量对计算结果影响较大,初始应力应选择自重作用下的应力场;邓肯-张本构模型能较好地描述堆石坝的加载应力路径,而模拟卸载应力路径有一定的差异,需要改进邓肯-张本构模型中卸载模量的确定方法。     

Clay minerals in fluvial shaley sandstone of upper Triassic reservoir (TAGS)—Toual field SE Algeria: identification from wireline logs and core data

The creep property of rock under cyclic loading is very important in civil engineering. In order to establish a novel constitutive equation for rock under cyclic loading, a fractional-order viscoplastic body under cyclic loading was constructed based on fractional-order viscous element. A fractional-order visco-elastoplastic model (FVEPM) for rock was established by connecting constructed fractional-order viscoplastic body with Burgers model. The model was a Burgers model when the maximum value of cyclic loading was less than the critical strength of rock; otherwise, it was a FVEPM which can be used to reflect the transient, steady-state, and tertiary creep phases of rock. The cyclic loading was decomposed into a static load and a cyclic loading with a zero average stress. According to rheological mechanics theory, the rheology constitutive equation of rock under the static load can be derived. According to viscoelastic mechanics theory, the constitutive equation under cyclic loading with a zero average stress was established by introducing the variation parameters of energy storage and energy dissipation compliance caused by rock damage and fracture. Finally, a new dynamic constitutive equation of rock cyclic loading can be obtained by superimposing the constitutive equation under static load and cyclic loading with a zero average stress. Compared with existing test results of rock under cyclic loading, the proposed constitutive model can be used to describe the creep characteristics of rock under cyclic loading and reflect the presented fluctuation of strain curve of rock under cyclic loading.     

冻融作用下岩石力-热-水耦合本构模型研究

在寒区隧道工程中,冻胀的水分迁移作用加剧了隧道围岩的冻融破坏。耦合水分迁移作用的岩石本构模型对防治冻融渗漏、崩塌等隧道围岩灾害有着重要意义。基于内状态变量理论,将冻胀过程中的水分迁移量作为本征变量引入Helmholtz自由能,在热力学框架下建立了一个岩石力-热-水耦合本构模型。模型描述了温度和水分迁移对冻融后岩石损伤阈值、等向强化饱和值、等向强化速率等力学参数的影响。模拟了岩石冻融后力学性质的劣化。区别于全量经验公式,本模型以增量形式给出,为复杂应力历史条件下的数值模拟提供了便利。通过将模型模拟曲线与冻融后岩石常规三轴压缩试验曲线进行对比,初步验证模型的可靠性,为实际寒区工程的冻胀破坏预测提供参考。     

On overestimation of displacements in numerical calculation of zoned dams

Overestimation of displacements in numerical calculations can occur if some requirements are not met by the constitutive relations. Along with consideration for small strain behaviour of soils¹ the stiffening effects of unloading in shear should be taken into account. The latter problem is analysed in the paper using embankment dams as a typical example. Strain and stress paths in their cores and shells were derived from field measurement results and frequent path direction changes during seemingly monotonic loading process were discovered. Proportional loading test results of isotropically and anisotropically consolidated sand allowed interpretation of the in situ paths by the incremental theory of plasticity and distinction between the sections where unloading and reloading in shear develop. Furthermore, the analysis of these tests showed a marked stiffening of the soil due to unloading as well as neutral loading in shear. The strain redistribution due to material inhomogeneity, either inherent or introduced by the loading process, was identified as a common reason for the frequent occurrence of this phenomenon. Consequently, overestimations in displacement calculations can be brought about by neglecting this important effect by the constitutive model used. Accordingly, the unit response envelopes of some typical constitutive laws have been checked from this special point of view, and the models properly describing this phenomenon selected.     

循环加-卸载岩石本构模型研究

循环加-卸载岩石本构模型是预测压气储能洞室长期稳定性的关键,但目前还没有适用的本构模型,因此,提出了一种能够描述岩石循环加载和卸载的本构模型。鉴于岩石在循环作用下损伤不断累积,将基于Weibull分布的岩石损伤软化模型进行拓展,并用内变量疲劳本构模型描述每个循环的初始模量和卸载模量的变化,进而得到循环加-卸载作用下的岩石本构模型,然后将该模型与现有的试验结果进行对比。该模型物理意义明确,涉及的参数较少,且便于拟合。提出的循环加-卸载下岩石本构模型对试验数据拟合效果较好,能较准确地反映循环荷载上、下限值对应的轴向应变,也能反映出循环内部变形模量衰减的趋势。该模型的成功建立为循环加-卸载下岩石本构模型的研究提供了新思路。     

基于Hardin曲线的土体边界面本构模型在ADINA软件中的实现

为了提出一种适合于岩土地震数值模拟的土体本构模型,基于土体动应力-应变关系的Hardin曲线及其在非等幅往返荷载下的Pyke修正,采用von Mises准则在偏应力平面上构造边界面,以反向加载点和当前应力点的连线在边界面上投影的比例作为硬化参数,推导了塑性硬化模量并给出该边界面本构的具体增量表述。在有限元软件ADINA中通过自定义材料的二次开发实现了该本构模型,并利用动三轴试验对该本构模型进行了验证。数值模拟与试验结果的对比表明,本构模型能如实反映土体的应力-应变关系。针对实际工程场地的地震反应,应用边界面本构模型在ADINA中进行了二维数值模拟,与SHAKE91的计算结果进行了对比,说明了该本构模型应用于岩土地震工程问题的合理性。     

土体三维卸荷弹塑性模型及其试验验证

天然土体经历开挖卸荷应力路径后,其应力变形特性与常规加载应力路径条件下规律存在较大差异。目前常用土体本构模型大多建立在等向固结单向加载三轴试验基础上,没有考虑初始K0固结和开挖卸荷应力路径的影响。以剑桥模型为基础,借鉴关口-太田模型的建模思想,通过引入新的应力比参数,对p-q平面上屈服轨迹硬化轴进行旋转,调整弹性区范围,以反映初始K0固结的影响;再运用变换应力法将模型三维化处理,从而使模型可以描述土体三向不等向应力状态,最终得到一个能综合反映土体K0固结开挖卸荷应力-应变特性的三维弹塑性本构模型。通过和典型室内应力路径试验结果进行对比,验证了模型的合理性。     

AN INTERFACE MODEL FOR ANALYSIS OF DEFORMATION BEHAVIOUR OF DISCONTINUITIES

An interface constitutive model is presented accounting for slip and sliding effects and also for dilatancy phenomena. The microslip effects are described by considering spherical asperity interaction with variation of contact area and generation of progressive or reverse slip zones. The incremental constitutive equations are derived with proper memory rules accounting for generation and annihilation of particular slip zones during the process of variable loading. It is further assumed that sliding of spherical contacts occurs along large asperities whose slope varies due to the wear process. The predicted shear and dilatancy curves are shown to provide close quantitative simulation of available experimental data. The strain ratchetting effect for non-symmetric cyclic loading was exhibited using the asperity wear model. The model presented could be applied to simulate rock joints, masonry, or concrete cracked interfaces, under monotonic and cyclic loading.     

黏土的应力路径本构模型

根据黏土应力-应变曲线的特点及其应力路径的相关特性,将作者所建立的砂土应力路径本构模型扩展用于黏土,建立了黏土的应力路径本构模型,利用变换应力方法将SMP准则用于黏土的应力路径本构模型,使模型得到了合理的三维化。黏土的应力路径模型与修正剑桥模型相比,在双向加载A区和卸载D区二者完全相同;在单向加载B区和F区,两种模型均可计算塑性应变;特别是在C区和E区,黏土的应力路径模型可计算塑性应变,而修正剑桥模型的塑性应变为0。通过与修正剑桥模型比较和对藤森黏土试验结果的预测,反映了黏土应力路径本构模型描述黏土在不同应力路径条件下应力-应变特性的优越性。