等应力增量比路径下接触面应变软化模型

等应力增量比路径单剪试验条件下,部分土体与结构接触面表现出明显的应变软化和剪胀特性。基于广义位势理论,将土与结构的接触面问题看作应力空间上的二维问题,势函数取法向应力和切向应力,用塑性状态方程取代传统的屈服面,建立等应力增量比路径条件下的土与结构接触面应力-应变软化模型。采用指数函数,拟合单向压缩试验中法向应力与法向应变的关系,采用复合指数函数,拟合应力比与切向应变的关系,采用另一复合指数函数,拟合法向剪胀分量与切向应变的关系。通过对拟合函数进行微分,确定模型中待定系数的求解方法。结合试验结果对模型进行验证,模型拟合效果良好,具有一定的合理性。     

不同法向边界条件接触面三维力学特性的试验研究

运用最新研制的80 t三维多功能土工试验机对粗粒土与结构接触面在3种典型法向边界条件下的三维力学特性进行了试验研究。结果表明,接触面法向边界条件对其力学特性有重要影响,不同法向边界条件下接触面表现出了一些相似和不同的力学响应：(1)接触面总体上剪缩或有剪缩趋势,但数值不同;(2)除常应力条件外,接触面切向应力-切向位移关系曲线同一循环内一般不闭合,不同循环也不重合;(3)3种法向边界条件下接触面应力比-切向位移关系曲线同一循环内基本闭合,不同循环也基本重合,且形状较为相似,均呈椭圆形;(4)接触面静、动抗剪强度指标随法向边界条件变化不大,但动抗剪强度则差别很大。     

A study of the behaviour of brittle rocks subjected to confined stress based on the Mohr–Coulomb failure criterion

In this study the relationship between brittle rocks’ behaviour and uniaxial compression stress is obtained based on the Mohr-Coulomb failure criterion and the behavioural characteristics of brittle rocks under uniaxial compression stress are investigated. According to the laboratory uniaxial compression tests on granite rocks, and also available results in the literature, required parameters in the study are obtained. It is indicated that the behaviour of brittle rocks which is affected by uniaxial compression is function of cohesion. In the other words, cohesion changes as the uniaxial compression increases. Also, in yield point where its stress is equivalent to the uniaxial compressive strength, the cohesion maximises. By suggesting a new viewpoint to the Mohr’s circle, normal stresses on failure plane, shear stresses tangential to the failure plane and hydrostatic stresses are investigated. Results show that, normal stress on the failure plane in yield point of the behavioural curve equals zero and shear stress tangential to the failure plane is maximum which is equal to the maximum rocks’ natural strength. Also, in this point the strength is equi-pressure, therefore the stress is of hydrostatic type.     

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。     

地下工程锚固界面力学模型及其时效性研究

地下工程锚固体接触界面的流变力学特性是锚固体产生时效性的重要因素。针对地下工程长期稳定性分析中常采用的锚固界面法向硬接触和切向黏结滑移突变常导致计算不收敛的困惑,建立了锚固界面法向刚度服从指数分布的软接触型式,并提出剪切面的非线性流变本构模型,解决了计算难以收敛的问题。该模型考虑了法向应力对剪切流变的影响,可以更真实地反映锚固界面流变的力学过程。将建立的锚固界面力学模型植入ABAQUS软件,并应用于地下工程的锚固时效性分析。研究成果表明：地下工程锚固界面产生的剪切流变导致锚杆应力增大,并使得预应力锚杆峰值的位置随着时间发生变化,且有向锚根转移的趋势。研究成果可为地下工程锚固的可靠性分析提供理论依据。     

法向应力对接触面循环单剪力学特性的影响研究

法向应力对土与结构接触面循环单剪力学特性的影响研究具有重要意义。运用80 t大型三维接触面试验机,进行了不同法向应力下粗粒土与结构接触面单剪试验,分析了法向应力对接触面循环单剪力学特性的影响规律。试验结果表明,法向应力对接触面变形位移、滑动位移、切向应力、可逆性剪切体变和不可逆性剪切体变以及抗剪强度等接触面性能参量的数值有显著影响,但对参量间关系形式影响较小。法向应力越大,接触面变形位移在初始几个循环内越大,随循环剪切的进行,其减小速率越快,最终稳定值越小;切向刚度越大,切向应力稳定值也越大,初始几个循环内切向刚度系数越小;不可逆性剪切体变越大,可逆性剪切体变峰值和稳定值越小,相变位移和相变应力比越小;抗剪强度越大,其异向程度则先增大后减小。不同法向应力下,接触面循环抗剪强度与法向应力符合摩尔-库仑准则;切向应力比-切向位移关系、不可逆性剪切体变和剪切功密度关系均具有良好一致性,基本不受法向应力影响,可用双曲线模型描述,这将大大简化接触面本构描述。     

An approximate spring–dashpot artificial boundary for transient wave analysis of fluid-saturated porous media

Practical civil engineering problems are usually formulated in an infinite half-space domain, and a selected finite domain is required to analyze the dynamic responses of a fluid-saturated porous medium by the finite element method (FEM). Devising a method to deal with the boundaries of the finite domain is the key issue for this open system. In this paper, a two-dimensional spring–dashpot artificial boundary (SDAB) for transient analysis in a fluid-saturated porous media is developed. Based on Biot’s dynamic theory of fluid-saturated porous media, the normal and tangential boundary stress formulae are deduced for out-going cylindrical body waves. The boundary stress is proportional to displacement and velocity, thus continuously distributed dashpots and springs can be placed on the artificial boundaries in the normal and tangential directions to simulate the energy absorption of the infinite media outside of the finite domain for the interior distributed source problems. In this paper, the input seismic motion can be realized by applying an equivalent load on the SDAB for the seismic scattering problems of exterior distributed sources. Numerical examples are given and the analyzed results show that the SDAB and the method of wave motion input have good stability and acceptable accuracy.     

采用环剪仪对超固结黏土抗剪强度特性的研究

利用大型高速环剪仪,对不同超固结比、法向应力和剪切速率下的超固结饱和黏土的峰值强度和残余强度特性进行了研究,并对循环荷载作用前后残余强度的变化进行了初步探讨。试验结果表明,（1）超固结比对超固结黏土的峰值强度和残余强度有着明显的影响;（2）在剪切速率相同的条件下,土体达到残余强度时的位移取决于现存的应力状态,而与应力历史无关;（3）剪切速率越大,峰值强度随之增大,达到稳定残余强度时的剪切位移也随之增加,但剪切速率的变化对残余强度值几乎没有影响;（4）在循环荷载作用下残余强度不同程度的降低,最大降低幅度达12.2 %;当土体剪切面为不规则剪切带时,施加循环荷载后出现残余强度上升的现象。     

基于西原模型的圆形隧道黏弹-黏塑性解析解

基于西原模型,假设黏塑性体的偏应变张量的一阶导数与瞬态偏应力张量和稳态偏应力张量之差成正比,得到围岩黏塑性区的本构方程。采用拉普拉斯变换与逆变换,推导了圆形隧道黏弹-黏塑性解析解。当 时,该解退化成线弹性本构模型的解答;当 时,该解退化成理想弹塑性本构模型的解答。通过工程实例,分析了围岩位移场、应力场和黏塑性区半径随时间的变化规律。当支护力保持不变时,围岩不同位置位移、围岩黏塑性区半径将随时间增长而持续增大并趋于稳定;围岩黏弹-黏塑性特征对径向应力和黏弹性区切向应力影响较小,对黏塑性区切向应力影响较大,越靠近洞壁处,切向应力随时间变化越剧烈。此外,不同支护力作用下洞壁处的切向应力在支护初期均较大,因此应采用及时支护的策略;考虑到围岩黏弹-黏塑性特征对支护力的影响,建议采取让压支护技术以保证围岩和衬砌的稳定性。     

切向冻胀力的研究现状及展望

土体冻胀产生的切向冻胀力是制约寒区基础工程建设和使用年限的主要原因, 同时也是基础设计中的一个重要参数, 深入研究切向冻胀力问题意义重大。通过回顾国内外相关文献, 对切向冻胀力目前的研究现状进行了总结： 从切向冻胀力产生的条件和过程角度出发, 详细描述了切向冻胀力产生发展的机理; 阐述了影响切向冻胀力的因素和切向冻胀力的分布规律; 从试验、 理论两方面入手, 简要总结了切向冻胀力的测试方法和理论计算方法; 简述了目前确定切向冻胀力取值的方法。最后, 对切向冻胀力未来的研究方向提出了展望。     

基于ABAQUS的颗粒材料亚塑性模型的数值实现及探讨

颗粒材料的亚塑性模型以Jaumann应力率张量及变形率张量描述本构关系,基于Cauchy应力的Jaumann速率及变形率给出了有限元的切线刚度矩阵,由此指出在严格意义上基于ABAQUS二次开发的亚塑性模型数值实现必需借助UEL接口。为了简化程序开发,文中建议了与有限元相结合的两种近似切线模量矩阵,即基于矩阵广义逆一致性切向模量矩阵与近似切向模量矩阵,从而形成了通过UMAT接口实现亚塑性模型的数值方案。由此降低了程序开发的难度,同时也可借助ABAQUS的后处理功能,提高了工作效率。数值算例表明了所开发程序的正确性以及所建议方案的可行性。     

Effects of non‐uniform traction and specimen height in the direct shear test on stress and deformation in a rock fracture

In the direct shear test (DST), an internal moment is distributed within the rock specimen by non‐coaxial shear loads applied to the specimen, which cause non‐uniform distributions of both the traction on the loading planes and the stress and deformation in the specimen. To examine the validity of the DST for a rock fracture and to clarify the effect of specimen height, both the stress and deformation in a fracture in the DST were analyzed for specimens with three different heights using a three‐dimensional finite element method with quadratic joint elements for a fracture model. The constitutive law of the fracture considers the dependence of the non‐linear behavior of closure on shear displacement and that of shear stiffness on normal stress and was implemented in simulation code to give a conceptional fracture with uniform mechanical properties to extract only the effect of non‐uniform traction on the stress and deformation in the fracture. The results showed that both normal and shear stresses are concentrated near the end edges of the fracture, and these stress concentrations decrease with a decrease in the specimen height according to the magnitude of the moment produced by the non‐coaxial shear loads. Furthermore, although closure is greater near the end edges of the fracture, where normal stress is concentrated, this concentration of closure is not so significant within the range of this study because of the non‐linear behavior of closure, that is, closure does not significantly increase with an increase in normal stress at large normal stresses. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

应力幅值比对土-结构接触面非共轴特性影响研究

运用80 t大型三维多功能土工试验机（3DMAS）,进行了不同应力幅值比下粗粒土与结构接触面大型三维循环直剪试验,深入分析了应力控制往返椭圆剪切路径下接触面切向位移、非共轴角和剪切柔度等三维力学特性以及应力幅值比的影响规律。应力控制往返椭圆剪切路径下,接触面产生了明显的x向和y向位移、非共轴角和剪切柔度。x向和y向位移幅值、剪切柔度峰值均随循环剪切的进行逐渐减小而后趋于稳定,表现出演化特性。非共轴角受切向应力幅值及切向应力增量方向共同影响,其最值、稳定值随循环周次基本保持不变;正向剪切时非共轴角最大值（最小值）与反向剪切时最小值（最大值）基本出现在同一位置。接触面剪切柔度与非共轴角随旋转角度的变化趋势相反,剪切柔度的增加会抑制非共轴角的发展,反之亦然,两者对立统一。应力幅值比对接触面切向位移间椭圆关系及其时程变化形式、切向应力位移类椭圆关系等影响较小,主要影响切向位移幅值及其偏移程度、切向位移间椭圆关系的长短轴大小及方向、切向应力位移类椭圆关系的长短轴大小、非共轴角的数值及其随旋转角度的变化形式和最值出现位置、剪切柔度随旋转角度的变化形式和峰值及其产生位置等。应力幅值比越大,切向位移幅值越大、向负向偏移越大,剪切柔度峰值越大,随循环剪切的进行减小的速率越慢。应力幅值比ξ_τ=1和ξ_τ≠1时接触面非共轴角和剪切柔度随旋转角度的发展变化形式差别很大。     

初始静剪应力对粗粒土与结构接触面循环力学特性的影响

运用80 t大型三维接触面试验机,对初始静剪应力存在时粗粒土与结构接触面循环力学特性及初始静剪应力大小的影响进行了研究。循环剪切时,接触面沿初始静剪应力方向产生了明显的切向位移,且该位移与正交切向的剪切路程基本呈直线关系,该直线与初始静剪应力的夹角和初始静剪应力水平关系可用二次多项式描述。初始静剪应力大小对接触面抗剪强度、正交切向应力-应变关系形式影响较小,主要影响正交切向应力峰值、接触面剪切体变数值及剪切体变与切向位移关系等。初始静剪应力越大,该方向产生的切向位移越大,其正交切向应力峰值越小,该应力峰值对应的切向位移亦越小,接触面剪切硬化程度越高;初始剪切时接触面剪胀量越大,而后期循环剪切时剪缩量和剪胀量则越小。     

弹脆性圆形煤巷应力跃升及冲击地压预测模型

为预测煤巷冲击地压灾害,将强冲击倾向煤视作理想弹脆性材料,建立圆形煤巷力学模型,分析煤巷围岩的应力和变形能密度分布特征,进而建立煤巷冲击地压预测模型,利用该模型预测冲击地压灾害风险。研究结果表明：弹脆性煤巷围岩的切向应力和变形能密度在弹性区与破坏区界面处发生跃升;煤体强度损伤度和地应力增大,煤巷破坏区半径增大,煤巷围岩切向应力和变形能密度跃升高度增大;切向应力跃升为煤巷失稳破坏提供了力源,变形能密度跃升为冲击地压发生提供了能量源;切向应力和变形能密度跃升高度越大,煤巷越容易失稳和冲击;基于切向应力和变形能密度跃升,建立了煤巷冲击地压解析预测模型,预测结果与现场冲击地压实际情况一致,从而为脆性煤巷冲击地压预测提供了一种新的方法。     

地基非线性波动问题中黏-弹性人工边界研究

建立了考虑地基动力非线性效应的波动模拟的二维和三维黏-弹性人工边界条件。引入考虑动力非线性特征的土体等效线性模型中的动模量变化模式,推导了新的平面内法向、平面内切向以及出平面切向的黏-弹性人工边界公式,同时也给出了新的三维法向、切向黏-弹性人工边界公式,并在实际应用中采用等效线性化方法处理,进行了数值算例分析,结果表明,新的黏-弹性人工边界具有更好的精度,可以用于地基非线性波动问题的研究。     

反复动载下土体的动应力累积效应及量化模型研究

土体受到反复动载作用时,土中产生的动应力在一个周期荷载结束后不会立刻释放,而是需要一定的扩散时间,其中部分应力将逐次叠加到下一次荷载产生的动应力之中,随着动载次数的增加而逐渐积累,形成动应力"累积效应"。试验结果表明,动应力累积总量与土体性质、荷载产生的动应力强度、动载频率及动载次数等因素有关,在反复动载作用下,土中产生的动应力包括单次动载产生的动应力与反复动载产生的动应力累积两部分。     

埋置简谐扭转荷载作用下广义Gibson饱和地基动力响应

考虑地基为饱和半空间,研究了广义Gibson饱和地基内作用简谐扭转动荷载时地基的动力响应问题。从Biot饱和地基固结理论出发,结合扭转振动的特点,建立了剪切模量随深度线性变化的饱和地基扭转振动的动力微分方程,通过Hankel变换求解此微分方程,给出了Hankel变换域内的切向位移和剪应力关于待定系数的表达式。根据饱和地基表面为自由表面,荷载作用面位移连续、剪应力差等于动荷载大小,波的辐射条件等边界条件求解出待定系数,借助Hankel逆变换给出地基内的位移和应力的表达式。通过数值算例研究发现:在同一水平面内,地基内的切向位移和剪应力曲线的实部和虚部都呈现出非常明显的波动变化规律;在竖向平面内,动荷载作用面上部区域内随深度逐渐增大时,地基内切向位移和剪应力曲线的实部逐渐增大,而在动荷载作用面下部区域则正好相反;扭转动荷载的影响范围主要是荷载作用面上下2倍半径区域。     

均质岩体中隧道围岩破坏过程的试验与数值模拟

采用模型试验与离散元模拟的方法,对均质岩体中隧道开挖后围岩的变形破坏过程进行了研究,并对围岩变形破坏过程中围岩应力及地表位移的变化规律进行了分析,模型试验结果与数值模拟结果取得了较好的一致性。研究结果表明：隧道开挖后,拱顶处围岩变形明显并出现裂缝,围岩破坏从拱顶开始,进而呈渐进式向上发展,最终形成稳定的塌落拱;开挖后,隧道围岩径向应力减小,隧道周边一定范围内围岩切向应力减小,且随隧道变形破坏的发展,围岩切向应力减小的区域逐渐扩大;隧道塌方后,拱底垂直应力增加,开挖结束至塌方开始期间地表位移增量最大,塌方期间地表位移增量最小。     

法向刚度对土与结构接触面三维特性影响的试验研究

运用80 t大型三维接触面试验机,对不同法向刚度下粗粒土与结构接触面三维静动力学特性进行了试验研究,重点分析了法向刚度对接触面力学特性的影响规律。法向常刚度条件下,接触面在单调剪切时均先剪缩再剪胀、法向应力先减小后增大;循环剪切时接触面不可逆性剪切体变呈单调增长、可逆性剪切体变峰值逐渐减小后趋于稳定,切向应力峰值不断减小,抗剪强度逐渐减小,主应力比峰值则基本保持不变。法向刚度主要影响剪切体变、可逆性剪切体变、切向应力、主剪应力等接触面力学性能参数的大小;法向刚度越大,单调剪切时法向应力变化越大、切向应力峰值越大、剪缩和剪胀量越小;循环剪切时不可逆性剪切体变增长越慢、最终值越小,抗剪强度减小越快、达到0时对应的循环周次越少。法向刚度对剪切体变、可逆性剪切体变、主剪应力、主应力比等性能参数与切向位移的关系形式及接触面摩擦角基本没有影响。