应变软化模拟与圆形隧道衬砌分析

在岩土工程中,有许多类岩体呈现应变软化特性。在应变软化过程中,如果多个材料强度参数分析发生变化,就很难给出软化问题的解析解。已有的文献研究表明,在经典的弹塑性理论框架下,模拟岩土介质的应变软化过程依然值得深入研究。利用应变软化材料强度参数随塑性应变增加而弱化的特点,提出了将应变软化过程简化为一系列的脆性应力跌落与塑性流动过程的思想,应变软化行为的模拟转化为一系列脆塑性过程的分析。将这种模拟应变软化过程的思想方法用于求解均匀初始应力场中应变软化介质内的圆形隧道开挖问题,研究了衬砌对减少岩土开挖扰动的作用以及考虑应变软化对衬砌内力的影响。数值结果表明,对于应变软化岩土材料,忽略其强度软化的行为是偏于危险的。     

含应变软化本构关系的岩-土接触元直剪试验数值模拟

关于含应变软化本构关系的岩-土接触面特性的研究手段较为有限,基于FLAC可实现具有应变软化接触的本构数值分析。利用该模型对接触面直剪试验进行模拟,并对接触单元剪切强度参数演化与剪切应力-位移关系变化特征进行深入研究。模拟结果再现了接触面的渐进性破坏过程及内部剪应力变化特征,研究表明了摩擦角的增减变化主控剪切应力-位移关系曲线的形式特征。     

海底泥流的流变试验及强度模型

海底泥流是海底斜坡发生失稳滑动后,经复杂的水土交换作用演变成的稀式海底滑坡体,表现出土体和流体的双重特征,而现有的测试方法难以获得低剪切应变率下连续变化的强度值,不能很好地揭示其综合强度特性。利用新型全流动贯入仪和RST流变仪,对模拟海底泥流在不同剪切应变率下的流变和强度特性进行了多组试验研究,并基于试验结果分析了不排水剪切强度、屈服应力和表观黏度与含水率的相关性。基于剪切稀化理论,提出分阶段拟合模式来描述海底泥流从低剪切应变率到中高剪切应变率的流变关系;通过多种常规流变模式拟合结果的对比分析,显示出新流变模式的适用性和优势。考虑强度软化的影响,建立了全剪切应变率范围内海底泥流的不排水剪切强度模型,为海底泥流运动过程的数值模拟和灾害评价提供科学依据。     

岩石应变软化本构模型建立及NR-AL法求解研究

针对岩土工程材料应变软化问题及有限元对其数值计算时切线刚度矩阵负定造成求解困难的问题进行研究。建立了基于Drucker-Prager（D-P）强度准则的岩石弹塑性应变软化本构模型,本构积分算法采用一种完全隐式返回映射算法,它具有无条件稳定和精确的特点,详细论述了如何进行本构模型的程序化求解;考虑弧长法在判断切线刚度矩阵正定性导致效率低的缺点,在弹塑性增量有限元方程的迭代计算中尝试采用Newton-Raphson法和arc-length法（NR-AL法）联合迭代求解的思路,即在结构未达到极限荷载前采用NR迭代法,而当结构接近极限荷载时转换为AL法控制迭代,从而使结构越过峰值点进入软化区直至破坏,NR-AL法汲取了2者迭代求解中具有的优势;利用C++语言对所建应变软化模型的本构求解和弹塑性增量有限元方程迭代求解过程给予程序实现,应用所编程序进行数值计算,分析了D-P理想弹塑性模型、应变软化模型、应变硬化模型计算的应力-应变曲线的区别,同时将应变软化模型计算结果与试验数据进行了对比。研究结果表明：所建应变软化本构模型可以较好地模拟岩石材料的峰后软化特性,能够揭示峰后应变软化特性和破坏机制,同时NR-AL法能够求解由于应变软化造成的负刚度问题,也克服了单独使用弧长法时判断切线刚度矩阵正定性效率低的缺点。     

含石量对土石混合体剪切特性影响的颗粒离散元数值研究

采用基于PFC2D接触黏结模型的离散元数值模型,探讨含石量变化对土石混合体剪切特性的影响。利用室内大型直剪试验对表征土石混合体细观力学性质的模型参数进行标定,模拟分析了4种不同含石量土石混合体在4种不同围压作用下的剪切特性。试验结果表明:相同法向应力作用下,含石量越高,峰值剪应力越大,达到峰值剪应力时的剪应变越大,软化后强度越高,剪胀特性越强,剪切"跳跃"现象越明显。土石混合体摩擦角随含石量增高而增大;黏聚力随含石量增高而减小,含石量超过50%后基本不变。相同含石量的土石混合体,法向应力越高,峰值剪应力越大,应变软化特性越强。土石混合体剪切过程中以克服摩擦能和应变能为主,动能变化几乎为零。     

轴对称单轴压缩岩石材料应变局部化剪切带数值模拟研究

利用FLAC3D数值软件中的应变硬化—软化本构模型,模拟轴对称单轴压缩条件下岩石试件应变局部化剪切带的形成过程,同时对不同端面效应下长径比效应对应变局部化剪切带的影响进行分析。结果表明,岩石试件的应变局部化剪切带的启动、发展到最终形成是一个渐进的演化过程。端面效应和长径比效应均影响应变局部化剪切带的形状和岩石强度。光滑边界应变局部化剪切带形成于试件上下端面,摩擦边界形成于试件中部区域,且摩擦边界时试件的峰值强度高于光滑边界,峰值强度后的软化阶段陡峭于光滑边界。随着岩石试件长径比的增加,岩石的峰值强度在逐步降低,达到峰值强度所需的时步却呈增加的趋势。这一研究成果有助于加深理解岩石破坏过程。     

考虑围岩应变软化及采空区接触的深部煤层底板破坏分析

为研究深部煤层开采底板破坏形态,提出考虑围岩应变软化和采空区接触的FLAC3D有限差分数值方法,以河北开平煤田林西矿2023工作面底板实测导水裂隙带为工程背景,结合朗肯土压力理论定性分析,研究深部煤层底板破坏特征。结果表明:采用应变软化本构关系代替常用摩尔–库伦本构关系能够对围岩塑性破坏后的力学状态更准确表述;采用“应变软化–空–弹性”模型转变的方法,达到模拟采空区顶板垮落后应力传递的效果,弥补了以往煤层开采模拟中采空区垮落后顶底板不接触的固有缺陷;通过采空区顶底板接触与否条件下应力、位移的对比,发现采空区是否接触对数值结果影响巨大,突出考虑采空区接触的必要性;根据模拟结果中塑性剪切应变率的变化,实现了底板滑移面的三维显示,形态为斜向采空区的半包围面状结构;结合朗肯土压力理论将底板塑性区与主动区、过渡区和被动区对应,3个区破坏形式分别为剪切破坏、剪切破坏、拉张与剪切的交互破坏。提出的考虑围岩应变软化及采空区接触的FLAC3D数值方法对煤层开采模拟实现了优化,并可为其他大变形后需考虑接触的工程模拟提供参考。      

基于应变空间硅藻质软岩的软化本构模型

三轴试验结果表明,软岩具有显著的应变软化特征。正常固结软岩表现为峰值后较缓的软化特征,而超固结软岩峰值强度后的应力-应变曲线呈陡降软化特征。应变空间表述的弹塑性理论在解决大应变和软化问题时比应力空间表述的弹塑性理论更具有优越性。基于应变空间的基本的弹塑性本构方程式,采用Mises剪切屈服准则及相关联流动法则,导出固结不排水三轴条件下的应力-应变本构关系式,并采用不同的硬化函数表达式对软岩在不同围压下的应力-应变曲线进行数值模拟。结果表明,应变空间的弹塑性理论能较好地模拟软岩应变软化特征,其中硬化函数的确定是关键问题之一。通过研究,提出了用于固结不排水状态下正常固结软岩的硬化函数形式。     

软岩应变软化数值模型的建立与研究

根据三轴压缩试验的应力-应变曲线,运用Hoek提出的由主应力圆包络线确定粘聚力和内摩擦角等效值的方法和曲线拟合的方法,研究了围压对软岩峰后软化特性的影响和软岩的宏观物性参数峰后应变软化规律,建立了峰后应变软化数值模型。利用该数值模型对三轴试验进行数值模拟,其结果与试验数据吻合。     

平面应变状态下岩石剪切带网络数值模拟研究

研究了围压、端面约束、试件高度及界面特性对剪切带网络形成的影响。首先对影响剪切带网络形成的因素（包括试件高度、围压及温度、试件端部轴向应变大小的计算方法的差异）进行了分析。之后采用FLAC 3D对平面剪切带网络进行了数值模拟,其中摩擦角及内聚力为应变软化。探讨了倾向于出现剪切带网络的若干条件。若端面缚束较强且存在一定的侧压力,试件中部出现多重剪切带。若端面缚束较弱,试件端部易于形成剪切带网络,且随试件高度的增加剪切带条数增加。界面法向和切向刚度越大,剪切带穿越断层并按其固有方向延伸能力越强,剪切带网络格局越明显。获得的数值结果可在实验中找到佐证,并且可以用来解释地震中的一些剪切应变局部化现象。     

基于数字图像测量系统的饱和细砂渐进破坏特性研究

基于亚像素角点检测的数字图像测量系统能够记录三轴试样表面方块角点的位移,从而获得试样表面每一时刻的局部应变及应变场。分析了试样不同位置的局部径向应变在剪切过程中的变化,获得了以不同初始成样含水率制备的松砂和密砂试样在不同特征时刻的应力与应变的特征值。通过轴向应变场的变化分析了从应变局部化出现到剪切带发育、形成的这一完整的渐进破坏过程,总结了剪切带形成时的局部最大轴向应变特征值,并定性地分析了剪切带内、外土体在渐进破坏过程中不同的轴向应变增长率。试验结果表明：在应变场中试样应变局部化明显,并可以依此确定应变局部化的出现、剪切带的形成;对于密砂及初始含水率为0%制备的松砂试样,应力在应变局部化出现之初即达到峰值,剪切带形成时应力已经开始下降,进入应变软化阶段;以初始含水率为6%和12%制备的松砂试样在达到应力峰值时剪切带已经形成;剪切带内土体的局部轴向应变增长幅度比剪切带外的土体大得多。试样整体轴向应变的增大主要是由剪切带内土体剪切破坏产生的较大轴向应变所致。     

Strain-softening behaviour of sand in strain path testing under plane-strain conditions

Experimental data are presented in this paper to study the strain-softening behaviour of sand under plane-strain conditions. K ₀ consolidated strain path tests were conducted using a new plane-strain apparatus. The stress–strain behaviour of medium dense sand under plane-strain conditions was characterized. The test results show that the occurrence of pre-failure strain softening under plane-strain conditions is affected by the void ratio, the strain increment ratio and the initial effective confining stress. This is consistent with previous findings established under axisymmetric conditions. However, a pre-failure strain-softening behaviour in plane-strain tests conducted under high-confining stresses may consist of three stages, namely, material softening, banding softening, and ultimate state. This observation is different from that in triaxial tests where banding softening does not normally occur.     

考虑土体剪胀性和应变软化性的K-G模型

在三轴试验中密实无粘性土具有剪胀性和应变软化性,广泛应用于工程计算的非线性弹性邓肯-张模型、常规的非线性弹性K-G模型等都不能反映土体的这些性质。根据紫坪铺面板堆石坝筑坝料的大量三轴试验研究,分析密实无粘性土的剪胀性和应变软化性,提出了考虑这种剪胀性和应变软化性的K-G模型和模型参数的求取方法;通过预测曲线与试验曲线对比说明模型的合理性。模型适应多种应力路径,参数可方便地求取,可以在有限元应力-应变分析中推广运用。     

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。     

Strain softening of K0-consolidated Changi sand under plane-strain conditions

Experimental results are presented in this paper to study the strain softening behaviour of a marine dredged sand under plane-strain conditions. K₀ consolidated drained and undrained tests were conducted using a new plane-strain apparatus to characterize the strain softening behaviour of the sand under plane-strain conditions. For medium dense specimens, strain softening and shear bands were observed to occur under both drained and undrained conditions. For very loose specimens, no shear bands were observed and critical states were reached within the homogeneous deformation region in both drained and undrained tests. Strain softening was observed to occur at small strain for very loose specimens under undrained conditions. Two types of strain softening, the homogenous softening and banding softening, were identified and the conditions for strain softening were established. The results obtained from this study were compared with the studies by Han and Vardoulakis (Géotechnique 41(1):49–78, 1991), Finno et al. (J Geotech Eng ASCE 122(6):462–473, 1996, Géotechnique 47(1):149–165, 1997) and Mokni and Desrues (Mech Cohes-Frict Mat 4:419–441, 1998).     

钙质砂剪切特性的围压效应和粒径效应研究

为研究钙质砂剪切特性的围压效应和粒径效应,开展了在不同粒径、不同相对密实度以及不同围压条件下的三轴剪切试验,并引入应力相对软化系数和剪胀系数对应变软化特征及剪胀特征进行了定量表征。试验研究表明,随围压的增大,不同粒径钙质砂试样应变软化特征及剪胀特征逐渐减弱,且围压与应力相对软化系数和剪胀系数均呈半对数线性相关。不同粒径钙质砂试样存在一强度临界围压和体变临界围压分别使得应变软化特征和剪胀特征消失。在粒径为5～0.075 mm范围内,对松样而言,围压对软化特征和剪胀特征存在显著影响,但与粒径不存在显著相关性;对密样而言,随粒径逐渐减小,围压对试样软化特征的影响逐渐增强,而对试样剪胀特征的影响逐渐减弱。在低围压（50 kPa）条件下,0.5～0.25 mm粒径组试样破碎最显著。     

基于CLoE与Gudehus-Bauer亚塑性模型的颗粒材料应变局部化对比研究

基于CLoE与Gudehus-Bauer亚塑性模型数值模拟了平面应变条件下Hostun砂的应变局部化现象。从侧向压力和初始缺陷两个方面对比研究了两种模型所预测应变局部化的产生及演化模式。结果表明：（1）两种模型均能反映Hostun砂刚度随着侧向压力提高而增大的现象。（2）相比Gudehus-Bauer亚塑性模型,CLoE亚塑性模型所得出的应变局部化形态与试验结果更加一致。（3）CLoE亚塑性模型能够反映随着荷载增加,砂的体积先膨胀后缩小的特点。（4）相比Gudehus-Bauer亚塑性模型,CLoE亚塑性模型所得到的应变-应力曲线能够更明显地反映应变局部化带中单元的软化现象。（5）CLoE亚塑性模型能够更好地模拟由初始缺陷导致的不均匀应变。总的来说,所得的数值结果表明,CLoE亚塑性模型能够较好地模拟侧向压力和初始缺陷对应变局部化的影响,在模拟应变局部化现象方面较Gudehus-Bauer更有优势。然而,现有CLoE亚塑性模型无法考虑孔隙比,也未包含颗粒材料内尺度变量,有待进一步完善。     

Undrained behaviour of Changi sand in triaxial and plane-strain compression

The results of an experimental study of the undrained behaviour of Changi sand under axisymmetric and plane-strain conditions are presented. K₀ consolidated undrained plane-strain tests and K₀ or isotropically consolidated triaxial tests on very loose and medium dense specimens were conducted. The undrained behaviour of sand at very loose and medium dense states under plane-strain conditions was characterised and compared with that under axisymmetric conditions. It was observed that the undrained behaviour of very loose and medium dense sand under plane strain is similar to that under axisymmetric conditions. However, because of the formation of shear bands in plane-strain tests, the post-peak behaviour of medium dense sand in plane strain is different from that in triaxial tests. It was also established that an instability line for plane-strain conditions can be defined in a way similar to that for axisymmetric conditions. Using the state parameter, a unified relationship between the normalised slope of instability line and the state parameters can be established for both axisymmetric and plane-strain conditions. Using this relationship, the instability conditions established under axisymmetric conditions can be used for plane-strain conditions.     

基于CLoE亚塑性模型的密砂循环荷载下力学行为模拟

亚塑性模型为模拟颗粒材料的非线性力学行为提供了一条新途径,特别是CLoE亚塑性模型在模拟应变局部化时具有一定的优势。然而该模型在模拟小幅应力-应变循环时表现出一定的锯齿效应。为了克服该效应,基于颗粒间应变张量的概念发展了修正的CLoE亚塑性模型以正确模拟循环荷载下密砂的力学行为。此外,为保证单调荷载作用下修正模型与原模型预测结果的一致性,改进了颗粒间应变率及颗粒间最大应变的定义。数值算例表明:（1）修正模型保留了克服锯齿效应的优点。（2）修正模型能够反映不同振幅条件下的卸载刚度。（3）在大振幅循环条件下,滞回圈的面积随着循环次数增加而增大。（4）修正模型能够保证单调加载条件下所得结果与原模型的一致性。（5）修正模型可以反映材料的疲劳破坏机制。