筑坝土石料的变参数Ramberg-Osgood 模型及其适应性研究

被广泛采用的等价线性黏弹性模型不寻求土体动应力-应变的具体表达式,无法给出能量耗散函数,为深入研究筑坝土石料动力变形机制带来不便。变参数Ramberg-Osgood模型（简称R-O模型）通过变动两个参数以适应土体动模量衰减和阻尼增长,并给出滞回圈的数学表达式。研究中讨论了变参数R-O模型的适应范围,发现该模型不适合描述土体的小应变动力特性,给出了筑坝土石料变参数表达式,绘制了与试验曲线相协调的应力应变滞回圈。可以看出变参数R-O模型能够较好地描述筑坝土石料的动力特性,为进一步研究筑坝土石料的动力耗散与变形机制奠定了基础。     

热力学方法在土体动力Ramberg—Osgood模型中的应用研究

从Ramberg—Osgood模型的骨架曲线和滞回曲线出发,假定塑性中心的移动为直线,构造土体动力耗散函数,从热力学基本定律出发研究了土体动力耗散特性及动力变形机理．提出了反映筑坝堆石料动力特性的第1阌值应变和第2阈值应变,两个阈值应变主要受最大动剪切模量系数、指数及无黏性土的内摩擦角的影响．第1和第2阈值应变间屈服面...     

基于均匀化理论的土石混合体应力应变关系

将土石混合体等效为理想的二元介质混合材料,假定块石元为理想的脆弹性材料,土体元为典型的弹塑性材料。选取邓肯-张模型定义土体的本构关系,引入块石元局部应变系数建立土石混合体代表单元体积平均应变与其中块石元、土体元微应变的桥联关系。通过均匀化理论对土石混合体代表单元的一般应力应变关系进行了详细探讨。选取广东省云罗高速高填路基土石混填料中的残积粉质粘土,通过室内常规三轴压缩实验对土体邓肯-张模型的参数进行标定,描绘出不同围压及不同含石率条件下土石混合料一般应力应变关系曲线图。结果表明,均匀化理论得到的函数关系式能够较好地反映土石混合体在不同条件下的一般应力应变关系。随着土石混合体含石率的提高其抗剪能力显著增加,但当含石率小于0.3时,块石元的增强效应并不明显。     

基于分数阶微积分的粗粒料静动力边界面本构模型

分数阶微分理论在土体静力黏弹性本构模型中得到了广泛应用,然而,其在动力弹塑性模型中的应用尚不多见。为此,基于分数阶微积分理论分析了粗粒料在循环荷载下的变形特性,提出了粗粒料在循环荷载下的分数阶应变率;并以此为基础,进一步建立了粗粒料受静动力荷载作用下的边界面塑性力学本构模型。所提出模型包含10个参数,均可以运用常规三轴试验获得。为了验证所提出模型,选取了几种已有不同文献中的不同粗粒料试验数据进行了模拟,发现,所提出的模型可以较好地模拟粗粒料在静动力加载下的应力-应变行为,对于循环荷载下的长期变形也能较好地预测。     

基于骨架孔隙比的土石混合料强度变形特性

土石混合体是由具有一定尺寸石块、作为充填成分的土体及孔隙等组成的混合体,其强度变形特性与细粒（土粒）含量密切相关。为研究不同细粒含量土石混合料强度变形特性,建议采用以承担骨架作用的颗粒的孔隙比（骨架孔隙比）反映土石混合料内部真实密实情况。开展了系列压实试验,建立了考虑土石级配的土石混合料堆积模型,进而推导了土石混合料骨架孔隙比表达式,并通过室内三轴排水剪切试验,验证了骨架孔隙比用以预测土石混合料强度变形特性的有效性。结果表明：相较于常规定义的整体孔隙比,骨架孔隙比能更好地表示土石混合料内部颗粒接触状态,反映材料内部“真密实”情况;利用骨架孔隙比概念,可以仅由纯石/土料强度变形特性预测不同细粒含量的土石混合料强度变形特性。     

面板堆石坝筑坝材料动力特性试验研究

某抽水蓄能电站上水库主坝为沥青混凝土面板堆石坝,坝址区地形地质条件复杂且处于强震区,需研究其坝体和坝基料的动力特性。采用清华大学大型高压多功能静动三轴试验机,对坝基和主要坝体材料进行了动弹性模量与阻尼比试验和动残余变形试验。试验结果表明,与普通堆石料相比,软岩次堆石料和覆盖层料的动弹性模量较低且变形较大,但其动应力应变关系与动变形特性同样可以分别用修正的黏弹性动本构模型和残余变形经验公式进行描述。此外,根据动力试验结果初步论证了利用软岩和直接在覆盖层上筑坝的可行性。     

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。     

描述循环荷载作用下黏土累积变形的改进模型

软土地基在长期循环荷载作用下的变形特性十分重要,经验模型是动荷载引起的土体变形预测的实用方法,虽拟合方法众多,仍存在一定的局限性。根据典型结构性黏土的动力变形的曲线形态演化规律,通过引入指数型函数(1)Na?-与指数双曲线函数/(1)m mb N(10)c N的叠加融合,提出了一种能更好描述在循环荷载作用下黏土累积变形的改进模型,该模型既适用于具有应变极限值的"稳定型"应变曲线,也能拟合不同应力水平下的"破坏型"应变曲线。不仅如此,该改进模型对呈脆性破坏特征的强结构性黏土变形特性表征也具有明显的优越性,对于不同结构性土体与应力水平下土体的动力变形响应性状均能较好描述,具有很好的普适性。改进模型可近似计算土体的临界动应力,针对动荷载下的结构性黏土破坏突然且破坏前的轴向应变较小,认为宜用应变-振次曲线拐点对应的应变值来确定相应土体应变破坏标准。     

基于交变移动本构模型的粗粒土动力特性数值解析

粗粒土由于抗剪强度高、易压实、变形较小等优点被广泛应用于各类工程建设中。目前对于粗粒土动力特性的研究较少,理论滞后于工程应用。在工程设计中,通常将粗粒土划分为非液化土类,但在国内外多次强震调查中发现了严重液化的粗粒土,在一定的震动作用下,松散至中密的粗粒土也有可能发生液化。根据国内外地震中发生严重液化现象的粗粒土选取了研究土料的级配,在模型参数标定基础上,使用可描述土体交变移动和液化现象的交变移动(Cyclic-mobility)土体本构模型,探讨了试样端部与试验仪器之间的摩擦、重力场、动剪应力比、围压、动荷载频率等不同因素对饱和粗粒土动力特性的影响。研究表明:Cyclic-mobility土体本构模型能较好模拟粗粒土的应力、应变特性;端部约束条件和重力场将对粗粒土室内单元试验结果造成一定的影响;较低的围压或较高的动剪应力比作用下,试样的动应变幅值越大、内部应变不均匀现象越明显;频率较低时对应的试样内部体应变分布较为相似,高频率和高动剪应力比同时作用时会对试样造成较大的破坏。通过三轴试验研究土体不同位置单元的动力响应时,应注意应变传感器的布置方法,并对结果进行综合考虑和适当修正。     

土石混合体渗透侵蚀特性数值模拟研究

土石混合体是由块石、砾石与砂土、黏土等固体颗粒组成,以块石镶嵌在细粒土体中为结构特征的松散介质。由于其颗粒松散特性,细颗粒在渗流作用下易于流失而形成渗流侵蚀。采用室内试验与数值模拟相结合的方法,扩展渗流侵蚀模型在土石混合体渗透侵蚀研究中的应用。选取云南某滑坡土石混合体为研究对象,采用自制的渗透侵蚀装置,模拟土体基质渗透侵蚀过程,获取土体基质侵蚀参数试验值。根据块石在土体基质中分布特征,建立不同块石含量特征的土石混合体计算模型。基于参数试验值及渗流侵蚀方程、耦合渗流控制方程及孔隙率控制方程,模拟土石混合体渗流侵蚀过程,分析块石含量对土石混合体渗透侵蚀特性的影响。模拟结果表明:在同等水力梯度及时间条件下,块石含量与土石混合体宏观平均流速初值、侵蚀颗粒密度值呈反比,与液化颗粒密度峰值呈正比;块石含量与渗流侵蚀方程中试验参数存在线性相关性。将块石含量作为土石混合体结构特征引入渗流侵蚀方程中,以构建适用于土石混合体的渗流侵蚀模型。     

基于热力学定律的土体动力Hardin-Drnevich模型再认识

从Masing二倍法构造的Hardin—Drnevich模型的卸荷再加荷滞回曲线出发,以热力学定律为基础,考虑了塑性中心的移动为直线和骨架曲线两种情况下的耗散函数表达形式,应用Ziegler正交条件,通过对耗散函数求一阶偏导,得到耗散应力空间中的屈服函数表达式,并引入耗散应力和真实应力之间的差别项即转移应力,从而得到真实应力空间中的屈服函数。屈服曲线的绘制表明了对于塑性中心的不同转移规律,屈服曲线遵循同样的变化规律：应变在某一范围内,剪切形的屈服曲线是直线形式;当应变超过某一阈值时,剪切形的屈服曲线呈现弯曲。此外,还给出了应变的阈值。     

由滞回曲线的形态特征分析冻结黏土的动力特性

利用滞回曲线研究冻结黏土的动力学特性。结果表明,当土体温度为-0.5 ℃～-4 ℃、荷载频率为1～10 Hz时,随温度的降低和动荷载振动频率的增加,冻结黏土的刚度逐渐增大,黏滞性、细观损伤程度、塑性变形和能量耗散能力逐渐减小,当土中温度低于-4 ℃或荷载频率高于10 Hz时,土的动力特性变化不明显;随动应力幅值的增大,刚度逐渐减小,黏滞性、细观损伤程度、塑性变形和能量耗散能力逐渐增大;相同动应力幅值下,刚度、黏滞性、细观损伤程度、塑性变形和能量耗散能力受温度影响最大,围压影响最小,频率影响居中;试验温度、频率和围压三因素对冻结黏土的细观损伤程度和塑性变形能力影响程度最大,对黏滞性和耗能能力的影响程度基本相同,位于第二,对刚度的影响程度最小。     

疲劳动剪应变门槛与武广高铁无碴轨道路堑基床长期动力稳定

针对武广高铁无碴轨道红黏土路堑基床长期动力稳定性问题,利用改造后的应力控制式动三轴仪代替国内尚无的剪应变控制式共振柱仪,测试土体疲劳动剪应变门槛值,提出了一套完整的试验方案和数据处理方法,为疲劳动剪应变门槛的确定开辟了新的试验途径。通过疲劳动三轴试验,获得了9种试验条件下红黏土疲劳动剪应变门槛值。按曲线走势特征,红黏土 - 曲线可分为稳定型、临界型、破坏型3类,且不同试验条件下同类型的曲线具有相似的走势特征;探讨了含水比、围压对红黏土疲劳动剪应变门槛的影响,给出了简单实用的疲劳动剪应变门槛经验估算公式;基于室内试验及现场动响应测试成果,采用动剪应变法初步评价了武广高铁无碴轨道红黏土路堑基床的动力稳定性,给出了不同物理状态下红黏土基床最小换填厚度建议值。研究成果为我国高速铁路无碴轨道土质路基动力稳定性评价及路堑基床换填厚度的确定提出了新的思路,也为红黏土疲劳特性的深入研究提供了宝贵的第一手资料。     

A constitutive model for the dynamic and high‐pressure behaviour of a propellant‐like material: Part II: Model development and applications

This paper presents the second part of a work that aims at developing a mechanical model for the behaviour of propellant‐like materials under high confining pressure and strain rate. The model is to be employed to determine the temperature rise due to mechanical dissipation during a dynamic penetration event. Using the kinematical and thermodynamic background derived in the first part, a viscoelastic–viscoplastic–compaction model is put forward and identified. Viscoelasticity and compaction refer to the elastomeric nature of the material, while viscoplasticity, including implicit damage through dilatancy, reflects its granular nature. Some numerical exercises are performed, in view of determining the major model forces and weaknesses, and of assessing the numerical algorithm robustness. A penetration event is preliminarily simulated, and a temperature rise field predicted. Necessary model improvements are finally discussed, together with several ways of research for a longer term approach. Copyright © 2001 John Wiley & Sons, Ltd.     

Modeling Strain Rate Effect of Heterogeneous Materials Using SPH Method

The strain rate effect on the dynamic compressive failure of heterogeneous material based on the smoothed particle hydrodynamics (SPH) method is studied. The SPH method employs a rate-insensitive elasto-plastic damage model incorporated with a Weibull distribution law to reflect the mechanical behavior of heterogeneous rock-like materials. A series of simulations are performed for heterogeneous specimens by applying axial velocity conditions, which induce different strain-rate loadings to the specimen. A detailed failure process of the specimens in terms of microscopic crack-activities and the macro-mechanical response are discussed. Failure mechanisms between the low and high strain rate cases are compared. The result shows that the strain-rate effects on the rock strength are mainly caused by the changing internal pressure due to the inertial effects as well as the material heterogeneity. It also demonstrates that the inertial effect becomes significant only when the induced strain rate exceeds a threshold, below which, the dynamic strength enhancement can be explained due to the heterogeneities in the material. It also shows that the dynamic strength is affected more significantly for a relatively more heterogeneous specimen, which coincides with the experimental results showing that the poor quality specimen had a relatively larger increase in the dynamic strength.     

软黏土在循环荷载作用下动力本构模型的研究

针对软黏土在循环荷载作用下的变形特性,即几乎不存在纯弹性变形阶段及应变趋于零时仍存在能量耗散,结合软土地铁车站振动台模型试验中对饱和软黏土进行的动三轴试验,利用边界面模型理论建立了软黏土的黏弹塑性动力本构模型。并进一步利用该模型对自由场振动台试验进行数值模拟计算,计算与试验的结果基本吻合。该本构模型可用于循环荷载作用下软黏土的动力响应分析。     

低弗劳德数水流二级消力池体型参数试验研究

低弗劳德数水流条件下,二级消力池是解决消能问题的一种有效途径。但至今为止,有关二级消力池的工程应用研究较多,而在体型参数和消能机理方面研究较少。为此,采用理论分析和物理模型试验相结合的方法,研究了低弗劳德数水流二级消力池体型参数及其敏感性。结果表明:消力池的长度、深度和尾坎高度等参数都存在界限值,超出界限值时第一级消力池易于产生波状或远驱水跃,而第二级消力池出池水面波动显著增大。池长小于界限值时,消力池池内流态恶化,消能率明显降低;尾坎高度越低,消波效果越好。优化后的二级消力池消能率明显提高,且二级消力池对尾水位的适应性也显著扩大。引入尾坎高度修正系数ωi,提出了各级池长和尾坎高度的计算公式。     

砂质混合粘土的孔隙水压力和残余变形特性研究

以砂质混合粘土为例,通过实施不同初始固结比水平的动力循环荷载试验,考察了土的孔隙水压力和残余变形的发生过程。探讨了当将土的不等向固结分为初始剪应力和等向固结两种应力状态时,孔隙水压力和残余变形的预测方法。提出了归一化的孔隙水压力和累积损失能量及残余变形和有效应力比间的关系模型。