基于双胞元的颗粒材料应力-应变关系研究

基于细观力学,建立颗粒材料的宏观应力-应变与接触力、接触位移、枝矢量等细观量之间的关系。用改进的Voronoi-Delaunay法对颗粒材料进行几何和物理上划分,得到改进Bagi双胞元体系;以固体胞元为基础,运用牛顿第二定律和Gauss定理提出含有旋转矢量和重力的颗粒材料平均等效应力,避免了颗粒材料的准静态假设;在孔隙胞元区域内利用变形协调条件推导出含有孔隙面矢量等几何变量的颗粒材料平均等效应变。结合文献的二维颗粒材料宏观试验结果验证了双胞元平均等效应力-应变的正确性;在三维情形下,对比双胞元等效应变和最优拟合应变结果,同样验证了基于双胞元的颗粒材料应力-应变关系,因此,该颗粒材料应力-应变关系可以为数值模拟颗粒材料力学行为提供依据。     

基于两种颗粒体模型的巷道围岩应力应变分析

本文将岩石视为颗粒体材料,采用两种模型对巷道围岩的应力、应变及破坏区的分布规律进行了数值模拟。第一种模型是连续介质模型,其中考虑了颗粒、界面及基体。第二种模型是将第一种模型中的基体去掉。研究结果表明:当基体强度参数降低较少时,巷道围岩中的环向和径向应力在传统结果附近波动;当基体强度参数降低较多时,两种应力的波动幅度提高,而且,基体位置的应力向其周围的颗粒或界面转移。第二种模型结果的波动幅度更大。随着基体强度参数的降低,巷道围岩中的应变集中区向深部转移,形成相互交织的滑移线网,滑移线网的位置主要位于基体和界面中,这与第二种模型的结果有明显的差异(多个环向的应变集中区)。     

粗颗粒土的应力应变特性及其数学描述研究

大型三轴试验研究了粗颗粒土的应力应变特性及邓肯-张模型的适用性。试验结果表明粗颗粒土表现出明显的低围压下体胀高围压下体缩的体变性质,邓肯-张模型在描述粗颗粒土的体变特性方面存在不足。基于试验结果提出了新的体变描述公式,在未增加模型参数的条件下提出了邓肯-张模型的改进模型。采用改进模型对多种粗颗粒土三轴试验结果进行了预测,结果初步表明改进模型能够更好地模拟粗粒土的体变特性。     

基于强度参数演化行为的岩石峰后应力-应变关系研究

基于岩石材料峰后强度参数的演化行为,结合强度准则,提出了建立峰后应力-应变关系的一般方法。在此基础上,基于摩尔-库仑强度准则,以最大主应变 作为应变软化参数,假设黏聚力 ,内摩擦角 为主应变 的分段线性函数条件下,给出了岩石材料的峰后应力-应变关系式的求法。在数值算例中,利用提出的方法,给出了大理岩在不同围压下的应力-应变曲线,算例显示,利用这一方法求得的峰后应力-应变关系曲线变化趋势与试验数据基本一致,表明该方法在研究峰后应力-应变关系上具有一定的合理性。     

原状黄土CT试验中应力-应变关系的研究

采用三轴CT实时试验对原状黄土在三轴剪切试验过程中的应力-应变进行了研究。分析了Q2和Q3黄土的应力-应变曲线,提出了原状黄土的初始损伤应力、应变门槛值的确定方法。基于试验结果,指出Q2黄土在低围压下较Q3黄土更易发生损伤,且其发生损伤的应变门槛值较Q3黄土低。在此基础上,提出了用CT数所定义的损伤变量公式,拟合得出损伤变量与轴向应变及偏应力的关系式。     

基于Cosserat连续体的颗粒破碎影响研究

颗粒破碎对颗粒材料宏观力学行为有重要影响。 结合Hardin的破碎经验公式,将表征破碎程度的破碎参量与Cosserat连续体的内部长度参数相关联,形成一个基于Cosserat连续体且能考虑颗粒破碎的弹塑性模型。数值算例主要考察了颗粒破碎对颗粒材料承载能力、塑性应变及局部化行为的影响,数值结果表明,颗粒破碎主要发生在剪切带内,颗粒破碎使得剪切带明显变窄且剪切带内外等效塑性应变梯度明显增大。     

非饱和黏性土的应力-应变关系研究

为了绕过吸力这一复杂的变量建立尽量简便实用的非饱和土本构模型,在双曲线模型的基础上将含水率引入硬化参数中。提出在试验前让土样恢复到原始应力状态下的理论,并依据该理论对三轴试验方法进行改进。为了很好的研究各个含水率下原状土的应力-应变关系,利用重塑土实现原状土的模拟。试验结果表明：重塑非饱和黏性土的应力-应变关系基本符合Kondner提出的双曲线模型。在研究双曲线模型中的参数a和b的规律性的基础上,建立了100、150、200与250 kPa 4种围压状态下参数a和b与含水率的函数关系,并实现了对补做的一组含水率为24.52 %的应力-应变关系的预测。通过实测数据与预测结果对比,发现预测误差比较小,能达到较好的预测效果。     

辽西黄土的强度特性及应力-应变关系的研究

利用常规应变控制式三轴仪,对辽西地区朝阳—阜新高速公路沿线的黄土进行三轴固结不排水剪切试验。利用拟合方法求取了黄土的强度性质指标,结果表明:辽西黄土的固结不排水剪强度指标值较小;应力-应变关系主要为两类,即应变硬化和应变软化型。在此基础上,构建了黄土应力-应变关系模型,针对应变软化类曲线,文中建议了一个较为适用的经验模型。     

复合桩基水泥土非线性应力-应变关系模型

在不同区域采集相关样品,根据不同水泥掺合比及护龄期不同,采用几种不同围压分别进行水泥土三轴压缩试验,通过试验结果得到应力一应变曲线,提出一个具有峰值后下降并趋于某定值性质的分段连续函数,并以该分段连续函数表示水泥土的力学模型。     

一个饱和超固结黏土的应力-应变-时间关系

提出了一个考虑超固结黏土应变软化特性的应力-应变-时间关系,其应变-时间关系采用幂函数,应力-应变关系采用双曲线方程的改进模式。该方程的试验参数引入了脆性指数和超固结比,不仅能模拟应变硬化型应力-应变-时间关系,而且能模拟应变软化型应力-应变-时间关系,是应变硬化型应力-应变-时间方程的推广。并针对常应变率试验结果进行预测,证明了该方程的合理性。     

考虑结构性的原状黄土应力-应变关系的探讨

土体的结构是其强度、变形的内在决定因素,黄土的结构性由黄土颗粒之间的联结结构强度和摩擦结构强度所决定。由此,提出了黄土静力结构性参数即联结结构静力强度势参数m? 1、摩擦结构静力强度势参数m? 2以及结构静力强度势参数m? 。这些结构性参数具有明确的物理意义,既能反映黄土的综合结构性,又能分别反映黄土联结结构性和摩擦结构性。分析了静三轴应力条件下黄土的应力-应变特性以及黄土静力结构性参数的变化规律,建立了考虑黄土结构性的原状黄土应力-应变关系式,从而可以由结构性最弱的饱和重塑黄土的应力-应变曲线,通过结构参数模拟得到考虑结构性的原状黄土的应力-应变关系曲线。利用考虑结构性的原状黄土应力-应变关系式可整理计算出原状黄土的强度指标c、初始切线模量Ei、破坏比Rf、应力水平S以及切线弹性模量Et等参数,可应用于静荷载作用下黄土应力-应变有限元分析计算。     

冻结膨胀土应力-应变关系试验研究

通过冻结膨胀土三轴力学试验,主要研究了土体在不同温度与围压条件下的应力-应变关系.结果表明：冻结膨胀土的应力-应变曲线为应变硬化型,具有明显的弹塑性变形阶段;在相同围压条件下,随着温度的降低,偏应力增量随应变的增加而增大,最终达到塑性破坏时应力也随之增大. 通过回归分析,抗压强度与温度呈良好的线性关系.随着围压的增加,土体进入塑性变形阶段时的应力有所提高,抗压强度也随之增加,相比温度,围压对抗压强度的影响不是很大.对试验数据进行拟合表明,应用邓肯-张模型能够很好的描述冻结膨胀土应力-应变关系.     

黏性土的应力-应变关系归一化性状探讨

土的应力-应变关系与固结压力水平密切相关,体现为土的归一化性状.针对黏性土固结不排水剪切试验的应力-应变关系,对黏性土归一化性状的存在条件进行了探讨分析,认为黏性土应力-应变关系归一化性状的存在与否取决于土的模量与归一换化因子的正比关系及土的抗剪强度特性,通常采用围压σ3和平均固结压力σm作为归一化因子;研究表明当应力-应变关系为Kondner双曲线方程形式,对于采用围压σ3和平均固结压力σm归一化效果很差的黏性土,若采用(σ3)n或(σm)n(选取适当的n值)进行归一化,则效果较好.     

含不同半径孔洞的颗粒体模型的力学行为数值模拟

本文通过编程建立了非连续介质(颗粒体材料)模型,采用FLAC软件模拟了静水压力条件下不同半径的巷道围岩中的剪切应变增量、最小主应力及最大主应力的分布规律。研究表明,随着孔洞半径的增大,呈圆环形的剪切应变增量与最小主应力的高值区的圈数、呈辐射状的最大主应力的高值区的延伸范围及剪切应变增量的最大值都呈先慢后快的增长趋势。模型中最大的拉应力接近于在模型四周所施加的压应力,而最大的压应力约为所施加的压应力的5～10倍。模型内部的剪切应变增量、最小主应力及最大主应力的分布是高度不均匀的。具有较高的差应力的位置与具有较高的剪切应变增量的位置具有很好的一致性。     

土体应力-应变关系转型问题分析

通过对土体应力应变试验结果的分析,明确指出了土体普遍存在的应力-应变关系转型现象。提出了按后破坏模量和临界围压两个参数判别土体应力-应变关系转型的方法,对影响土体应力-应变关系转型的因素包括土的类型、围压、初始密度或含水率、排水条件及应力路径等进行了简要分析。最后,对砂土初步提出了一个能反映转型现象的组合应力-应变关系模型的理论框架。     

黏性土基于扰动状态概念的应力应变关系及压缩变形分析

通过引入扰动状态概念(disturbed state concept,DSC)对黏性土的应力应变关系及其压缩变形进行定量分析研究。选取相应土的重塑状态作为土体材料的完全调整状态,土的初始响应为相对完整状态下的行为。建立一个新的扰动模型,反映土在外力作用下微结构的动态变化过程。并通过黏性土的高压固结试验对模型的合理性进行验证,为工程提供更为准确的力学参数。     

一种适用于孔隙体积应变的有效应力方程

土力学奠基石Terzaghi有效应力原理被广泛应用于油藏孔隙和渗透率应力敏感研究中,然而其对于岩石孔隙体积应变的适用性存在争议。对颗粒不可压缩和颗粒可压缩的多孔介质分别进行了受力分析,推导了总体积、颗粒骨架、孔隙体积的有效应力表达式,与Biot、Skepmton有效应力方程对比,建立了适用于孔隙体积应变的新型有效应力方程,并进行了试验论证和应用举例。研究表明:在颗粒不可压缩多孔介质中,有效应力为超出平衡孔隙流压之外的颗粒间宏观等效应力;在颗粒可压缩变形多孔介质中,有效应力为其相同应变下的等效应力,有3种有效应力分别适用于总体积应变、颗粒体积应变、孔隙体积应变;新提出的孔隙体积有效应力方程与孔隙度、岩石总体积压缩系数、颗粒压缩系数、总应力和流压相关,4个理论计算式计算结果在3种多孔介质试验测试结果中的偏差均在5%以内;孔隙体积有效应力系数解决了如何定量增总应力来等效模拟储层降流压生产过程这一关键问题,3个压缩系数关系式理论计算准确方便。     

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。     

砂土应力-应变关系的加载速率效应分析

分析研究了两种砂土在排水平面应变压缩PSC试验和不排水三轴压缩TC试验条件下的加载速率效应,既实现了不同恒定应变率加载条件下的试验,也实现了不同的加载阶段采用不同的恒定应变率（即应变率分阶段变化）的试验。在加载速率为不同恒定应变率时,砂土的应力-应变响应是唯一的,与应变率无关。在加载速率分阶段变化时,依据应力-应变关系对应变率突变的响应程度,对砂土的加载速率效应进行了评价。分析结果表明,砂土应力-应变关系的加载速率效应表现为黏性消散特性,在应变率发生突变的瞬间,由于应变加速度的影响,应力-应变曲线也相应地突变并表现为刚度很大,近似弹性的特性,随着应变的进一步增加,这一近似弹性的行为逐渐消失。