黏土不排水条件下的应力路径损伤本构模型

黏土的变形主要受土颗粒之间的联结方式控制,将土颗粒之间的联结方式分为完善联结和滑动联结。在弹性变形阶段,颗粒之间的联结为完善联结,随着剪应力的增大,骨架中一部分完善联结逐渐变成滑动联结,这种转变即为损伤的演化。骨架的损伤和破坏遵循Mohr-Coulomb准则,在p-q平面中以应力点到初始损伤线和破坏线的相对距离表示损伤比,给出了一种描述骨架损伤和计算损伤演化的方法,进而提出了一种描述黏土在不排水条件下剪切变形的损伤本构模型。模型中的参数可根据常规三轴压缩试验确定,模型的形式简单,可适用于复杂的应力路径情况。对试验结果的拟合表明,该模型能较好地反映黏土在不排水条件下的剪切变形特征。     

黏性土固结不排水剪切的滑动损伤模型研究

在工程荷载范围内,不计骨架颗粒的变形,骨架的变形实际是颗粒接触面变形的总和。当剪应力达到某个临界值时,黏性土骨架中有一部分颗粒接触面开始滑动,随着剪应力的增大,出现滑动的颗粒接触面的取向范围也会扩大。将这种颗粒接触面的滑动视为一种损伤。在损伤阶段,黏性土骨架中既有未滑动的接触面,也有已滑动的接触面,宏观剪切模量是这两种接触面的剪切模量的加权平均。在σ-τ平面中,根据应力圆与颗粒起始滑动包络线的相对位置,计算出已出现了滑动的颗粒接触面的取向范围,并定义该取向范围与其所能达到的最大值（由破坏时的应力圆计算）之比为骨架的损伤比。按损伤比进行加权平均得到骨架的整体剪切模量。模型中的参数完全可以根据常规三轴试验确定,模型的形式简单,可适用于复杂的应力路径。对试验结果的拟合表明,该模型能较好地反映黏性土在固结不排水条件下剪切变形的主要特征。     

黏性土固结不排水剪切的滑动损伤模型研究

在工程荷载范围内,不计骨架颗粒的变形,骨架的变形实际是颗粒接触面变形的总和。当剪应力达到某个临界值时,黏性土骨架中有一部分颗粒接触面开始滑动,随着剪应力的增大,出现滑动的颗粒接触面的取向范围也会扩大。将这种颗粒接触面的滑动视为一种损伤。在损伤阶段,黏性土骨架中既有未滑动的接触面,也有已滑动的接触面,宏观剪切模量是这两种接触面的剪切模量的加权平均。在 平面中,根据应力圆与颗粒起始滑动包络线的相对位置,计算出已出现了滑动的颗粒接触面的取向范围,并定义该取向范围与其所能达到的最大值（由破坏时的应力圆计算）之比为骨架的损伤比。按损伤比进行加权平均得到骨架的整体剪切模量。模型中的参数完全可以根据常规三轴试验确定,模型的形式简单,可适用于复杂的应力路径。对试验结果的拟合表明,该模型能较好地反映黏性土在固结不排水条件下剪切变形的主要特征。     

考虑损伤的平行黏结接触模型开发及其参数影响分析

为研究颗粒细观接触之间的损伤、断裂过程,基于离散元颗粒流程序(PFC^3D),在平行黏结模型的基础之上,引入拉伸损伤变量和剪切损伤变量表征颗粒黏结键的变形、强度及能量演化特征,根据最大应力准则确定黏结键损伤起始判据,通过C++语言编程对该接触模型进行二次开发。对单一黏结键进行拉伸、剪切、弯曲及扭转测试,对比理论计算结果,验证了考虑损伤的平行黏结接触模型的计算精度;建立三维细观离散元模型,模拟砂岩单轴压缩试验和花岗岩三轴试验,表明了该模型的适用性和准确性。在此研究基础之上,对考虑损伤的平行黏结模型进行参数影响分析,结果表明：损伤演化系数对应力-应变全曲线的弹性段范围、峰值应力以及达到峰值应力后的软化速率有显著影响;对比研究了应力-应变曲线在不同阶段黏结键损伤、裂隙萌发、扩展及贯通的演化过程;进一步研究了弹性应变能和耗散能的演化规律,引入了耗散能释放率参数,阐释了损伤演化系数越大应力-应变曲线达到峰值应力后下降速率越快的原因。     

含气水合物沉积物弹塑性损伤本构模型探讨

天然气水合物的开采会带来一系列的岩土工程问题,为了保障相关工程设施的安全,有必要建立一个合理的水合物沉积物本构模型。通过深入分析水合物沉积物力学特点,从颗粒间的作用机制出发,认为水合物沉积物的力学响应是沉积物中土体颗粒间摩擦与水合物胶结二者共同作用的结果;考虑到摩擦与接触特性不同的力学机制,分别采用修正剑桥模型和弹性损伤模型对土体骨架及水合物胶结的应力-应变关系进行描述;通过假定水合物胶结的损伤演化规律,并认为在受力变形过程中二者的应变始终相等,初步建立了一个水合物沉积物的弹塑性损伤本构模型。不同水合物饱和度沉积物应力-应变曲线的模型预测结果与室内三轴排水试验结果吻合良好,表明了所建模型的可行性和合理性。     

基于岩石颗粒排列方式的低渗透储层应力敏感性分析

以颗粒堆积模型为基础,考虑了低渗透岩心颗粒不同排列方式和不同变形方式,建立了毛管束模型,并通过颗粒Hertz接触变形原理对毛管变形量进行计算,研究毛管和多孔介质应力敏感性定量表征关系,通过有效毛管分数和毛管变形规律探讨了低渗透储层应力敏感性的作用机制。研究表明,低渗透储层的应力敏感性主要表现为渗透率的应力敏感性,相比于渗透率应力敏感性,孔隙度应力敏感性较弱;低渗透储层应力敏感性与岩石颗粒排列方式、颗粒变形方式、岩石微观孔隙结构、固液界面作用力和启动压力梯度效应等密切相关;考虑有效毛管分数和毛管变形量的多孔介质应力敏感性量化模型可从应力敏感性微观作用机制角度解释低渗透储层应力敏感性。     

紫坪铺面板坝堆石料颗粒破碎试验研究

采用大型三轴仪对紫坪铺面板坝堆石料进行了单调和循环荷载下的固结排水剪切试验,研究了不同孔隙比情况下颗粒破碎及剪胀的变化规律。试验表明：（1）单调和循环荷载条件下,堆石料颗粒破碎率与塑性功之间存在一致的双曲线关系;（2）峰值应力处剪胀率与颗粒破碎率在半对数坐标中呈近似线性关系;（3）峰值应力处主应力比与相应的剪胀率呈近似线性关系,且上述结果受初始孔隙比的影响不大。研究成果有助于进一步了解堆石料的颗粒破碎特点,对建立复杂应力条件下考虑颗粒破碎和状态相关性的弹塑性本构模型,分析紫坪铺面板堆石坝汶川地震破损机制是十分有益的。     

考虑颗粒破碎对特征孔隙比影响的堆石体亚塑性本构模型

颗粒破碎是影响堆石体强度和变形特性的主要问题之一。相比于砂土,堆石料在较低的应力水平下就会发生严重的颗粒破碎,因此,在进行堆石体力学特性及本构模型研究时必须考虑颗粒破碎的影响。同时,堆石体在受力过程中孔隙比是变化的,而传统本构模型不能使用一组参数模拟不同孔隙比的同种材料。因此,以能够考虑应力水平和土体孔隙比影响的Gudehus-Bauer亚塑性本构模型为基础,考虑堆石体有别于砂土的孔隙比变化特征,提出了考虑堆石破碎的亚塑性本构模型。亚塑性理论是目前可最大限度地减少人为假定的一种本构理论,颗粒材料在不同特征应力路径下,破碎造成的过度变形量不同;但相同应力水平、不同特征应力路径下孔隙比已不满足Gudehus-Bauer亚塑性本构模型中提出的等比例变化规律。据此,结合考虑颗粒破碎的临界状态理论和堆石体常规三轴试验和循环加载试验结果,提出了考虑颗粒破碎堆石体特征孔隙比的表达式,并将其引入到Gudehus-Bauer亚塑性本构模型中,建立了考虑颗粒破碎的堆石体亚塑性本构模型,提出了模型参数的确定方法。与堆石体试验结果对比表明,该本构模型可以较好地模拟其力学与变形特性。     

应力路径对砂土变形特性影响的细观机制研究

在对已有试验结果进行分析基础上,从细观角度研究了砂土变形机制。通过对简化的颗粒单元体的受力及变形分析,推导了主应力比与θ的关系以及孔隙比与θ的关系。结果表明,颗粒单元体变形过程中主应力比与孔隙比有着对应的关系,这与"应力路径对塑性体应变的影响主要是由应力比引起的"的试验结论是一致的。从细观角度分析了应力路径(主要是主应力比)影响砂土变形的过程。研究表明,砂土体中存在着大孔隙以及两种基本状态的颗粒单元体结构孔隙,它们是控制砂土变形特性的关键因素,大孔隙受应力路径影响不大,而颗粒单元体结构孔隙则与应力路径密切相关,主要表现为主应力比对塑性体应变的影响;从细观角度分析了峰值应力比与相变应力比的关系,即初始孔隙比越小,相变应力比越低,峰值应力比越高,这与宏观试验结果是一致的。     

基于南水模型的钙质砂应力−应变关系模拟

钙质砂是一种海洋生物成因的特殊岩土材料,具有颗粒性状不规则、易破碎的特点,表现出与石英砂不同的力学性质。为模拟钙质砂在不同应力水平下的应力?应变关系,首先分析南水模型的不足：即无法描述应力不变情况下应变无限增长的特点和不能描述钙质砂的剪胀性;然后通过在切线模量中引入应力比与峰值应力比的比值,合理考虑了颗粒破碎的影响;提出了切线模量和切线体积比与应力比间的函数关系式,使得改进后的模型能较好地描述应变?体变关系。同时,将孔隙压力系数引入到孔隙压力表达式中,较好地模拟了三轴不排水剪切试验结果。与现有的模型相比,改进后的模型表达式简单易懂,参数获取更为方便。     

主应力轴旋转下K0固结饱和粉质黏土孔压及变形特性试验研究

主应力旋转将加速孔压和塑性应变的累积,影响土体的力学特性。为研究主应力轴循环旋转对 固结饱和粉质黏土孔压和变形的影响,利用GDS-HCA试验系统开展了不同应力路径的 固结饱和粉质黏土不排水循环三轴试验和循环扭剪试验,研究了主应力轴循环旋转对 固结饱和粉质黏土累积塑性应变、孔压等动力特性的影响。结果表明：动剪应力幅值、心形应力路径所包围的面积、循环偏应力幅值等均随循环剪应力比和循环动应力比的增大而增大。试样未发生破坏时, 固结饱和粉质黏土的孔压比随着振动荷载作用次数的增加而增大;当试样发生破坏时,孔隙压力迅速消散,孔压比急剧下降。循环扭剪试验时试件产生的轴向累积塑性应变始终大于循环三轴试验产生的累积塑性应变,说明主应力轴循环旋转会加速试件轴向应变的累积。试件的累积塑性应变随循环剪应力比和循环动应力比的增大而增大。循环动应力比越大时,主应力轴旋转造成的轴向累积塑性应变差异越显著。在Monismith幂次函数模型的基础上,建立了主应力轴循环旋转条件时K0固结饱和粉质黏土累积塑性应变方程,并对模型的可靠性进行了分析和验证。     

粗粒料颗粒破碎数值模拟研究

粗粒料在外力作用下存在明显的颗粒破碎特性,研究颗粒破碎过程是当前研究的热点问题之一。基于粗粒料单颗粒破碎机制,考虑单颗粒破碎强度与直径的变化规律,采用非线性接触H-Z模型和密度控制法建立了粗粒料颗粒破碎数值模型。开展粗粒料双轴剪切试验数值模拟研究,并与室内试验结果进行对比分析。研究表明：建立的粗粒料颗粒破碎数值模型能够较好地模拟粗粒料偏应力与轴向应变和体积应变与轴向应变的关系;数值模拟获得的粗粒料颗粒破碎率与室内试验结果基本一致;去除试样制备过程和固结过程引起的颗粒破碎,不同围压条件下的颗粒破碎率归一化后基本重合,且可以近似地采用双曲线函数进行拟合。颗粒破碎率随着围压的增大,逐渐增大,试验级配趋于Einav提出的颗粒破碎的最终级配（分维数等于2.6）     

考虑体积变化影响的岩石应变软硬化损伤本构模型及参数确定方法

针对现有岩石损伤模型的局限性与不足,将应力作用下的岩石抽象为空隙、损伤与未损伤材料三部分,以空隙率反映岩石体积或空隙的变化,以损伤变量或损伤因子反映岩石力学性态的改变程度,通过对各部分材料的微观受力及其与宏观应力和应变的关系进行分析,建立了可反映岩石变形过程中体积或空隙变化特性的新型岩石损伤模型;从岩石微元强度合理度量方法研究入手,引进统计损伤理论,建立了可考虑损伤阀值影响的岩石统计损伤演化模型,进而建立了能模拟应变软硬化全过程的岩石统计损伤本构模型,并提出了参数确定方法。该模型不仅能反映岩石应变软硬化特性,而且能反映岩石变形的初期压密和后期扩容的特性。通过实例分析与讨论,表明模型合理与可行。     

粒径比和配比对橡胶砂力学性能的影响研究

橡胶砂作为一种新型的廉价隔震材料具有广泛的应用前景,其力学变形特性受两种母材的配合比、粒径比等影响较大。为促进橡胶砂的工程应用,对3种粒径比、6种配比橡胶砂进行了一系列双轴压缩离散元模拟试验,从宏细观角度研究了胶-砂粒径比对橡胶砂力学行为的影响。结果表明:（1）橡胶砂应力-应变曲线在小应变下表现为近似线性增长关系,随着橡胶含量的增加,偏应力逐渐减小,减小程度随粒径比的增大而减弱;（2）随着橡胶颗粒含量的增加,橡胶砂模量降低、应力-应变曲线向硬化型转变、线性关系增强,粒径比越大,硬化特性越明显;（3）随着橡胶颗粒含量的增加,橡胶砂剪胀特性减弱、剪缩增大,粒径比越大,剪缩程度越明显;（4）橡胶砂应力-应变关系可用扩展邓肯-张模型进行模拟,模型参数受粒径比和橡胶颗粒含量影响的规律明显;（5）橡胶砂力学特性受粒径比影响的细观机制可由颗粒接触特性、颗粒配位数、力链分布、能耗发展等变化情况来描述。     

锦屏深埋大理岩破裂扩展的时间效应试验及特征研究

脆性岩石破裂扩展的时间效应与地下工程的长期稳定性密切相关。针对锦屏深埋大理岩易受高应力卸荷而产生初始损伤的特点,首先利用无损取样技术获得无损岩样,并利用声发射对无损岩样进行初始损伤检测,剔除初始损伤对试验结果的影响。之后利用获得的无损岩样进行一系列的长期加载的静态疲劳试验验证锦屏大理岩强度的时效特性。结果显示,锦屏大理岩表现出强度随时间衰减的特性,当应力驱动比较低时,需要的时间也相应增加,最后得到静态疲劳极限为0.48。分析证明,脆性岩石在稳定荷载作用下蠕变曲线也分为3个阶段,同时应变率也表现出相应的变化趋势,利用扩容指标阐述了岩样在静态疲劳试验中的变形特征和破坏模式。最后,利用FLAC3D计算了开挖引起的应力松弛区和应力集中区,说明了埋深对试验结果的影响。针对试验中出现的含节理岩样强度较低的问题,借助颗粒流程序PFC中的光滑节理模型进行了数值试验,结果显示,节理的存在极大地影响了岩样的整体强度,并且在加载初期,存在压缩紧密,而在残余阶段,存在一定的强化效应和延性特征。     

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。     

土体直剪力学特性颗粒尺度效应理论与试验研究

土体是一种颗粒物质,其强度与变形特性具有显著的颗粒尺度效应。根据土体颗粒间的连结性状和微重比,将土颗粒划分为基体颗粒与加强颗粒。构建了反映土体内部材料信息和颗粒特征信息的土体胞元,基于应变梯度理论建立可以描述土体颗粒尺度效应的土体胞元模型。设计一系列饱和重塑土的直接快剪试验以研究土体直剪力学特性的颗粒尺度效应,并定量计算了土体胞元模型的应变梯度和內禀尺度等微细观计算参数。试验结果表明,土体的剪切屈服应力随加强颗粒体积比和平均应变梯度的增加而增加,且与加强颗粒体积比呈近似线性关系,与平均应变梯度呈抛物线关系;加强颗粒粒径对土体的剪切屈服应力影响不明显。土体剪切屈服应力的试验结果与土体胞元模型的预测结果一致。     

钙质砂与钢界面循环剪切刚度与阻尼比的试验研究

钙质砂与钢界面的动力响应对岛礁地质条件下结构物基础的安全与稳定具有重要意义。基于界面环剪仪,开展了一系列钙质砂?钢界面循环剪切试验,探究了法向应力、剪切位移幅值和粒径大小对界面剪切刚度和阻尼比的影响,并与石英砂进行了对比。研究结果表明：法向应力和剪切位移幅值对界面剪切刚度和阻尼比起控制作用;法向应力的增大导致界面剪切刚度增大、阻尼比降低;剪切位移幅值的增大,则导致剪切刚度近似呈反比降低,而阻尼比近似呈对数增大;对于均一粒径的钙质砂,存在着分界粒径,使其剪切刚度和阻尼比的变化规律呈现显著区别;石英砂粒径较大时,其界面剪切刚度和阻尼比与钙质砂明显不同,而粒径较小时两类砂表现出类似的剪切刚度和阻尼比特性。     

满流条件下管道破损诱发渗流侵蚀的试验研究

针对富水砂层中地下管道破损诱发地面沉降的问题,设计了一套可视化试验装置,对骨架粒径d90 =1.45～8.45 mm的11种砂土样、5种满流流速下土体渗流侵蚀诱发地表沉降的规律进行了研究。研究表明：（1）管道破损诱发的土体渗流侵蚀有3种模式,分别为：只突水无沉降、形成土拱并发生沉降和溃砂沉降;（2）土体骨架粒径、破损口尺寸、厚跨比是决定土体产生何种渗流侵蚀模式的主要因素,满流流速主要影响土体沉降范围;（3）管道破损口上方土体形成土拱或溃砂时,土体骨架粒径d90与厚跨比r的关系为：当8.0≥r≥4.2时,d90随r的增大呈抛物线下降;当12.5≥r≥8.0时,d90保持不变;（4）管道破损口上方土体形成土拱或溃砂时,流速为0的初始沉降半径、沉降深度由破损口直径D与土体平均粒径d50的比值（D/d50）决定;沉降半径、沉降深度均随满流流速的增大而线性增大;形成土拱时,沉降半径、沉降深度随流速增大的扩展速度（VL、VH）与D/d50呈对数关系;溃砂时,沉降半径随流速增大的扩展速度VL规律如下：当23.0≥D/d50≥6.0时,VL随D/d50的增加而线性增大,当42.0≥D/d50≥23.0时,VL随D/d50的增大呈对数减小。