考虑颗粒破碎的无黏性粗粒料的剪胀模型研究

目前对坝体等粗粒料的强度、变形情况,主要采用Duncan-Chang模型的方法进行预测。但由于粗粒料在高应力作用下会发生较严重的颗粒破碎现象,对其变形和强度特性产生较大影响,使得Duncan-Chang模型预测结果与实际情况存在较大偏差。为此,考虑绢云母片岩粗粒料的特性,结合目前发展的本构理论,建立了一种无黏性粗粒料的弹塑性本构模型。该模型不仅考虑了剪胀性的影响,还通过引入破碎指标反映颗粒破碎对内摩擦角的影响。采用绢云母片岩粗粒料的两种初始干密度下的固结排水试验结果对提出的数学模型加以验证。结果表明,模型计算结果吻合试验曲线,在一定程度上能够反映软岩粗粒料在不同围压下的剪切特性。     

粗粒料三维颗粒流数值模拟及其破坏准则研究

采用三维颗粒流程序,进行了粗粒料的三维颗粒流数值模拟试验,试验过程中保持平均主应力和中主应力系数不变,研究了不同平均主应力和中主应力系数下粗粒料的变形和强度特性。通过比较粗粒料真三轴颗粒流模型试验结果和室内真三轴试验结果,发现三维颗粒流程序能够较好地模拟该种材料的三维力学特性。基于已提出的统一破坏准则理论,通过调整准则中的材料参数,发现该准则能够较好地描述粗粒料的室内真三轴试验和数值模拟试验结果。     

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。     

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）     

粗粒料强度及变形特性的细观模拟

粗粒料是一定级配的岩石颗粒集合体,具有独特的物理力学特性。以粗粒料室内三轴固结排水试验成果为基础,基于离散元颗粒流理论,从细观角度出发,以PFC3D为工具,通过自编程及二次开发,得到按级配生成的粗粒料三轴试验数值模型。引入clump颗粒考虑颗粒形状对粗粒料强度及变形的影响,分析剪胀、颗粒形状、颗粒重排的关系。结果表明：颗粒形状是影响粗粒料强度与变形的主要因素,在其他细观参数一定的情况下,改变颗粒形状,可以显著影响粗粒料的力学行为;BPM模型的应力-应变关系只在低围压下与试验值吻合,随着围压的增大,偏差越来越大;而引入clump颗粒的PFC3D数值模型能很好地模拟粗粒料室内三轴固结排水试验的应力-应变特性,但由于BPM及clump都是刚性颗粒,没有考虑颗粒变形及破碎,造成应变剪胀偏大。     

粗粒土的一种应变硬化模型

堆石料等粗粒土在经受剪切时不仅其强度和刚度随应力水平而变化,其体积变化特征也和应力水平密切相关。在Mohr-Coulomb模型的基础上,提出一个针对这类粗粒土剪切特征的应变硬化模型。模型以Mohr-Coulomb准则作为屈服准则,但考虑土体强度、刚度和体积变化特征均随应力水平而变化等重要特性。对Rowe剪胀理论的推导及其试验基础进行了深入讨论,指出该理论对于粗粒土的局限性,并在此基础上针对粗粒土的剪胀特性进一步发展给出其机动剪胀角的变化规律。与试验结果的计算对比表明,该模型能较为全面地反映粗粒土的主要剪切特性,特别是剪切时的体积变化特性,且相对简便实用。     

粗粒料大三轴试验研究进展

目前，粗粒料的抗剪强度与变形特性表达式是在砂土特性研究基础上修改而得到的。实质上，粗粒料具有粒径大、沉陷变形小及颗粒破碎明显等特性而砂土相区别。因此，研究粗粒料工程特性与本构关系时应充分考虑这些固有特性。此外，粗粒料在高压、复杂应力状态及动荷载作用下的工程性质研究也有待加强。文中概括和总结了静力条件下粗粒料大三轴试验研究进展情况，包括抗剪强度、变形特性、本构模型及试验技术方面，并就其中的一些问题进行了讨论。     

考虑应变局部化的粗粒料剪切损伤力学机制

针对粗粒料的应变软化、剪胀等力学特性,通过考虑以剪切带为标志的应变局部化现象,建立了具有广泛适用性的剪切损伤力学模型。损伤模型采用了包体理论中的剪切带数学简化,基于应变等价原理、Weibull分布,推导了粗粒料的应力-应变关系方程。从剪胀作用的机制出发,提出可以描述剪胀弱化的轴向塑性应变和体积塑性应变的非线性函数关系。结合粗粒料三轴压缩试验中的伺服过程,提出了基于遗传算法的损伤模型参数确定方法。通过开展不同围压下的粗粒料三轴压缩试验,对剪切损伤力学模型进行验证,进一步分析了参数演化对粗粒料强度和变形特征的影响。研究结果表明,考虑应变局部化特征的剪切损伤力学模型可以高精度的模拟粗粒料的应变软化和剪胀等特征,有效揭示剪切带内部变形对试样整体宏观变形的影响机制,模型中剪切带参数和围压的关系与粗粒料细观机制一致,计算得到强度组成与颗粒破碎、重组特征较为吻合。     

不同应力路径下粗粒料力学特性试验研究

采用大型三轴试验机,对粗粒料进行了常规三轴、等p和等应力比等不同应力路径的试验。通过对试验结果进行对比分析,研究了粗粒料在不同应力路径下的应力-应变、变形和强度特性,并对粗粒料的卸载体缩现象进行了分析和探讨。结果表明,应力路径对粗粒料的应力-应变和变形特性影响较大,而对强度特性影响较小;卸载体缩主要是由偏应力比η的变化所引起的,与应力路径关系很大。     

不同密度粗粒料强度特性的大型真三轴试验

干密度对粗粒料的强度特性有重要影响,特别是三维应力状态下影响更为显著。通过不同密度粗粒料大型真三轴等小主应力等中主应力系数（b=0.25）加载试验和大三轴试验研究了干密度对粗粒料强度特性的影响。结果表明,大型真三轴试验的应力曲线基本呈爬升型,高于和陡于大三轴应力曲线,表现出较强的硬化性;粗粒料强度基本随初始干密度的增大或小主应力的增大呈线性增大;大型真三轴试验强度比大三轴试验强度增大20%～97%,且小主应力越小,强度增大幅度越大;令粗粒料黏聚力为0,则内摩擦角随初始干密度的增大基本呈线性增大,随小主应力的增大而减小;破坏应力比随初始干密度的增大呈线性增大,随小主应力的增大而呈线性减小,大型真三轴试验的破坏应力比小于大三轴试验的破坏应力比。