土的弹塑性应力——应变模型理论(续)

四、弹塑性应力应变模型十几年来学者们建议采用的应力～应变数学模型有许多种.在弹性模型方面最常使用的模型有两种.第一种是以E(杨氏模量)及v(泊桑比)两种弹性常数表达的称E～v弹性模型.第二种是以K(体积变形模量)及G(剪切模量)两个弹性常数表达的称K～G弹性模型.这两种弹性模型将在本章中介绍.     

堆石料等应力比路径四模量增量非线性模型

已有研究表明,土石坝内堆石料在施工填筑期的应力路径可近似为主应力比为常数的路径。根据大型三轴仪上进行的两种应力路径排水试验,即等向压缩的固结试验和等应力比值的剪切试验,提出了一个四模量增量非线性模型。模型除给出了堆石料体积模量K和剪切模量G的表达式外,对剪应力产生的体积应变和平均主应力产生的剪切应变也分别采用了交叉模量J1、J2表达。通过与试验数据的对比表明,四模量增量非线性模型能够较好地预测堆石料在等应力比路径下的应力-应变关系。     

考虑主应力方向的土体非线性弹性模型

剪正应力比综合反映了摩擦材料的变形与破坏特性。通过分析主应力的大小与方向变化所引起的剪正应力比,结合剪正应力比-剪应变分量的双曲线关系,提出了一种能考虑主应力方向的土体非线性弹性本构模型。考虑到土体初始剪切模量、各向异性峰值强度与应力历史、加载方向密切相关,给出了模型参数的取值方法,进而得到了分量形式的应力-剪应变关系。分别采用应力路径三轴试验、纯主应力轴旋转试验以及主应力方向固定的剪切试验验证了模型的合理性。预测结果与试验结果对比表明,提出的非线性弹性模型能较好地描述复杂应力路径下土体变形特性。     

岩土流变数值计算中一些问题的探讨

针对黏弹性组合模型中的两类参数,即拉压模量和拉压黏性系数以及剪切模量和剪切黏性系数在数值反分析和正分析应用中存在的概念模糊,以及转换不合理等一些问题,首先分析了这两类参数概念上的差异,接着从理论上建立了拉压模量和拉压黏性系数（常体积模量假设下广义Kelvin模型）到剪切模量和剪切黏性系数之间的转换关系,并通过一个算例,从正分析和参数反演两个角度,对这些问题进行了探讨,给出了产生这些问题的内在原因。最后,提出了解决这些问题的可行性措施,并指出这一解决措施也同样适用于其它假设情况。     

季冻区草炭土非线性K-G模型试验研究

季冻区草炭土是沼泽环境中植物残体在氧化分解作用下,堆积形成的含有大量未分解纤维残体的特殊土。草炭土纤维及其含量对其强度和变形特性具有重要影响,目前考虑纤维含量对草炭土强度和变形特性影响的本构关系研究还相对匮乏。K-G本构模型因其模型参数与土的体积模量和剪切模量能建立直接联系,因此在岩土工程非线性理论和数值计算分析方面广泛应用。以不同纤维含量的草炭土为研究对象,进行三轴剪切试验,研究了草炭土的应力应变曲线,得到了草炭土非线性K-G模型参数,分析了各模型参数随纤维含量的变化规律,建立了模型参数与纤维含量之间的线性函数关系。     

固结比对砂土动剪切模量及地表反应谱的影响

采用共振柱试验方法,研究了固结比对砂土最大动剪切模量以及对动剪切模量比与剪应变非线性关系的影响。通过土层地震反应计算,初步给出了这种影响对地表反应谱作用的估计。对福建标准砂和哈尔滨砂进行了系统试验,提出了计算不同固结比砂土最大动剪切模量的建议公式,公式显示固结比kc>1、最大动剪切模量较kc=1时的增长程度明显比Hardin公式要大。同时,给出了固结比对动剪切模量比与剪应变非线性关系及其对地表反应谱的影响。结果表明,固结比对砂土动剪切模量比与剪应变非线性关系有一定影响。随着固结比增加,模量比非线性关系曲线有一定提高,在强地震动作用下的土层反应分析中应考虑实际固结比的影响。     

填土应力路径下珊瑚砂幂律应力-应变模型的适用性研究

岛礁工程建设常用珊瑚砂吹填地基或作为土工构筑物的填料。珊瑚砂在填筑期的应力路径具有静止土压力系数K0固结和等应力比路径的特点,为了准确预估填筑期的填土变形量,需要建立能够反映填土应力路径影响的变形计算模型。根据广义虎克定律,建立了幂律形式的非线性弹性模型来描述土体的应力-应变关系,提出了变形参数的表达式。对珊瑚砂开展了K0固结试验和等应力比路径下的排水三轴压缩试验,分析了珊瑚砂的应力-应变曲线和颗粒破碎状况,研究了幂律应力-应变模型的适用性,并将模型计算结果与试验曲线进行了对比。结果表明：填土路径下的应力-应变曲线具有幂函数曲线形式,可以用幂律非线性弹性模型来描述。模型的切线模量和切线泊松比均可以表示为轴向有效应力的函数,并通过与主应力比或系数K0相关的参数得到表达。等应力比路径下的切线泊松比和切线模量随着轴向有效应力的增加而增大。在相同的轴向有效应力条件下,主应力比越大,切线模量越大,切线泊松比越小。随着轴向有效应力的增加,K0固结珊瑚砂的静止土压力系数和切线泊松比减小,切线模量增大。在试验应力范围内,填土路径下珊瑚砂的颗粒破碎量都很小,对应力-应变特性的影响不大。幂律模型合理地预测...     

南宁膨胀土非线性流变模型研究

对南宁非饱和膨胀土进行一系列的加载-卸载固结蠕变试验,得到了不同含水率的膨胀土在不同应力水平下应变-时间曲线和不同时刻的应力-应变等时曲线簇。通过对膨胀土各阶段蠕变变形的分析,得到了膨胀土的固结蠕变是包含有黏弹性变形和黏塑性变形成分的非线性蠕变。采用模型流变与经验流变理论相结合的方法,将膨胀土的蠕变变形分成线性和非线性两部分进行分析,蠕变柔量和线性黏弹性模量随时间减小,而线性黏塑性模量随时间增大。结合膨胀土的线性黏塑性模型和非线性黏塑性经验模型,建立能够描述膨胀土非线性流变的黏塑性本构方程。根据试验所得数据,通过非线性拟合方法得到各模型参数,用该模型进行数值分析得到的理论与蠕变试验结果对比非常吻合。研究成果为实际工程提供了流变变形计算分析的可靠依据。     

考虑荷载方向效应的软硬相间层状岩体综合变形模量取值研究

基于整体受力特征,提出用综合变形模量来表征多层层状岩体的整体变形效应。通过工程实例,建立体现各项异性特性的软硬相间层状岩体综合变形模量理论模型。采用弹性力学分别推求受力方向平行、垂直以及与层面呈任意角度情况下多层层状岩体综合变形模量理论解,并检验理论解一致性。推导受力方向平行层面的综合泊松比理论解和受垂直层面剪应力作用的综合剪切模量理论解。室内分别建立层面倾角为0o、30o、60o、90o的软硬相间层状岩体地质模型,试验获得其综合变形模量。对比分析试验值和理论计算值,两者差别在4.20%～8.77%之间,验证理论解的正确性。从理论分析和试验角度,研究工程荷载方向效应对层状岩体变形特性的影响,丰富完善现有层状岩体力学参数研究理论和技术方法。     

对沉降计算中变形参数的几点思考

地基在加载过程中,高应力区的土体单元因为损伤导致非线性变形的产生,地基刚度随应力水平的增加而减小。探讨了切线压缩模量、切线模量、修正切线模量、变形模量及修正变形模量的各自适用条件,指出压缩模量仅适用于完全侧限条件下地基的固结沉降分析,反映的是地基刚度随应力水平增加而增加的情况;修正切线模量由于考虑了对附加应力的修正,比切线模量更加可靠;对于工作荷载不大的线弹性地基,采用修正变形模量计算沉降比采用变形模量更加可靠。     

原位直剪试验中岩体弹性模量求取方法探讨

对利用原位直剪试验法向压缩变形曲线求取弹性模量的两种传统方法进行了分析和探讨,认为利用压缩曲线法和间接现场荷载试验法的经验公式计算出的结果均小于实际值。提出了一种新的利用原位直剪压缩曲线求取弹性模量的综合方法,同时采用3种方法求取了岭澳3期工程强风化角岩的弹性模量。分析表明,原位直剪试验压缩曲线综合法求得的弹性模量为压缩曲线法与间接现场荷载法取值之和,其计算原理与直剪试验法向加载时力学变形机制一致,计算值更接近于真实值,有效地解决了边坡岩体变形稳定性分析中弹性模量取值问题。     

下卧软弱岩带变形模量取值研究

软弱岩带的变形模量对于工程建设意义重大,当前变形试验方法难以表征原位条件下软弱岩带的变形模量,导致取值偏于保守.本文基于弹性力学推导了下卧软弱岩带变形模量的解析解,建立了一种新的软弱岩带变形模量的取值方法.在现场试验成果的基础上,采用有限元反演,数值模拟成果与试验计算成果较为吻合,证明该计算方法合理可行,较常规方法直接...     

偶应力对层状岩体结构面边界层效应的影响

在压剪载荷作用下,层状岩体结构面附近的剪切变形梯度非常显著。基于偶应力理论,研究层状岩体结构面边界层效应。利用有限单元方法进行数值计算,并将偶应力理论的计算结果与经典弹性理论的结果进行比较。采用Serendipity单元（S单元）,导出S单元内的插值函数及位移插值公式。利用ANSYS进行前处理,并基于Matlab编制经典理论和偶应力理论相应的计算和后处理程序。结果表明：偶应力对层状岩体结构面剪应变有显著影响,尺度效应明显。相对于经典弹性理论,在偶应力理论中,应变量减小,并在边界层附近出现过渡区;剪应变突变现象得以改善,但剪应力不再连续。特征长度影响过渡区域的大小,但第二剪切模量、泊松比、弹性模量不改变过渡区域的大小。     

深部破碎岩体变形模量的一种新型试验方法及工程应用

岩体的变形模量是表征岩体抗变形能力的一个重要参数。对于深部破碎岩体的变形模量,采用传统的现场试验法或钻孔弹模法获得其变形参数有一定的局限性。因此,采用一种新开发的试验手段：将现场钻孔中取得的深部破碎岩体试样带回室内,放入MTS中进行三轴试验,记录相应的位移和应力;同时推导了一套配套的理论计算公式,利用室内试验的方法获得了从钻孔中取得的深部破碎岩体的变形模量。采用上述方法对实际水电工程坝基深部破碎带岩体的变形模量进行试验计算,并对试验得到的变形模量结果进行检验分析。其结果表明：采用两种方法获得的深部破碎岩体变形模量值差别一般在10％以内。     

辽西地区冻风积土动力特性试验分析

动荷载作用下冻土的动力学参数是寒区工程抗震设计的关键。基于大量室内动三轴试验,研究了地震荷载作用下,辽西冻风积土的动强度σd、动变形εd、动弹性模量Ed和动阻尼比λd等动力学参数与土体含水量w、温度T、围压σ3c、动应力幅值σdamx和频率f等条件的关系。试验中采用三水平六因素的设计方法共进行了18组试验。试验结果表明,在相同振次水平条件下,冻土的动变形随动应力幅值的增大和温度上升而增大;在相同温度条件下,冻土的动剪切强度τd随着围压的增加而增加;低温冻土(-15℃)的动强度和动弹性模量要高于高温冻土(-2℃)的动强度和动弹性模量;冻土的动阻尼比随着变形和频率的增加而降低,随着含水量的增加而增加。上述规律为辽西风积土地区建设工程提供了较为可靠的抗震设计依据。     

裂缝体的弹性模量和裂缝密度

当岩石中含有裂缝时,岩石的弹性模量(主要指体模量、剪切模量、泊松比以及地震波的速度)会发生变化,而且这种弹性模量的变化又随裂缝中是否含有流体而不同。如果我们用地震的方法探测出地下目的层弹性模量的变化情况,无疑对我们了解目的层的裂缝发育情况将会有很大的帮助。在以往的研究中,人们常常把裂缝的产状定义成垂直裂缝和水平裂缝来研究。但是,实际中存在的裂缝多表现为几种体系的裂缝分布。本文在假设裂缝是随机分布的情况下,研究了含流体裂缝体和不含流体裂缝体的弹性模量与裂缝密度的关系。     

分散性土动剪切模量影响因素的试验研究

分散性土耐冲蚀性低、抗渗性能差,在纯水中具有很高的分散性,严重威胁水利工程的安全。在分散性土的鉴别和改性方面已有很多成果,但分散性土动力特性的研究见诸报端的还很少。利用日本诚研社生产的DTC-199型电液伺服加荷往复扭剪三轴仪,对取自宁夏某碾压均质土坝的分散性土的动剪切模量进行了探索。通过改变试样的含水率、干密度和围压等初始条件,研究分散性土在不同试验条件下的动力特性及剪切模量的变化规律,并进行对比分析。得出：分散性土的动剪应力-应变关系符合Hardin-Drnevich双曲线模型;控制初始条件,当其他条件相同时,含水率越低,动剪切模量越大;干密度越大,试样动剪切模量越大;围压越高,其动剪切模量越大;初始剪切模量及最大动剪应力的变化规律与之相似。动剪切模量随动剪切应变的增大普遍呈衰减趋势。     

剪切模量与杨氏模量的新关系

以修正后的剪应变概念为依据，通过坐标变换求得各向同性变形体在任一方向的应力和应变，进而导出了剪切模量与杨氏模量之间的关系。     

分层土中群桩水平动力阻抗的改进计算

采用动力Winkler地基梁模型,建立了主动桩和被动桩的简化解析运动方程,考虑地基土的分层特性、桩身剪切变形和转动惯量,提出了计算分层地基中单桩和群桩动力阻抗的改进计算方法,并与已有文献的计算结果进行了对比,结果表明：改进方法的计算结果与现场实测更接近。在低频段,改进方法的计算结果与已有文献结果较一致,但随着桩身剪切模量的减小,两者差异增大。差异主要是由考虑桩身剪切变形和转动惯量引起的,且前者影响较大,在低频段差异亦十分明显,而后者影响较小,在群桩阻抗峰值区域和高频段差异明显,需考虑桩身转动惯量的影响。     

修正有限元强度折减法与失稳判据在边坡稳定分析中的应用

现有的有限元强度折减法用于边坡稳定性分析,在土体变形特性的认识和失稳判据上有缺陷。基于土体的应力-应变曲线和邓肯-张非线性弹性模型进行有限元强度折减法计算分析,在现有方法仅对强度参数--黏聚力c和内摩擦角φ进行折减的基础上,提出了切线弹性模量Et的折减算法,更全面地体现折减的内涵;提出了以潜在滑动区域的能量积分变化作为判据,根据能量积分与折减系数关系曲线的特征,将其拟合成两段直线,以其交点所对应的折减系数作为边坡的安全系数。比较分析了修正Duncan有限元强度折减法、失稳判据与文献的计算结果,同时分析了边坡滑动区能量积分计算范围对结果的影响,并用于南水北调东线实际工程计算分析。结果表明：修正Duncan有限元强度折减法能较全面考虑土体的变形和强度特性,新的边坡滑动失稳判据可行且具有较好的计算稳定性,能保证工程建设的安全。