盐溶液饱和黏土的力学行为模拟

由于黏性土表面带有丰富的负电荷,孔隙水溶液化学状态的变化对黏性土的物理力学特性存在明显影响。随着化学-力学耦合的相关岩土工程问题日益突出,进行有效的化学-力学耦合行为的数值分析评价显得尤为重要。因此,建立一个简单有效的考虑化学-力学耦合的本构模型是非常关键的。基于传统的修正剑桥模型,提出了一个简单的化学-力学耦合模型。该模型采用渗透吸力π描述孔隙水的化学状态,建立了前期屈服应力,临界状态线斜率M和弹性刚度与渗透吸力π之间的关系式,从而实现了模型对盐溶液饱和黏性土的变形和强度特性的有效模拟。通过与试验数据的对比和分析,说明该模型能有效地模拟孔隙盐溶液饱和黏性土的等向压缩行为、 状态下压缩行为以及 状态下化学-力学循环加载行为。此外,通过对黏性土三轴压缩试验的模拟,说明该模型能反映黏性土三轴应力状态下的基本力学特征。     

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。     

化学溶液侵蚀下灰岩的力学及化学溶解特性研究

针对龙门石窟灰岩水溶液侵蚀破坏现象,考虑石窟区的泉水、石窟渗水和雨水的化学成分,配置不同的化学溶液,研究不同化学溶液作用下龙门石窟灰岩的力学损伤特性及化学溶解行为。通过不同化学溶液侵蚀不同时间下灰岩的力学试验及分析,获得不同化学溶液侵蚀下龙门石窟灰岩强度损伤特性,建立化学溶液作用下灰岩单轴抗压强度随时间的侵蚀损伤方程。通过不同化学溶液侵蚀不同时间下灰岩溶解动力学试验及分析,研究灰岩在不同化学溶液中的溶解特性,建立化学溶液作用下灰岩侵蚀溶解动力学方程。试验分析研究表明,由于水化学溶液的溶解作用,化学溶液侵蚀下灰岩强度均有所下降。盐效应、同离子效应对灰岩溶解速率和强度的影响较大。盐效应提高灰岩溶解速率,同离子效应降低灰岩溶解速率。盐的种类和浓度均相同时,酸性越强,溶解速率越大;盐的种类和pH值相同时,盐浓度升高,灰岩溶解速率增大。研究结果将为石质文物及岩石工程的长期保护提供重要的理论基础,具有广泛的实际工程应用价值和应用前景。     

花岗岩力学特性的温度效应试验研究

通过实时高温（常温～850 ℃）加载和高温（常温～1 200 ℃）后冷却再加载两种情况下的单轴压缩试验,对不同高温下花岗岩的力学性质进行了研究,分析了两种情况下单轴抗压强度、弹性模量、纵波波速、剪切滑移应变等随温度的变化规律,并研究了热-力耦合效应。研究结果表明：（1）在实时高温加载作用下单轴抗压强度和弹性模量随着温度升高而发生连续劣化;（2）高温作用冷却后再加载,花岗岩在常温～600 ℃区间峰值强度变化不大,800 ℃左右岩样强度突然降低;（3）纵波波速随加热温度的升高而逐渐降低;（4）剪切滑移应变在800 ℃之前相对较小,且变化不大,之后便迅速增大,表现出明显的塑性;（5）提出了热-力耦合因子的概念,并借助其提出了一维非线性热-力耦合本构模型,模型曲线和试验曲线较吻合。     

上海第4层黏土力学特性的弹塑性本构模拟

上海第4层黏土是典型的结构性海相软土,用一个本构模型统一地模拟不同应力路径下的力学特性对数值计算具有重要意义。对UNIFIED模型的结构性及超固结发展函数进行了改进,并提出了一种确定原状土材料参数和初始状态的方法。为了验证修正模型的正确性,用块状取土法取得上海第4层原状土样,进行了固结试验和三轴排水、不排水剪切试验。通过比较试验结果和本构模拟结果,明确了新的本构模型仅用一组材料参数就能统一地模拟上海第4层黏土在固结、排水及不排水三轴试验得到的应力-应变关系。模拟结果揭示了上海第4层黏土的结构比较稳定,即使在经历三轴剪切发生35%轴应变后仍能保持较高位的结构性。     

不同高孔隙水压砂岩三轴压缩力学特性及多向破裂机制

高坝水库蓄水后,坝基及库岸岩体水压环境改变,易诱发岸坡失稳、坝体垮塌等工程问题。为探究不同恒定水压对坝基裂隙岩体作用差异与机制,开展了带初始损伤砂岩不同高恒定孔隙水压三轴压缩试验研究,同时结合CT与电镜扫描对其多向破裂机制进行了分析。试验结果表明：（1）在围压为80 MPa条件下,孔隙水压越大,砂岩脆性越强,峰值强度越低,体积扩容应力越小,孔隙水压由10 MPa增至50 MPa,峰值强度降低33%。（2）孔隙水压不同,砂岩内部劣化范围和劣化效果差异显著,表现为砂岩试件破裂面形式多样、方向各异。CT扫描显示,随着孔隙水压增大,劣化作用由试件中部向两端扩散,水压-围压比小于25.0%,孔隙水压劣化作用主要集中在试件中部约1/3范围,水压-围压比大于62.5%,孔隙水压对整个试件均有明显劣化作用。（3）电镜扫描发现,随着孔隙水压增加,砂岩细观颗粒结构由剪切滑移破坏向剪切断裂破坏转变,砂岩微观晶体结构由菜花状向米粒状转变。宏观破坏模式由塑性破坏向脆性破坏转变,形成多向破裂面,与孔隙水压作用下细观结构中细颗粒不均匀堆积和大颗粒断裂有关,其中多向破裂面形成与其微观晶体结构抗剪强度直接相关。     

软岩三轴卸荷流变力学特性及本构模型研究

以典型软岩－泥质粉砂岩为研究对象,进行了不同应力水平下的恒轴压、分级卸围压室内流变试验。试验结果表明,软岩在卸荷条件下的轴向及侧向流变变形较大,各向异性显著。在恒定围压较高时,轴向流变变形较大,而随着围压逐级降低,侧向流变变形发展较轴向更快,试样在破裂围压下的侧向变形远大于轴向。通过深入分析软岩卸荷流变试验成果可知,线性Burgers流变模型能较好地反映各级围压下流变曲线的衰减流变及稳态流变阶段,但对于破裂围压下的非线性加速流变阶段无法描述。基于上述分析,建立一个非线性损伤流变模型,采用Levenberg-Marquardt非线性优化最小二乘法对试验结果进行拟合,并获得软岩的非线性流变参数。经比较,拟合计算与试验曲线吻合程度很高,说明该流变模型能较好地反映软岩卸荷流变各阶段的曲线特征。     

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。     

热-水-力耦合作用下非饱和土变形特性的弹塑性模拟

在已有的非饱和土水-力耦合模型基础上,耦合考虑温度影响,建立了一个热-水-力耦合作用下非饱和土弹塑性本构模型。该模型以土骨架平均应力、修正吸力和温度为应力状态变量,以土骨架应变、饱和度和熵为应变状态变量。通过引入与温度相关的屈服面(LY、TY)以及相应的硬化规律来考虑温度对土体变形的影响。利用建立的模型,对文献中不同吸力和温度条件下的等向压缩和三轴排水剪切试验进行预测,预测结果表明,该模型能够较好地定量描述热-水-力耦合作用下非饱和土的变形特性。     

冻融循环作用下砂岩蠕变特性及损伤模型研究

青藏高原高寒地区岩体长期稳定性受冻融作用影响显著,有必要开展冻融岩石的时效性特征研究。为探讨砂岩在冻融循环作用下的蠕变劣化特性,基于不同冻融循环次数后石英砂岩及红砂岩单轴蠕变试验结果,深入分析了冻融循环对砂岩各蠕变阶段的影响特征。研究表明,在非屈服应力条件下,试样在衰减蠕变阶段的蠕变时长随着冻融循环次数的增加而明显减小,对应蠕变量及蠕变速率增大;在屈服应力条件下,试样进入加速蠕变阶段的应力阈值随着冻融循环次数的增加而逐渐降低,对应从稳定蠕变到加速破坏所经历的时间更短,破坏时累计的应变增量更大;在长期荷载作用下,试样的宏观破裂形态随循环次数的增加逐步由单一斜剪切破坏模式向共轭断面拉剪复合型破坏模式演化。根据试验结果,提出了具有冻融与长期受荷劣化特征的非定常性黏弹性系数损伤演化方程,将其引入西原模型构建了考虑冻融损伤的砂岩蠕变本构模型。利用冻融后红砂岩蠕变试验数据对模型进行了参数辨识与比较分析,验证了模型的正确性及适用性。通过对模型参数进行拟合分析,揭示了黏弹性冻融损伤系数随冻融循环次数的变化规律,表明了长期受荷损伤参数具有控制加速蠕变幅度的重要作用。研究结果对于高寒山区岩体长期稳定性评价具有一定意义。     

并行ENN-FEM分析力学参数对洞室群稳定性的影响

将洞室群视为一特定系统,采用并行进化神经网络有限元（ENN-FEM）方法建立该系统与岩体力学参数之间的相对应关系。采用遗传算法分析得到对围岩稳定性最不利的参数组合,对组合中任一参数可通过参数敏感度函数分析其敏感度,并由此综合评估各软岩力学参数对洞室群稳定性的影响,确定出关键岩层以给设计和施工提供指导性建议。实例计算表明该方法是合理的,且具有智能化和综合分析的优点。     

Testing and modeling of the mechanical behavior of dolomite in the Wudongde hydropower plant

In order to understand the mechanical behaviours of the surrounding rocks in the underground caverns of the Wudongde hydropower plant, triaxial tests are performed on a type of dolomite. It is revealed that damage induced by crack development is the main factor controlling the nonlinear plastic deformation and failure behaviour of the dolomite in both pre- and post-peak regimes. Based on this understanding, a coupled elastoplastic damage model is developed for capturing the dolomite’s mechanical behaviours. In the model, the effects of plasticity and damage on rocks is described by introducing plastic hardening and damage softening commonly in the plastic yield surface. Which are both derived from a suitable Helmholtz free energy function. The model is used to simulate the triaxial tests. Comparisons between test results and the numerical modelling show that the developed model is capable of describing the macro mechanical behaviours of the Wudongde dolomite.     

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。     

浸湿对原状Q2黄土微观结构与力学性质的影响研究

改进了非饱和三轴浸水试验系统,通过调整吸力控制土样的浸湿程度;进行了环境电镜扫描和非饱和三轴压缩试验,研究了浸湿引起的Q2黄土微观结构变化和力学性质变化。微观结构测试表明,Q2黄土集粒间孔隙以引起中等或弱湿陷的中等孔隙为主;围压不变,随着浸湿程度的加深,孔径较大的集粒间孔隙相对含量逐渐减少,而孔径为10～20 ?m的孔隙相对含量逐渐增大。三轴压缩试验结果显示,不同浸湿程度的Q2黄土应力-应变关系均呈弱软化型,可分为偏应力随轴向应变快速上升、缓慢上升和缓慢下降至平稳3个阶段。分析了浸湿后Q2黄土的力学性质与微观结构特征之间的关系。引入微观结构参数,将微观结构特征与宏观力学性质联系起来,初步建立了考虑微观结构影响的Q2黄土本构模型。     

基于灰色-进化神经网络的滑坡变形预测研究

滑坡变形位移预测对滑坡灾害治理具有重要的意义。考虑到滑坡位移单调增长的特殊性，根据位移分解原理，采用灰色系统提取位移趋势，用基于免疫进化规划的新型进化神经网络模型逼近位移偏差，从而提出了1种滑坡位移预测的新型智能方法。并用新滩滑坡的实测位移预测研究证明了所提智能预测方法的有效性及可行性     

垃圾土力学性质的室内试验研究

对室内配制的不同成份的垃圾土分别进行了固结不排水和固结排水三轴压缩试验。结果表明,垃圾土的本构关系基本符合邓肯-张双曲线模型。垃圾土中有机质及土粒的含量是影响垃圾土强度参数c,φ值的重要因素。对于有机质含量较高而土粒含量较低的垃圾土,c宜取低值,φ宜取高值。给出了c,φ值的取值范围及其变化规律。随着时间的变化,c值会有所增加,而φ值会有所降低。观察到垃圾土的轴向应变超过30 %而其主应力差仍然在增长。垃圾土在固结过程中,存在滞留孔隙水压力,其渗透系数k值的变化与应力、时间、垃圾土的成分等因素有关。在固结排水三轴压缩试验的剪切过程中,孔隙水压力会随轴向应力的增加而增加,试验所得到的总应力强度参数并不就是有效应力强度参数。     

饱和土变形过程模拟的统计损伤方法研究

针对传统损伤理论的不足与局限性,从研究岩土材料损伤的合理定义入手,并通过深入探讨饱和土损伤的微观力学机制,建立了适合于饱和土的新型损伤模型。在此基础上,引进统计损伤理论,建立了模拟特定围压下饱和土变形全过程的统计损伤本构模型及其参数确定方法。通过探讨饱和土损伤统计本构模型参数与围压的关系,建立了该模型的合理修正方法,从而建立了反映不同围压条件的统一饱和土损伤统计本构模型。理论与试验结果分析表明了该模型的合理性,该模型不仅能反映饱和土的变形全过程,而且能反映孔隙水压力对饱和土变形的影响。