真三轴条件下非饱和黄土的有效应力屈服特性

为了研究非饱和黄土在有效应力空间的屈服特性,利用真三轴仪对非饱和原状黄土进行了不排水等向净应力压缩固结和不同中主应力参数b值的剪切试验,研究了真三轴压缩条件下非饱和黄土的有效应力屈服变化规律。研究结果表明：有效应力比随着中主应力或净围压的增大而减小,中主应力的增大作用对有效球应力的影响大于广义剪应力;由有效应力比?体应变关系曲线确定的剪缩屈服曲线在有效应力空间具有良好的规律性,屈服点的有效屈服应力随着中主应力和初始吸力的增大而增大;π平面上的有效应力屈服强度面和强度破坏面与SMP强度准则稳合较好,有效球应力和初始吸力越大,屈服强度面和强度破坏面越大。提出了真三轴条件下弹性剪应变和塑性剪应变的计算公式,通过分析有效应力与塑性应变关系得出有效应力空间中不同子午平面内的塑性势面呈椭圆形,且随着中主应力的增大,椭圆屈服面增大。     

真三轴条件下非饱和黄土的有效应力屈服特性

为了研究非饱和黄土在有效应力空间的屈服特性,利用真三轴仪对非饱和原状黄土进行了不排水等向净应力压缩固结和不同中主应力参数b值的剪切试验,研究了真三轴压缩条件下非饱和黄土的有效应力屈服变化规律。研究结果表明:有效应力比随着中主应力或净围压的增大而减小,中主应力的增大作用对有效球应力的影响大于广义剪应力;由有效应力比-体应变关系曲线确定的剪缩屈服曲线在有效应力空间具有良好的规律性,屈服点的有效屈服应力随着中主应力和初始吸力的增大而增大;π平面上的有效应力屈服强度面和强度破坏面与SMP强度准则稳合较好,有效球应力和初始吸力越大,屈服强度面和强度破坏面越大;提出了真三轴条件下弹性剪应变和塑性剪应变的计算公式,通过分析有效应力与塑性应变关系得出有效应力空间中不同子午平面内的塑性势面呈椭圆形,且随着中主应力的增大,椭圆屈服面增大。     

广义塑性力学中的屈服面与应力-应变关系

详细讨论了广义塑性力学中屈服面和塑性势面的对应关系以及岩土材料的三类屈服面(即体积屈服面与 q 方向上及方向上的剪切屈服面)的基本特征, 尤其是提出了能考虑剪胀与剪缩的体积屈服面和应力 Lode 角θσ方向的剪切屈服面。指出在广义塑性力学中不必采用硬化定律, 就能得出塑性应变增量与应力增量的关系, 给出了求弹塑性矩阵的方法。     

桩间黄土卸荷湿陷过程中卸荷量计算方法初探

为确定桩间黄土卸荷湿陷过程中卸荷量的合理取值,开展桩−土界面大型剪切试验,研究桩间黄土卸荷湿陷状态下桩−土界面剪切强度、剪切位移及桩−土界面法向力之间的相关关系。结果表明：在桩间土中性点深度范围内,不同竖向应力和含水率状态下的桩−土界面剪切强度可代表桩侧负摩阻力。利用卸荷量与桩侧负摩阻力互为作用力与反作用力的力学原理,并在分析卸荷量随湿陷深度和湿陷进程变化规律的基础上,提出黄土卸荷湿陷过程中卸荷量计算方法,通过对比卸荷量计算值与不同黄土地区桩侧负摩阻力现场实测值,以验证其合理性。该方法不仅为科学评价黄土卸荷湿陷特性提供卸荷作用量化手段,还为相关黄土工程的优化设计提供理论参考依据。     

考虑卸荷作用的黄土湿陷性评价方法研究

卸荷作用会导致湿陷性黄土部分湿陷量未发生,但目前黄土湿陷性评价方法中未考虑卸荷因素的影响。推导并建立了卸荷条件下黄土湿陷系数的表达式,并通过卸荷湿陷试验确定了表达式中的参数取值。首先定义湿陷完成比、卸荷应力比分别用来表征卸荷作用发生前黄土湿陷变形的完成程度及卸荷作用发生时卸荷量的大小。运用湿陷完成比及卸荷应力比推导出卸荷湿陷系数的计算公式。该公式揭示出卸荷湿陷系数是对湿陷系数一定程度的折减,而该折减与湿陷完成比及卸荷应力比有关。随后进行黄土在不同湿陷完成比和卸荷应力比下的卸荷湿陷试验,得到上述条件下黄土卸荷湿陷量的取值。对试验结果进行分析得到卸荷湿陷系数的具体表达式。该公式可用于计算在不同初始压力下,任意湿陷完成比及卸荷应力比下的卸荷湿陷系数。通过对比卸荷湿陷系数的试验值与计算值验证了所推公式的合理性及准确性。得到了考虑卸荷作用的黄土湿陷性影响系数的确定方法,进一步总结了卸荷作用对黄土湿陷性的影响规律。     

增(减)湿时黄土的湿陷系数曲线特征

分别采用单线法和双线法对原状 黄土进行了增、减湿情况下的单轴压缩试验。根据试验结果,总结出了黄土的湿陷变形随饱和度及压力变化的规律,分析了湿陷性黄土在增（减）湿过程中的湿陷变形性状及不同应力路径对黄土湿陷变形特性的影响,指出湿陷系数曲线因为试验方法的不同而表现出不同的规律性：初始含水量较低时,单线法的湿陷性大于双线法;当初始含水量达到某个值时,两者的湿陷系数曲线出现交叉现象;当初始含水量超过该值后,单线法的湿陷性小于双线法;这种交叉现象是由黄土本身的特殊结构性所决定的。最后对湿陷系数与初始含水量的关系进行了探讨。     

广义塑性梯度模型的变分原理和边界条件

在广义塑性力学的双屈服面模型的体积屈服面和剪切屈服面中引进应变梯度项,构造梯度依赖的双屈服面,可以建立广义塑性梯度模型的理论框架,此时的位移率 、剪切塑性乘子率 、体积塑性乘子率 成了各自独立的变量。为了建立相应的数值模型,构造了增量泛函,建立并证明了3类变量( , , )变分原理,得到应力边界条件,同时塑性乘子作为自然边界条件给出。     

陇东Q3结构性黄土压剪损伤本构模型试验研究

Q3黄土在我国西北地区分布广泛,且大部分都具有显著的结构性。随着国家“一带一路”倡议的不断向前推进,作为丝路沿线的西北黄土分布地区将迎来新的建设大潮。黄土的结构变形特性非常复杂,深入研究黄土在压缩、剪切条件下的结构损伤变形特性,并依此构建黄土的本构关系在理论研究及现场工程应用中具有非常重要的意义。通过对黄土进行均等压缩试验及三轴剪切试验,基于损伤力学思想,提出黄土结构在均等压缩条件下的平均正应力损伤比,在剪切条件下的平均正应力损伤比及偏应力损伤比。根据弹性、塑性应变确定塑性势线,进而确定其屈服函数;将确定的黄土结构损伤比引入到屈服函数中,得到一定结构损伤时黄土的屈服函数表达式;验证了选取塑性体应变作为本构模型硬化参量的合理性;根据硬化参量与相关试验参数的联系,推导出结构性黄土在压剪条件下的损伤本构模型。经过实测应力-应变曲线与本构模型推算得到的应力-应变曲线对比可知,所建立的本构模型可以较好地反映黄土在压剪条件下结构损伤演化变形过程,具有较好的工程应用前景。     

基于剪切试验的预应力锚杆变形性能分析

为了研究锚杆对节理剪切性能的作用机制和模式,开展了锚固节理岩体的实验室剪切试验,模拟了不同强度的岩体在剪力作用下的变形和受力特征,对比了锚杆加固前、后岩体的剪切变形规律,分析了节理岩体强度、预应力及锚固方式对节理的抗剪能力的影响,试验过程中通过应变片测点监测锚杆轴力的变化规律,研究了节理剪切过程中锚杆的轴向受力机制和变形特性。剪切试验完成后,取出剪切变形后的锚杆,统计了变形段长度与各参数之间的关系。通过试验结果分析,剪力-位移曲线存在明显的3个阶段：弹性阶段、屈服阶段和塑性强化阶段,曲线近似呈现双直线特征,弹性段锚杆主要发挥销钉作用;屈服段锚杆的轴向作用开始调动,锚杆同时存在销钉和约束作用;塑性段锚杆不再发挥销钉作用,只是依靠其轴向约束作用限制岩体的变形;曲线表现出韧性增强的剪切性能,这就使得锚杆锚固节理岩体的破坏特性由脆性转变为塑性,从而提高了岩体的稳定性和安全度。节理面的滑动对锚杆产生剪切作用,由于切向变形而产生了附加的锚杆轴向变形,锚杆的轴向应力随着剪切位移的增大呈增长的趋势,变形剧烈区域集中于节理面附近,且距离节理面越近其轴向应力增大越多。     

考虑含水率影响的结构性黄土临界状态模型

根据不同初始含水率原状黄土结构性演化规律,基于临界状态土力学理论,以应力、初始含水率和应变为基本变量,提出了一个可以反映原状黄土结构性演化规律及软化特性的临界状态本构模型。模型通过对比不同初始含水率下重塑与原状黄土等向压缩曲线,建立了不同含水率下原状黄土的结构性参数及其演化方程。此外,模型采用非相关联流动法则,以剪胀方程的形式来求解塑性偏应变。模型共计9个材料参数,均可由压缩试验和常规三轴剪切试验求得。通过与已有试验数据的对比发现,本模型不仅可以较好地体现初始含水率对原状黄土结构强度、变形特性以及结构破坏规律的影响,而且能较为合理地预测原状黄土的硬化及软化特性。所建立的结构性黄土临界状态模型为深化黄土力学特性研究提供了可能,同时为有效计算黄土地基湿陷变形提供了一定的理论依据。     

高低压下不同力学特性的砂土统一模型

为构建能够反映砂土高低压下不同力学特性的统一模型,分析了砂土在较大的压力范围内的力学试验结果并获取其强度、等向压缩以及临界状态特性参数。通过引入应力路径相关因子来修正塑性应变增量中与应力路径相关的部分,从而使得模型硬化参量能够反映密实砂土在常压下的剪胀特性。同时,基于砂土的临界状态特性提出能够与砂土内部状态相对应的潜在状态面概念,由屈服面与潜在状态面间的动态关系确定加载过程中的动态密实参数及潜在强度,进而使得硬化参量也能够反映密实砂土在常压下的软化特性及高压下的剪缩、硬化特性。分析模型屈服面及潜在状态面间的演化规律并对不同压力等级下的砂土受荷力学行为进行模拟预测,证实了该模型能够反映密实砂土常压下剪胀软化及高压下剪缩硬化的特性。     

基于最大剪应变增量的边坡潜在滑动面搜索

滑动面位置和形状的判断是影响边坡地基稳定性分析合理性的主要因素,合理地确定滑动面的位置和形状是边坡地基稳定性分析首先要解决的问题。由岩土工程常用的Mohr-Coulomb度理论可知,岩土体破坏是由于某一面上的剪应力达到了岩土体的剪切强度,此时剪切面上必然发生较大的剪切变形,因此可以通过搜索最大剪应变增量的位置来确定边坡滑动面。基于以上思路,综合运用有限差分软件FLAC3D和曲线拟合技术,提出基于最大剪应变增量确定边坡地基潜在滑动面的方法。首先,利用有限差分软件FLAC3D计算极限状态时边坡内的应力、应变,在计算剖面中设置一系列的垂线,利用FISH语言编制程序搜索垂线上剪应变增量最大位置的坐标,以获得滑动面上的离散点坐标。然后,通过最小二乘的方法对离散点进行曲线拟合,得到滑动面的形状和位置。通过与极限平衡法的对比分析,验证文中方法的合理性。文中方法的判断标准物理意义明确,简便实用,且克服了对网格的依赖性。     

土体直剪力学特性颗粒尺度效应理论与试验研究

土体是一种颗粒物质,其强度与变形特性具有显著的颗粒尺度效应。根据土体颗粒间的连结性状和微重比,将土颗粒划分为基体颗粒与加强颗粒。构建了反映土体内部材料信息和颗粒特征信息的土体胞元,基于应变梯度理论建立可以描述土体颗粒尺度效应的土体胞元模型。设计一系列饱和重塑土的直接快剪试验以研究土体直剪力学特性的颗粒尺度效应,并定量计算了土体胞元模型的应变梯度和內禀尺度等微细观计算参数。试验结果表明,土体的剪切屈服应力随加强颗粒体积比和平均应变梯度的增加而增加,且与加强颗粒体积比呈近似线性关系,与平均应变梯度呈抛物线关系;加强颗粒粒径对土体的剪切屈服应力影响不明显。土体剪切屈服应力的试验结果与土体胞元模型的预测结果一致。     

Exploring the influence of loading geometry on the plastic flow properties of geological materials: Results from combined torsion + axial compression tests on calcite rocks

For technical reasons, virtually all plastic deformation experiments on geological materials have been performed in either pure shear or simple shear. These special case loading geometries are rather restrictive for those seeking insight into how microstructure evolves under the more general loading geometries that occur during natural deformation. Moreover, they are insufficient to establish how plastic flow properties might vary with the 3rd invariant of the deviatoric stress tensor (J₃) which describes the stress configuration, and so applications that use those flow properties (e.g. glaciological and geodynamical modelling) may be correspondingly compromised. We describe an inexpensive and relatively straightforward modification to the widely used Paterson rock deformation apparatus that allows torsion experiments to be performed under simultaneously applied axial loads. We illustrate the performance of this modification with the results of combined stress experiments performed on Carrara marble and Solnhofen limestone at 500°–600 °C and confining pressures of 300 MPa. The flow stresses are best described by the Drucker yield function which includes J₃-dependence. However, that J₃-dependence is small. Hence for these initially approximately isotropic calcite rocks, flow stresses are adequately described by the J₃-independent von Mises yield criterion that is widely used in deformation modelling. Loading geometry does, however, have a profound influence on the type and rate of development of crystallographic preferred orientation, and hence of mechanical anisotropy. The apparatus modification extends the range of loading geometries that can be used to investigate microstructural evolution, as well as providing greater scope for determining the shape of the yield surface in plastically anisotropic materials.     

非饱和压实土率相关变形特征与时效模型

为研究高填方路堤压实土率相关变形特征,对不同压实度的非饱和压实土分别开展了不同加载速率以及不同围压条件下的CD三轴剪切试验,探讨了不同工况下压实土的剪切强度指标;借助GDS饱和土静态三轴仪的围压控制器来间接测定非饱和压实土体变的途径。试验结果表明：压实土强度及变形特征具有明显的时间相依性,加载速率越大,压实土的抗剪强度越高,超固结变形特性越强,抗剪强度指标黏聚力c值增幅较大、内摩擦角 值增幅较小;低围压下,压实土呈应变软化及剪胀变形,且压实度越高,应变软化及剪胀变形越显著,c值增加明显、 值增加缓慢。采用基于下负荷面的弹黏塑性本构模型对路基压实土的率相关变形特征进行表征,预测结果与试验数据吻合良好,表明该模型适用于高填方路堤长期沉降分析。     

天然沉积粉质黏土的应力路径试验研究

天然沉积土在沉积过程中产生了结构性和各向异性,使其受力变形特性与重塑土存在明显的差异。实际工程中的天然土体往往在受荷过程中会经历不同的应力路径,因此,需要开展考虑结构性和各向异性影响的应力路径试验。通过研究不同应力路径下土体的力学特性,为建立复杂应力路径下的合理的本构模型提供试验依据。采用大直径PVC管取样器获取张家港地区地下2.5 m深的粉质黏土不扰动土样,通过GDS三轴仪对土样进行了K0固结不同排水应力路径试验。结果表明,应力路径对不扰动土样的体积变形和剪切变形均有显著影响,且球应力和偏应力对土的体应变和剪应变存在交叉影响。无论以体积变形为主还是剪切变形为主的应力路径下,应力-应变曲线都有明显的屈服性状。通过描绘试验所得各应力路径下的屈服点,获得张家港不扰动土样的屈服轨迹大致呈倾斜的椭圆形状,采用Wheeler模型的屈服面与试验屈服点的吻合程度要优于Nakano模型。     

Method of Numerical Modeling for Constitutive Relations of Clay

INTRODUCTIONThe mechanical responses of soils are more com-plicated compared with metals.By comparing thephysical and mechanical properties of the metals withsoils,Lade(1988)found that there are17differentpoints between the metals and soils,which differfrom metals inthree basic mechanical characteristics:pressure sensitivity,dilatancy,and dependence ofstress path.Wang(2004)proposed a principle of theinteraction between plastic volume and shear strains,that is,there are two relatively inde…     

岭澳核电三期强风化角岩边坡岩体直剪试验研究

采用堆载法进行天然状态与饱和状态下强风化角岩边坡岩体的现场直接剪切试验,获得不同正应力水平下剪切应力-剪切变形关系曲线和剪切强度参数,对其剪切应力-剪切变形关系曲线特征和不同正应力作用下剪应力随正应力的变化规律以及水-力耦合作用对剪切强度与变形特性影响进行了分析。试验结果表明：岩体峰值剪切强度和屈服剪切强度均随正应力的增大而增大;天然状态和饱水状态下剪应力随不同正应力的变化趋势基本相同;岩体剪切强度随含水率的增大而减小,在低法向应力下尤其敏感;水对岩体强度参数中黏聚力c的弱化作用更加明显,同时加大了岩体变形量,延长了岩体变形过程;通过现场直剪试验测得的法向变形可以估算岩体的压缩模量,为边坡稳定性分析提供参数。