堆石料Gudehus-Bauer亚塑性本构模型改进及参数确定方法

研究了Gudehus-Bauer亚塑性本构模型和模型参数的求取方法。采用侧限压缩试验曲线求取模型参数颗粒硬度hs和指数n。根据模型方程的推导,建立了拟合指数 和 与围压之间的关系,并提出了新的拟合参数。考虑到堆石料具有明显的剪胀、剪缩性,在Gudehus-Bauer模型线性项中增加了主要控制体积应变项 ,以改善模型对堆石料体积应变曲线的描述。采用堆石料大型侧限压缩试验、常规三轴试验分别验证了新的拟合参数和改进后的Gudehus-Bauer亚塑性本构模型。与堆石料试验成果比较,提出的新拟合参数与改进后的Gudehus-Bauer亚塑性本构模型可以较好地模拟堆石料的应力-应变特性,并较好地改善了堆石料体变曲线的模拟结果。对改进后的模型作了常规三轴加、卸载模拟,模拟结果反映了改进的Gudehus-Bauer亚塑性本构模型具有一定的卸载适应性。     

基于广义位势理论的土的非共轴特性研究

传统的塑性位势理论隐含了应力主方向和塑性应变增量主方向共轴的假定,无法客观地描述主应力轴旋转过程中的非共轴现象。基于广义位势理论提出的拟弹性弹塑性本构模型,把总的塑性应变分解为满足弹性分解准则的拟弹性部分和符合传统塑性理论假设的纯塑性部分,分解后建立的模型更为合理和简便,同时又可以解决土的非共轴问题。通过单剪试验结果的验证表明,基于广义位势理论的拟弹性弹塑性模型的模拟效果较好,传统的弹塑性模型（共轴模型）模拟得到的主应力方向和塑性主应变增量方向保持共轴,而拟弹性弹塑性模型（非共轴模型）的模拟结果则能够合理地描述主应力轴旋转过程中的非共轴特性,结果更符合实际,从而为解决土的非共轴特性问题提供了一种有效的方法。     

堆石料强度变形特性与非线性弹性本构模型研究

在大型三轴试验研究的基础上,提出了堆石料应力-应变关系、侧向应变与轴向应变关系的指数函数表达式,以及抗剪强度包线在q-p平面上的幂函数表达式。继而推导得到了一个反映堆石料强度与变形特性的非线性弹性本构模型。通过对实体工程的数值模拟,将Duncan E-B模型与新建模型进行了对比分析,验证了该模型的可行性。     

基于广义位势理论的接触面本构模型一般表述

基于广义位势理论建立的岩土体材料本构模型以及岩土体材料与结构接触面本构模型原理相通,只是前者是在三轴剪切试验条件下的三维应力空间建模,后者是在单剪试验条件下的二维应力空间建模。单剪试验条件下土与结构的接触面问题可以看作是法向与切向应力空间上的二维问题,其试验结果可以表达成由应力、应变组成的二维矢量。结合接触面力学特性,确定应力空间中的势函数以及塑性状态方程,可以推导出双重势面接触面弹塑性本构方程的一般表达式。进一步取两个势函数分别为法向应力和切向应力,建立简化双重势面接触面弹塑性模型的本构方程,该方程可直接应用于有限元等数值分析。结合试验实例对建模方法的合理性进行验证,模型拟合效果良好。研究结果表明,基于广义塑性位势理论建立接触面本构模型无需推求塑性势函数和屈服函数,可以直接得到弹塑性刚度矩阵,且建模方便。     

考虑颗粒破碎影响的粗粒土本构模型

颗粒破碎直接改变了粗粒土本身结构,对粗粒土的剪胀、内摩擦角、峰值强度、渗透系数都会产生影响。为了能够准确地描述粗粒土的应力-应变关系,特别是高应力条件下出现显著颗粒破碎时的应力-应变关系,亟待建立考虑颗粒破碎的粗粒土本构模型。根据三轴试验数据,建立考虑颗粒破碎耗能的应力-应变关系,采用相关联流动法则导出考虑颗粒破碎的粗粒土本构模型。所建立的本构模型考虑了颗粒破碎对粗粒土剪胀、内摩擦角的影响。通过变异粒子群优化算法确定模型参数,拟合试验曲线。模型计算结果与试验曲线拟合较好,能够很好地描述粗粒土在不同围压下的体积剪胀、剪缩和应力硬化、软化现象。     

模拟应变软化岩石三轴试验过程曲线

在经典弹塑性理论框架下,认为岩石材料在应变软化过程中遵守摩尔-库仑强度准则,塑性变形服从非关联流动法则。对两组岩石在三轴试验中呈现的应变软化行为进行了分析,获取了峰值前后强度参数的大小。采用应变软化模拟方法,将应力-应变曲线峰后应变软化阶段简化为一系列应力跌落和塑性流动的脆塑性过程,在给定的强度参数演化规律基础上,得到了岩石的应力-应变曲线、侧向应变-轴向应变曲线、体应变-轴向应变曲线和塑性体应变-轴向塑性应变曲线。模拟得到的应力-应变曲线与试验结果吻合较好,其他曲线与相关试验测试规律基本一致。研究成果对确定岩石强度参数与认识岩石峰后强度演化规律有一定的指导意义。     

适用于饱和砂土循环动力分析边界面塑性模型的显式积分算法

基于适用于饱和砂土循环动力分析的边界面模型,利用修正广义Mises方法将其推广至三维应力空间中,引入与状态相关的剪胀函数,采用历史最大加载面硬化准则,以反映饱和砂土排水条件下刚度变化、剪胀剪缩等特性。结合子增量步显式积分算法的思想,建立了适用于饱和砂土循环动力分析边界面模型的显式积分算法流程。借助有限元软件子程序接口,将该算法流程开发到有限元软件中,通过建立土体单元数值模型,对Toyoura砂在单调荷载和循环荷载下的三轴试验工况进行模拟。结果表明,利用子增量步显式积分算法对模型进行积分,能够准确有效地模拟砂土的应力-应变曲线、以及砂土在单调和循环荷载作用下均展现的剪胀剪缩现象,验证了显式积分算法的有效性。通过设置不同的增量步长,验证了子增量步显式积分算法对于较小应变增量步的高度稳定性和收敛性。     

高地应力下硬岩的本构模型研究

传统的本构模型在模拟高地应力下硬岩破坏的范围和深度方面并不理想。针对高应力下的拉西瓦花岗岩,通过真三轴压缩试验模拟了开挖时应力路径的演化。在摩尔-库仑强度准则、格里菲斯强度准则、德鲁克-普拉格准则、双剪统一强度理论和霍克-布朗强度准则的基础上,考虑十二面单元体主剪面上主剪应力、正应力和静水压力的共同作用,提出了一个有关高应力下硬岩的三剪强度准则。根据试验结果,利用遗传算法全局寻优的功能,搜索出了三剪强度准则的参数。预测样本和与摩尔-库仑强度准则、德鲁克-普拉格准则、双剪统一强度理论的比较表明,该三剪强度准则与试验结果吻合,适用于高地应力下的硬岩。根据试验得到的应力-应变关系曲线,建立了基于三剪强度准则和应变软化的弹-脆-塑性本构模型,并用FLAC3D提供的基于C++的用户自定义模型工具UDM,创建了用户自定义模型的动态链接库,嵌入了FLAC3D软件。采用遗传算法-FLAC方法,搜索得到了基于岩石试样和岩体的本构模型参数。计算结果与实测情况吻合,表明建立的本构模型适用于高地应力下的硬岩,为高地应力下硬岩地下工程的安全性和稳定性分析奠定了基础。     

尾矿充填模袋界面摩擦性能试验研究

模袋法这一新型的筑坝工艺是用来解决传统上游法细粒尾矿堆坝难的问题。但目前对其力学性能的理论与试验研究还有待进一步完善,本文采用与某矿山工程施工现场一样的土工布和尾砂,通过对固结一定天数的模袋体及一定压实度的尾砂与土工布进行界面摩擦直剪试验研究。摩擦性能试验表明:对于不同压实度的尾砂与土工布界面摩擦试验和不同充填度的模袋体界面摩擦试验,压实度和填充度越大,其界面摩擦角越大;由于土工布和尾砂的共同作用,模袋的抗剪强度远大于单纯的尾砂抗剪强度,为研究尾矿充填模袋筑坝抗剪强度稳定性提供指导。     

考虑各向异性影响的冻土修正线性黏结接触模型开发及应用

针对冻土的各向异性特性,基于线性黏结接触模型,建立了能够反映冻土各向异性特性的修正线性黏结接触模型,并通过C++语言生成供颗粒流程序PFC3D调用的离散元本构子程序DLL。首先对单一接触进行了拉伸、直接剪切测试,通过对比数值与理论结果,验证了考虑各向异性影响的冻土修正线性黏结接触模型的正确性。此外,模拟了不同温度条件下的冻土三轴压缩试验,并与试验得到的应力-应变曲线进行对比,结果表明,所提出的修正线性黏结接触模型对冻土具有较好的适用性。基于标定后的模型细观参数,开展了一系列的三轴压缩离散元数值模拟,利用模拟结果探讨了虚拟弱面法向倾角对冻土的应力-应变曲线特征、强度及抗剪强度指标的影响,并分析了有效配位数、细观组构量的演化规律。研究结果可为冻土各向异性宏-细观力学特性提供数值基础。     

基于有限元极限平衡法的尾矿坝坝体稳定分析

在平面应变条件下,采用基于弹塑性应力应变分析的有限元极限平衡法对尾矿坝坝体的稳定性进行研究。该方法可较好地结合极限平衡分析方法和有限元应力分析方法的特点。通过弹塑性有限元分析,合理准确地考虑结构整体应力场的影响,进而结合Hooke-Jeeves法优化搜索最危险滑动面的位置及其对应的最小安全系数。以某尾矿坝实际工程为例,比较分析了考虑正常、洪水以及特殊工况运行下有限元极限平衡法与极限平衡条分法和有限元强度折减法在安全系数大小及滑动面形状和位置的差异,重点运用有限元极限平衡法对尾矿坝坝体的稳定性进行验算并作出安全评价,为尾矿坝的安全设计施工提供可靠依据和技术支撑。     

基于旁压试验土体弹塑性本构模型初探

在大量旁压试验数据分析的基础上,通过曲线拟合,建立了旁压试验弹塑性阶段曲线的椭圆方程,利用土体SMP屈服准则和Rowe流动法则,推导出土体塑性阶段应力增量与应变增量间关系矩阵。在弹性阶段,假设土体应力-应变服从广义虎克定律,建立了基于旁压试验的土体弹塑性本构模型。编制了相应的计算程序,将文中模型计算结果与实际旁压试验曲线进行对比,初步验证了模型的正确性。将本构模型编译为ABAQUS自定义材料子程序UMAT,通过有限元对比分析,文中模型计算变形较弹性模型小,较摩尔-库仑模型大,与模型建立的假设一致。基于旁压试验的土体弹塑性本构模型参数少,且易于获取,便于在实际工程中应用。     

温庄尾矿库堆坝模型试验及坝体稳定性分析

以温庄尾矿库为工程背景,通过室内堆坝模型试验,获得到了在坝体堆积过程中尾矿颗粒在库内沉积分布特征、浸润线的变化规律等基础资料。在此基础上,以多孔介质有效应力理论为依据,建立了多孔介质流-固耦合数学模型,利用有限元软件ABAQUS对该库尾矿坝的应力场与渗流场进行了分析,获得了坝体内的应力场及孔隙压力的分布规律,研究成果可为尾矿库的设计、施工和安全生产提供技术支撑。     

四川会东老虎岩尾矿坝地震反应分析

应用有效应力有限元法研究了老虎岩尾矿坝在不同坝高时的应力水平、变形和孔隙水压力分布,以及遭到Ⅶ度地震作用时的反应.分析结果表明:在当前坝高情况下,无地震作用时尾矿坝处于稳定状态.在受烈度为Ⅶ度的地震作用下,尾矿堆积坝坝外坡和沉积滩面的堆积尾矿砂土在局部已经发生液化破坏;在封库坝高情况下,无地震作用时尾矿坝处于极限状态.在受烈度为Ⅶ度的地震作用下,尾矿坝坝外坡和沉积滩面的堆积尾矿砂土已发生大面积液化破坏.在地震作用下,老虎岩尾矿坝堆积尾矿产生液化破坏的主要原因是堆积坝体内浸润线的埋深较浅.对老虎岩尾矿坝必须加强排渗措施,使坝体内浸润线下移.     

基于试验的花岗岩渐进破坏本构模型研究

对取自大渡河流域大岗山电站的花岗岩进行了系统的试验研究,得到了不同围压下的应力-应变曲线。根据岩样受力过程中内部微裂纹的活动状态,定义了4个特征应力,即闭合应力、起裂应力、破损应力、峰值应力,来反映花岗岩的渐进破坏过程,特征应力也反映了岩石内部的损伤程度。依据特征应力,将试验曲线分为4个阶段,并对每一阶段分别求取变形模量和泊松比。结果表明,变形模量不仅与围压有关,且与岩石的损伤程度有关,而泊松比只取决于岩石的损伤程度。特征应力可由体积应变曲线结合线性回归技术准确求取。在此基础上,提出了一个考虑花岗岩渐进破坏的本构模型。在该模型中,变形参数(弹性模量、泊松比)是应力状态的函数,强度参数（凝聚力、内摩擦角）是塑性变形的函数。将该模型嵌入大型有限元分析软件ABAQUS,对不同围压下的花岗岩室内压缩试验进行模拟,结果表明,模拟所得的应力-应变曲线与试验曲线的吻合程度较高,模型能反映花岗岩等脆性岩石的峰前非线性力学行为。     

初始含冰量对冻结粉质砂土变形与强度的影响

基于一系列同一温度、不同初始含冰量和应变率条件下的高含冰冻结粉质砂土的单轴压缩试验,开展了高含冰量对冻结粉质砂土变形行为和强度特性的初步研究。结果表明：随着试样中初始含冰量的增加,冻结粉质砂土的塑性增强,当初始含冰量超过210.1%后,应力-应变曲线趋近于冰的特性,可用修正的Duncan-Chang双曲线模型较好地描述其单轴压缩应力-应变关系;当应变率为0.083×10-3 s-1和0.467×10-3 s-1时,其初始切线模量呈非线性增大,但当应变率为0.667×10-3 s-1时,初始切线模量增大到一最大值之后转而减小,并且影响程度与应变率大小有关;当初始含冰量从32.9%增加到304.0%,冻结粉质砂土强度也是先非线性增大,然后逐渐趋于稳定,两者可用对数函数关系很好地描述。其研究结果可为开展高含冰冻土区路基的稳定性评价提供基础。     

金堆城尾矿坝加高方案数值模拟及稳定性分析

金堆城尾矿坝为了进行加高设计而对尾矿库区进行了地质钻孔勘探。基于实际钻孔勘探成果,最佳反演分析了各分区-尾矿砂和初期坝堆石体模型的渗透系数、物理力学指标和加高方案下的浸润面分布。结合加高设计方案,采用基于有效应力法的EFES-3D计算程序对该尾矿坝加高后的应力应变场进行了数值模拟和坝坡稳定性分析,得出应力应变场分布图和边坡安全系数。可以看出,在上游法加高方案下,尾矿坝坝坡有涌起抬高现象,安全系数有所降低,不利于尾矿坝的稳定安全和运行管理。为此提出了在加高方案设计中加强排渗设施建议。     

混凝土面板堆石坝应力变形长期性状有限元模拟

为了获得混凝土面板堆石坝长期力学行为（尤其流变变形对混凝土面板堆石坝工作性状的影响）定量分析成果,运用ABAQUS有限元对国内某抽水蓄能电站混凝土面板堆石坝进行了数值模拟。采用考虑非线性强度的改进双屈服面流变模型描述堆石料长期力学性能,其中瞬时塑性变形采用改进双屈服面模型确定,而黏塑性流变变形采用指数衰减函数定义。有限元分析获得坝体、单元和面板在填筑期、蓄水期与运行期的应力与变形一般规律。结果表明：运行阶段堆石流变变形对混凝土面板堆石坝应力、变形性状产生显著影响。研究结论有益于进一步了解和合理预测混凝土面板的长期性能。     

基于流固耦合作用的某尾矿坝渗流稳定性分析

尾矿坝是矿山重要设施之一,其内部含有大量的水和尾矿,一旦失稳造成的损失不可估量。尾矿坝失稳有众多因素影响,但是坝内浸润线是最活跃的影响因素。本文基于流固耦合理论,建立某尾矿坝有限元计算模型,考虑坝内排水井的存在。模拟坝内不同工况下浸润线分布,对其静力稳定性及流固耦合作用下尾矿坝应力应变场进行分析,并将浸润线模拟位置与实际监测结果进行对比。揭示库内不同工况下浸润线变化规律以及与坝体稳定性之间的关系,并分析评价不同工况下尾矿坝的稳定性。最后,将渗流场与应力场进行流固耦合,模拟出365 d坝内应力位移分布,为尾矿坝施工及安全运行提供可靠的依据及技术支持。     

精细地形下的尾矿坝稳定性及溃坝模拟分析

目前在尾矿坝稳定性和溃坝模拟分析方面,对溃口位置及水砂的流动状态难以做出准确判断。将尾矿坝稳定性和溃坝模拟有机结合,采用FLAC3D计算正常水位、洪水位、漫顶水位三种工况下尾矿坝稳定性,并利用Rhino与Fluent建立尾矿库及下游精细地形,开展尾矿库溃坝水砂在不同时刻及不同地形下的流动状态研究分析。结果表明:（1）浸润线的埋深随尾矿库水位的升高而变小,由正常水位升高至洪水位时浸润线埋深下降5～8 m,漫顶水位时坝顶浸润线沿坡面向下运移约8 m;（2）库水位对剪切带及尾矿坝稳定性有显著影响,从正常水位到洪水位时,剪切带纵向上不断向坝体内部延伸,横向上不断向坝脚延伸,剪切应变率增大为5.78×10?5,尾矿坝稳定系数由1.80下降至1.32;（3）达到坝顶时剪切带急剧缩短,而剪切应变率进一步增大为3.32×10?4,尾矿坝稳定系数由1.32下降到1.18。溃坝水砂的流动状态受地形影响明显,在山谷中表现为范围减小、流速增大的汇聚流动,在平坦农田处表现为范围增大、流速减小的发散流动特点。