考虑颗粒破碎的粗粒土剪胀性统一本构模型

粗粒土作为无黏性散粒状材料具有状态依赖特性,土体的剪切特性受密度和应力水平影响。易破碎是粗粒土的另一个特点,颗粒破碎影响粗粒土的剪胀、内摩擦角、峰值强度和渗透系数。为了能够准确地描述粗粒土的应力-应变关系,采用初始状态参量描述粗粒土的内部状态,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推导考虑颗粒破碎的粗粒土剪胀性“统一本构模型”,并建立初始状态参量与模型参数之间的关系。所建立的统一本构模型既考虑了颗粒破碎对剪胀、内摩擦角的影响,又考虑了剪切特性对土体初始状态的依赖。采用变异粒子群算法拟合试验曲线,确定模型参数。模型计算结果能够很好地拟合试验曲线。采用同一组参数对假定的初始状态进行模拟计算,计算结果表明,模型能够模拟不同初始密度和应力水平下粗粒土变形的一般规律。     

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。     

海相沉积软黏土的弹塑性本构模型研究

在深入探讨海相沉积原状软黏土压缩、变形等力学特性和详细分析加载屈服面随荷载情况变化的基础上,确认了海相沉积原状软黏土的强度、变形特性与结构屈服应力密切相关。即当固结压力小于结构屈服应力时,其力学特性与超固结重塑土的力学特性类似;当固结压力大于结构屈服应力时,其力学特性与正常固结重塑土的力学特性类似。为描述海相沉积原状软黏土的上述力学特性,将姚仰平等提出的超固结重塑土本构模型引入到海相沉积软黏土弹塑性本构模型的构建中。在本构模型构建过程中,考虑了海相沉积原状软黏土具有的抗拉强度及其演化规律,软黏土强度包线的特点及其进一步修正的表达式,使模型更符合海相原状软黏土的强度、变形特性。最后,将3种不同海相沉积软黏土固结排水剪切试验得到的应力-应变-体变曲线与模型预测结果进行对比。比较结果显示,本文提出的弹塑性本构模型能很好地描述海相沉积原状软黏土的剪缩硬化、剪胀软化以及变形的应力水平依存性等力学特性。     

考虑颗粒破碎影响的粗粒土本构关系

粗粒土在较大的应力条件下容易产生颗粒破碎现象,而现有的大多数模型都没有考虑剪切过程中的颗粒破碎。模型将塑性功引入土体受力变形过程的能量方程中,推导得到土体流动法则。采用直线型屈服轨迹和非相关联流动法则,利用不排水应力路径计算得到硬化函数,建立了一个考虑颗粒破碎的粗粒土本构模型。对比分析表明：该模型对粗粒土在各种围压下的应力-应变和体应变计算结果与试验曲线吻合较好。     

考虑颗粒破碎效应的堆石料静动力本构模型

为合理反映颗粒破碎对堆石料力学特性的影响,基于试验结果分析,得出了堆石料在压缩和剪切作用下的颗粒破碎特性规律。通过引入压缩破碎和剪切破碎的相关参数,借鉴已有本构模型的合理定义,吸收临界状态理论和边界面理论的优点,发展了考虑颗粒破碎和状态相关的堆石料静动力统一弹塑性本构模型,并阐述了模型参数的确定方法。该模型不仅能够反映堆石料在静力荷载作用下的低压剪胀、高压剪缩、应变软化和硬化等特性,还能够反映在循环荷载作用下应力-应变的滞回特性和残余变形的累积效应。最后为验证模型的合理性,分别对堆石料的静力三轴和循环三轴试验进行了数值模拟预测,结果表明：模型预测与试验数据吻合良好,所提出的本构模型能够合理地描述颗粒破碎对堆石料静动力变形特性的影响。     

一种考虑黏聚强度的改良土弹塑性本构模型

改良土中土颗粒和水化物形成具有一定结构的聚合体而表现出较强的结构性。与重塑正常固结土相比,改良土的结构性更强且具有一定的超固结比。在变形发展过程中,由于聚合体结构逐渐破坏,黏聚强度逐渐损失,土体表现出应变软化的力学特性。基于适用于超固结重塑黏土的统一硬化模型,引入改良土黏聚强度及其随塑性变形的演化规律,对统一硬化参数进行了修正,并采用更适用于改良土的非关联的流动法则,建立了一个可以较好地描述改良土力学特性的弹塑性本构模型。通过与水泥改良土和石灰改良土的三轴剪切排水试验的结果进行对比,该模型能够较为合理地描述改良土加载过程中黏聚强度损失对其力学特性的影响。黏聚强度的存在导致土体表现出超固结土的特性,当黏聚强度损失时会加剧土体的软化速度。     

粗粒土的颗粒破碎耗能及剪胀方程研究

颗粒破碎对于粗粒土的应力变形性质有显著影响。在Rowe剪胀方程的基础上考虑颗粒破碎耗能的影响,并引入颗粒破碎的演化规律对颗粒破碎耗能进行计算,得到了一个简单实用且对粗粒土适用性较好的剪胀方程。主要结论如下：（1）通过粗粒土的三轴CD试验结果分析并证明了弹性应变对于剪胀比的影响较小,因此,可以将剪胀比 表示为 ,进而得到了剪胀方程表达式的一般形式。（2）将剪胀方程中的临界状态应力比Mc折减为摩擦系数M,并引入了颗粒破碎的演化规律,将M定量表示为广义剪应变的函数,从而使得所计算的破碎耗能在剪切过程中是递增的,且逐渐趋于稳定值,符合了颗粒破碎不可逆的规律。（3）试验表明,剪胀方程中的未知量 与摩擦系数M之间呈现显著的线性关系,将该关系代入剪胀方程即确定了方程的具体表达形式,并且利用堆石料的三轴CD试验证明了其对粗粒土的剪胀性预测效果较好。     

考虑土体结构性的弹塑性软化模型

采用在原料土中掺入水泥的方法,人工制备试样模拟天然大孔隙结构性土。根据人工制备试样在不同应力路径下等应力比压缩试验结果,确定出结构性土体初始屈服面和初始屈服后塑性应变增量方向;另外,根据三轴排水剪切试验结果建立了土体屈服后硬化规律。在此基础上,提出了一个能够反映土体结构性的弹塑性应变软化模型,并用试验进行了验证。结果表明,所建模型能够较好地反映结构性土体的应力变形规律。     

粗粒土的破碎耗能计算及影响因素

粗粒土的颗粒破碎直接改变了土体本身结构,对粗粒土的剪胀和内摩擦角都会产生影响。在土体剪切过程中,体积应力和剪切应力在体积应变和剪切应变上做功,这部分能量在剪切过程中转化为颗粒的弹性储能、颗粒间的摩擦耗能、颗粒剪胀时对外做功和颗粒破碎耗能4部分。准确计算剪切过程中粗粒土破碎耗能的目的是：从能量角度分析颗粒破碎对土体本构关系的影响,为建立考虑颗粒破碎的粗粒土本构关系创造条件。通过分析粗粒土的常规三轴试验数据,计算得到了剪切过程中的粗粒土破碎耗能。计算结果表明,常规三轴试验条件下粗粒土破碎耗能主要受固结应力、土体摩擦系数M等因素的影响。     

堆石料状态相关弹塑性本构模型

堆石料的强度变形特性与初始孔隙及应力状态等因素相关。建立了能够预测不同初始孔隙与初始围压影响的堆石料弹塑性本构模型。在剑桥类本构模型框架内,模型能够反映随着孔隙与围压的增大,变形特性由剪胀趋于剪缩的规律。模型采用了基于颗粒体材料细观结构变化的屈服函数和非关联流动准则,提出了能够反映堆石料正常固结线不唯一的硬化参数。为了反映状态相关性,假定堆石料存在唯一的临界状态面,探讨了考虑状态相关性需要满足的数学条件,从而对剪胀方程与硬化参数进行了修正。提出了基于粒子群优化算法的模型参数快速确定方法,将某筑坝堆石料不同初始孔隙比与围压条件下模型预测结果与三轴试验结果对比,验证了模型的合理性。     

堆石料的剪胀特性与广义塑性本构模型

以三轴试验成果为基础,考虑颗粒破碎引起堆石料剪胀比与应力比之间的非线性关系,提出了能够反映堆石料低围压剪胀、高围压剪缩特性的剪胀方程。在广义塑性理论框架内构造堆石料的塑性流动方向向量和加载方向向量,引入依赖于密实度与平均应力的压缩参数,构造随平均应力、剪应力比和密实度变化的塑性模量,建立了一个考虑颗粒破碎的堆石料弹塑性本构模型。阐述了该模型10个参数的确定方法,并通过模拟不同围压和不同应力路径下堆石料的三轴压缩试验资料验证了模型与参数的合理性。     

邓肯-张模型和沈珠江双屈服面模型的改进

邓肯-张非线性弹性模型和沈珠江双屈服面弹塑性模型已经被广泛地应用于高土石坝等土工建筑物应力位移分析中，但是邓肯-张模型存在不能反映土剪胀性的缺陷，沈珠江模型在高围压或较大剪应变条件下也存在模拟土剪胀性偏大的不足。笔者提出了一个能够统一模拟低围压到高围压条件下土剪胀特性的数学表达式，对上述两个模型进行了改进。采用粗粒土的大型三轴试验结果的初步验证分析表明，改进模型能较好地拟合粗粒土在低围压条件下剪胀以及高围压条件下剪缩的应-应变特性。     

基于摩尔-库仑模型的非线性本构模型的开发及其在应变局部化中的应用

以FLAC中的Mohr-Coulomb（M-C）本构模型为基础,在C++环境下实现了考虑拉伸截断的非线性本构模型的二次开发。针对应力及位移的分布规律,将理想弹塑性的Hoek-Brown（H-B）本构模型、M-C本构模型及自定义本构模型的数值解及H-B本构模型的理论解进行了比较,验证了自定义本构模型的正确性。采用弹-脆-塑性的自定义本构模型,以先加载,后挖洞的方式模拟了圆形巷道围岩的应变局部化过程,在计算模型的边界条件对称及均质本构参数的条件下,模拟出了4个对称的V型坑,模拟结果与静水压力条件下岩爆的现场观测及试验结果吻合,而采用接近脆性的H-B应变软化模型所得结果的对称性较差     

岩体结构面新型本构模型研究

对于涉及需要单独考虑岩体结构面的工程岩体结构分析,采用能反映岩体结构面主要力学特性的合理的本构模型是取得合理解答的关键问题之一。针对在经典连续介质力学理论框架内建立岩体结构面本构模型的缺点,基于岩体结构面的实际受力变形特性,采用直接法建立了一种新型岩体结构面本构模型。所建立的模型依据岩体结构面切向应力变形曲线及剪胀曲线的实际特征,将其分为峰前线性段、峰前非线性段以及峰后软化段,并分别给出了用于描述岩体结构面变形和强度等主要力学特性的数学模型,进而推导建立了结构面各变形阶段的增量型本构模型。最后,编写相关计算程序,采用所建立的新型本构模型以及被广泛采用的Plesha模型对经典的岩体结构面直剪试验成果进行拟合分析。结果表明,所建立的新型本构模型能更为合理的描述岩体结构面的主要力学特性,且模拟能力优于Plesha模型     

颗粒破碎及剪胀对钙质砂抗剪强度影响研究

钙质砂是海洋沉积物中的一种,富含碳酸钙或其他难溶碳酸盐类物质的特殊介质。由于其颗粒质脆,受力后易产生破碎,表现出与常规陆源砂不同的力学性质。通过对取自南沙群岛永暑礁附近海域的钙质砂进行三轴剪切试验,分析了钙质砂颗粒破碎与剪胀对其抗剪强度的影响。试验结果表明,颗粒破碎与剪胀对钙质砂强度有着重要影响,低围压下剪胀对其强度的影响远大于颗粒破碎,随着围压的增加,钙质砂颗粒破碎加剧,剪胀影响越来越小,而颗粒破碎的影响则越来越显著;颗粒破碎对强度的影响随着围压的增大而增大,当破碎达到一定程度后颗粒破碎渐趋减弱,其影响也渐趋于稳定。     

基于Drucker-Prager准则的岩石弹塑性损伤本构模型研究

大多数岩石材料软化本构模型在硬化函数中引入塑性内变量来表示材料的硬化/软化性质,但并不能反映岩石微裂隙损伤对材料力学性能的影响及单轴拉伸和压缩所表现的初始屈服强度f0与屈服极限fu的差异。基于D-P准则同时考虑塑性软化及损伤软化,建立岩石类材料的弹塑性本构关系及其数值算法。塑性屈服函数采用Borja等的应力张量的硬化/软化函数,反映塑性内变量及应力状态对硬化函数的影响;由于岩石损伤软化是微裂隙扩展所导致的体积膨胀引起的,因此,提出用体积应变表征岩石损伤变量的演化,并用回映隐式积分算法编制了岩石的弹塑性损伤本构程序。对单轴压缩及拉伸荷载作用下的岩石材料试验进行数值模拟,结果表明,所提出的岩石弹塑性损伤本构模型可以较好地符合岩石材料的力学特性。     

堆石料颗粒破碎特征的大型三轴试验研究

针对多个堆石料进行的大型三轴剪切试验,研究了颗粒破碎情况。结果表明,在试样制备过程所发生的颗粒破碎不可忽视。为了在固结开始前保持初始设计的级配,应将设计级配相应下调一定数值来制备试样。分析试验数据表明,大颗粒主要发生的是表面破碎,而整个试验过程中在剪切完成后的颗粒破碎率与围压之间呈线性增加关系,且风干样的颗粒破碎率小于饱和样的破碎率。     

An elastoplastic constitutive model for frozen saline coarse sandy soil undergoing particle breakage

The mechanical property of frozen saline sandy soil is complicated due to its complex components and sensitivity to salt content and confining pressure. Thus, a series of triaxial compression tests were carried out on sandy samples with different Na₂SO₄ contents under different confining pressures to explore the effects of particle breakage, pressure melting, shear dilation and strain softening or hardening. The test results indicate that the stress–strain curves exhibit strain softening/hardening phenomena when the confining pressures are below or above 6 MPa, respectively. A shear dilation phenomenon was observed in the loading process. With increasing confining pressure, the strength firstly increases and then decreases. By taking into consideration the changes between the grain size distributions before and after triaxial compression tests, a failure strength line incorporating the influences of both particle breakage and pressure melting is proposed. In order to describe the deformation characteristics of frozen saline sandy soil, an elastoplastic incremental constitutive model is established based on the test results. The proposed model considers the plastic compressive, plastic shear and breakage mechanisms by adopting the non-associated flow rule. The breakage mechanism can be reflected by an index related to the initial, current and ultimate grain size distributions. The hardening parameters corresponding to compressive and shear mechanisms consider the influence of particle breakage. Then the effect of particle breakage on both the stress–strain and volumetric strain curves is analyzed. The calculated results fit well with the test results, indicating that the developed constitutive model can well describe the mechanical and deformation features of frozen saline sandy soil under various stress levels and stress paths. In addition, the strain softening/hardening, contraction, high dilation and particle breakage can be well captured.

     

Validation of a model for impact breakage incorporating particle size effect

Investigation of a breakage probability model published by Vogel and Peukert [Vogel, L. and Peukert, W., 2004. Determination of material properties relevant to grinding by practicable labscale milling tests. Int. J. Miner. Process., 74S, 329–338.] has led to a modification of their model to describe the degree of impact breakage, t₁₀. The modified model takes a form similar to the JKMRC prior art breakage model, but with particle size and breakage properties incorporated explicitly in the model.     

Models of breakage and selection for particle size distributions

It is generally agreed that particle size distributions of sediments tend ideally to approximate the form of the lognormal probability law, but there is no single widely accepted explanation of how sedimentary processes generate the form of this law. Conceptually, and in its simplest form, sediment genesis involves the transformation of a parent rock mass into a particulate end product by processes that include size reduction and selection during weathering, transportation, and deposition. The many variables that operate simultaneously during this transformation can be shown to produce a distribution of particle sizes that approaches asymptotically the lognormal form when the effect of the variables is multiplicative. This was first shown by Kolmogorov (1941). Currently available models combine breakage and selection in differing degrees, but are similar in treating the processes as having multiplicative effects on particle sizes. The present paper, based on careful specification of the initial state, the nth breakage rule and the nth selection rule, leads to two stochastic models for particle breakage, and for both models the probability distributions of particle sizes are obtained. No attempt is made to apply these models to real world sedimentary processes, although this topic is touched upon in the closing remarks.