不同应力路径下砂土的神经网络弹塑性本构模型研究

基于多种应力路径下砂土的加载、卸载和再加载过程的三轴排水试验数据，研究了三种应力路径对屈服面的影响，其结果表明，不同应力路径对砂土的本构模型有着不可忽视的作用。在此基础上，建立了砂土的弹塑性神经网络模型，对相应路径下的本构关系进行了学习。实例分析表明，该模型能够很好地描述具体应力路径下的本构关系，神经网络建模方法具有方便、容错性强的特点，对岩土力学快速、高效数值方法的进一步发展具有重要的参考价值。同时，在这种弹塑性应力-应变关系中，笔者并没有使用塑性势函数，这在目前的弹塑性本构关系的建模中是一种新的尝试。     

干湿循环作用下砂岩力学特性及其本构模型的神经网络模拟

基于不同干湿循环作用下砂岩单轴压缩试验结果,分析了干湿循环效应对砂岩变形、强度、破坏特征等力学特性的影响规律,认为随着干湿循环次数的增加,弹性模量及峰值强度均有降低的趋势,降低幅度先大后小,而且会以某一具体值为临界值发展变化,就本次试验而言为干湿循环20次时的抗压强度和弹性模量值;砂岩的破坏特征亦会受到干湿循环试验次数的影响,干湿次数越少,脆性破坏越明显,反之则延性特征增强,即砂岩会呈现一种从脆性到延性转化的破坏规律。以应变和干湿试验次数为输入层,应力为输出层,构建了2-12-1的三层神经网络本构模型。通过样本的学习与检验,证明该模型能较好地描述干湿循环作用下砂岩的力学性能,验证了利用神经网络方法建立岩石本构模型的可行性与可靠性。基于预测结果,建立了完整的考虑干湿循环效应的砂岩力学特性变化规律的数学函数关系式。     

含水量对高含冰量冻结砂土屈服面的影响

以往关于冻土屈服特性的研究很少考虑含水量的影响,但实际工程中经常遇到的是变含水量情况,因此本文通过-5.0℃条件下高含冰量冻结砂土的一系列三轴压缩试验,系统地研究了含水量对屈服特性的影响,并且由此建立了带有含水量参数的偏应力-剪应变增量型关系式。试验结果表明：随含水量的变化,应力-应变曲线类型有明显变化,即在不同的含水量区间,含水量对硬化规律有不同的影响特性,因此为了使屈服函数的形式更加简单和提高拟合准确度,对于屈服函数的具体形式应该根据塑性剪应变（硬化参数）和含水量不同区间进行分别确定;当塑性剪应变较小时（0.00%~1.00%）,随含水量的增大,偏应力逐渐增加,而当塑性剪应变较大时（大于1.00%）,随含水量的增大,偏应力有一个先减小后增大的变化过程,并且42.0%可以作为含水量转折点;通过分段硬化原则建立的带有含水量参数的屈服函数与偏应力-剪应变的增量型关系式的模拟值与试验点基本相吻合,这说明得到的屈服函数与偏应力-剪应变的增量型关系式可以用于不同含水量条件下屈服面和偏应力-剪应变曲线的预测。     

基于状态相关本构模型的砂土非共轴特性模拟

基于屈服面角点非共轴理论中采用Gram-Schmit正交化方法,提出了一种新的非共轴本构模型。模型修正了原有的流动法则,其中非共轴流动方向被定义为将单位应力增量方向在参考主应力正交方向上的投影,同时与塑性标量因子相关联。另外,根据广义应力的状态下的剪胀方程推导了一种新的塑性函数形式。以状态相关砂土模型为基本模型,分别采用新的非共轴模型和未修正的模型模拟了Toyoura砂的空心圆柱单剪试验和空心圆柱扭剪试验,将模型模拟的结果与试验数据进行对比,结果表明,新非共轴模型能更为合理地反映试验中非共轴现象及其变化规律,特别是固定主应力轴方向的单调剪切试验。     

侧限压缩下砂土的细观力学特性及其形态分析

本文基于室内固结试验,自行设计加工了土体受到轴向压力和侧限条件时,对土的细观结构进行观测的细观结构观测固结仪.通过对中砂半模固结仪试验的宏观变形场分析选择了细观特征观测点,发现中砂的位移场类似于抛物线形,位移量最大区总是发生在上透水石的底面中心处;利用MiFas图像软件对中砂压缩过程中的显微图像进行处理,分析了中砂试样...     

砂土应力路径本构模型的试验验证

建立了砂土应力路径本构模型,揭示了应力路径影响砂土应力-应变关系的本质,在平均应力p变化不大的条件下主要是剪应力比的影响。当使用该模型计算应力-应变关系时,将应力路径线性化,分别计算等平均应力p路径和等应力比 路径上的应变。利用试验对模型所引用的关系式 进行验证,试验结果和 的理论值较为吻合,证明了模型引用关系式 的合理性。并利用模型对复杂路径下砂土的应力-应变关系进行预测,对模型预测与试验结果进行比较,结果表明模型可以合理地考虑复杂应力路径对砂土应力-应变关系的影响。     

压剪应力作用下多裂隙岩体的力学特性：本构模型

本文从贝蒂(Betti)定理出发,考虑裂隙在压剪应力作用下的闭合效应,推导出有序多裂隙岩体的本构方程,同时采用数学弹性力学的方法,精确推导出传压系数的理论公式,并对传剪系数加以分析。     

基于统一硬化参数的深海能源土本构模型

深海能源土是指含天然气水合物（俗称"可燃冰"）的深海沉积物,其本构特性的模拟对可燃冰的安全开采至关重要。首先分析了水合物对能源土强度、剪胀和软化等力学特性的影响机理,水合物饱和度越大,对能源土力学特性影响越显著。然后在修正剑桥模型的基础上,通过引入水合物的饱和度和统一硬化参数来修正屈服函数,以反映水合物对能源土强度、剪胀、软化等特性的影响,建立了能考虑天然气水合物胶结作用形成及退化影响的深海能源土弹塑性本构模型,推导了相应的弹塑性矩阵。最后,通过模拟结果与已有能源土三轴试验数据对比分析,表明模型能很好地预测能源土强度、剪胀和软化等特性,验证了模型的合理性和有效性。     

考虑颗粒破碎的冻结砂土非线性本构模型研究

颗粒破碎是粒状材料在高应力状态下的一种基本现象。为了研究冻结砂土中颗粒破碎对应力应变关系的影响,将冻结砂土视为复合颗粒材料,忽略冰的压融,考虑内摩擦角随应力状态的变化,构建一个适用于冻结砂土的考虑颗粒破碎的非线性本构模型。构建过程分为三步,首先是基于三轴剪切前后颗粒分析对冻结砂土颗粒破碎模式和产生机理进行探讨;其次是基于考虑颗粒破碎的能量平衡方程,对冻土在三轴剪切试验过程中的颗粒破碎耗能进行分析,结果表明颗粒破碎耗能随轴向应变呈双曲线变化趋势;最后应用考虑颗粒破碎的剪胀方程修正沈珠江三参数非线性模型中的体积切线模量ν_t,得到一个考虑颗粒破碎的非线性本构模型,模型参数可以通过单轴压缩试验和常规三轴试验确定。将原模型和修正后模型的计算结果与控制温度为-6℃,围压为1 MPa、4 MPa、6 MPa、8 MPa和10 MPa时冻结砂土的试验结果进行对比,结果表明该模型能够较好的模拟冻结砂土从低围压到高围压的应变软化特征与剪胀特征。      

基于相变状态的砂土本构模型的研究

为了很好地描述砂土的应力应变特征,通常利用以临界状态孔隙比为基础的状态参数建立弹塑性本构关系,但是对于密砂排水试验,临界状态参数很难测到。相变状态作为一特征状态,相关参数较容易测得。因此,本文定义了以相变状态孔隙比为基础的状态参数,并引入砂土的剪胀和边界应力比表达式,建立砂土的弹塑性本构模型。最后,利用本文提出的模型参数得到的密砂模拟结果与试验结果相吻合,较好地反映了密砂的应变强化和软化力学特征。     

高应力准一维应变下细砂本构关系实验测定

为掌握松散细砂在宽广应力范围下的压缩本构特性,采用准一维应变装置进行了最高轴向应力达1 100 MPa的实验研究。测得了一种细砂在烘干状态和含水率为3.4%、6.6%和13.5%的压缩下应力-应变曲线,拟合了不同含水率细砂准一维应变压缩下的统一形式的经验型本构方程。比较了实测数据与AUTODYN程序材料数据库数据,给出了使用DYNA程序计算需要的细砂参数推荐数据。高应力水平下的实测数据对工程定量计算具参考价值,拟合的经验公式可在对不同含水率细砂的具体工程计算中推广使用。     

较低和较高围压下煤岩三轴试验及其塑性特征新表述

对煤岩进行了较低和较高多个围压下的常规三轴加卸载试验研究,给出了系统的试验成果。试验表明,较低围压下,卸载路径和加载路径几乎完全重合,煤岩应力-应变特性呈现明显的线弹性特征,并表现出一定的脆性破坏特性;而较高围压下,应力-应变呈现明显的非线性特征,卸载路径不再原路返回,呈明显的塑性变形特征。为了定量刻画煤岩的塑性硬化特性,提出了根据硬化参量的几何意义计算其值的方法,并选择累积塑性应变作为塑性硬化参量,计算了27 MPa围压下试验曲线的硬化参量,作为对比还计算了采用直接卸载法计算的该试验曲线的累积塑性应变值。结果发现,随着轴向变形逐渐增加,煤岩的塑性硬化逐渐增长,并且用该方法计算出的塑性硬化参量远大于用直接卸载法计算的结果。由于该方法完全符合路径积分的限制条件,因此,更加合理。     

Influence of the microstructural properties of biocemented sand on its mechanical behavior

The mechanical efficiency of the biocementation process is directly related to the microstructural properties of the biocemented sand, such as the volume fraction of calcite, its distribution within the pore space, coordination number, contact surface area, and types of contact. In the present work, some of these microscopic properties are computed, from 3D images obtained by X-ray tomography of biocemented sand. These properties are then used as an input in current analytical models to estimate the elastic properties (Young and shear moduli) and the strength properties (Coulomb cohesion). For the elastic properties, the analytical estimates (contact cement theory model) are compared with classical bounds, self-consistent estimate and numerical results obtained by direct computation (FEM computation) on the same 3D images. Concerning the cohesion, an analytical model initially developed to estimate the cohesion due to suction in unsaturated soils is modified to evaluate the macroscopic cohesion of biocemented sands. Such analytical model is calibrated on experimental data obtained from triaxial tests performed on the same biocemented sand. In overall, the presented results point out the important role of some microstructural parameters, notably those related to the contact, on such effective parameters.     

不同温-压条件下含水合物沉积物的损伤本构关系

环境温度和孔隙压力对含水合物沉积物的力学特性存在重要影响,深刻揭示温度和孔隙压力对含水合物沉积物力学特性的影响机制并对其进行有效地模拟是含水合物地层稳定性评估的前提。在分析温度和孔隙压力变化对含水合物沉积物的力学特性影响机制的基础上,引入温压条件参数来考虑温度和孔隙压力变化对含水合物沉积物力学特性的影响,建立了考虑温度和孔隙压力影响的损伤本构模型。模型假设含水合物沉积物微元强度服从Weibull分布,采用Drucker-Prager强度准则描述微元强度,建立了损伤因子的演化规律。此外,还提供了一套模型参数的确定方法。通过一系列不同温度压力条件下的含水合物沉积物的三轴压缩试验结果对模型进行校核和验证,结果表明,该模型能很好地模拟含水合物沉积物的应力-应变关系,并且能较好地考虑水合物含量、环境温度和孔隙压力对含水合物沉积物的力学特性的影响。     

Rotational kinematic hardening model for three‐dimensional stress reversals in sand

A kinematic hardening mechanism has previously been proposed to capture the behavior of soil during large stress reversals in the triaxial plane. This mechanism is now extended to the principal stress space. It incorporates rotation and intersection of yield surfaces to achieve a consistent and physically rational fit with experimentally observed soil behavior during large three‐dimensional stress reversals. An existing elasto‐plastic model with isotropic hardening is used as the basic framework to which the rotational kinematic hardening mechanism has been added. The new combined model preserves the behavior of the isotropic hardening model under monotonic loading conditions, and the extension from isotropic to rotational kinematic hardening under three‐dimensional conditions is accomplished without introducing new material parameters. The framework of the model is presented here with some comparisons between theoretical and experimental directions of strain increment vectors to indicate the potential of the model. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

A high strain‐rate constitutive model for sand and its application in finite‐element analysis of tunnels subjected to blast

The paper presents a constitutive model for simulating the high strain‐rate behavior of sands. Based on the concepts of critical‐state soil mechanics, the bounding surface plasticity theory and the overstress theory of viscoplasticity, the constitutive model simulates the high strain‐rate behavior of sands under uniaxial, triaxial and multi‐axial loading conditions. The model parameters are determined for Ottawa and Fontainebleau sands, and the performance of the model under extreme transient loading conditions is demonstrated through simulations of split Hopkinson pressure bar tests up to a strain rate of 2000/s. The constitutive model is implemented in a finite‐element analysis software Abaqus to analyze underground tunnels in sandy soil subjected to internal blast loads. Parametric studies are conducted to examine the effect of relative density and type of sand and of the depth of tunnel on the variation of stresses and deformations in the soil adjacent to the tunnels. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

不同渗透水压下完整泥页岩剪切−渗流特性研究

为了探索高压水力浸润带和消落带岩体在压剪荷载与流体入渗双因素耦合作用下剪切渗流特性的衍化规律,利用自主研发的一套新型岩石剪切−渗流耦合试验系统,对饱水泥页岩进行了常法向荷载条件下不同渗透水压的剪切−渗流耦合试验和剪切蠕变−渗流耦合试验。试验结果表明：（1）随着渗透水压力的增加,饱水泥页岩剪切强度峰值、法向变形峰值以及剪切蠕变破坏强度均有所下降,说明渗透水压力对岩样力学强度具有损伤效果。（2）在剪切−渗流耦合试验过程中,岩样剪应力与法向变形在线弹性变化的末期会出现明显的上下波动现象,并伴有水流流出,剪应力和法向变形的突变点在时间上具有一致性。（3）在剪切蠕变−渗流耦合试验过程中,水流渗出速率与渗透水压力大小呈正相关,随着剪切荷载施加等级的提高,岩样蠕变变形量增大,单位时间内累计渗出水量亦有所提升。     

A kinematic hardening constitutive model for sands: the multiaxial formulation

This paper explores the possibility of using well-accepted concepts—Mohr-Coulomb-like strength criterion, critical state, existence of a small strain elastic region, hyperbolic relationship for representing global plastic stress–strain behaviour, dependence of strength on state parameter and flow rules derived from the Cam-Clay Model—to represent the general multiaxial stress–strain behaviour of granular materials over the full range of void ratios and stress level (neglecting grain crushing). The result is a simple model based on bounding surface and kinematic hardening plasticity, which is based on a single set of constitutive parameters, namely two for the elastic behaviour plus eight for the plastic behaviour, which all have a clear and easily understandable physical meaning. In order to assist the convenience of the numerical implementation, the model is defined in a ‘normalized’ stress space in which the stress–strain behaviour does not undergo any strain softening and so certain potential numerical difficulties are avoided. In the first part the multiaxial formulation of the model is described in detail, using appropriate mixed invariants, which rationally combine stress history and stress. The model simulations are compared with some experimental results for tests on granular soils along stress paths lying outside the triaxial plane over a wide range of densities and mean stresses, using constitutive parameters calibrated using triaxial tests. Furthermore, the study is extended to the analysis of the effects induced by the different shapes of the yield and bounding surfaces, revealing the different role played by the size and the curvature of the bounding surface on the simulated behaviour of completely stress- and partly strain-driven tests. Copyright © 1999 John Wiley & Sons, Ltd.