粗粒土剪胀性大型三轴试验研究

剪胀性是土体显著区别于一般弹性材料的基本特性,与土体的强度和变形特性密切相关。通过4组不同初始密度的塔城砂砾石常规大型三轴试验,研究剪胀性对粗粒土强度和变形特性的影响。试验结果表明,（1）若体变速率（体变和轴向应变均以压缩为正）先从正值减小到负值并达到最小值,随后又有所增大但仍小于0,则应力-应变曲线为软化型,在比值为最小值时土体剪胀性最大,对应于峰值强度,若体变速率从某一正值单调减小并一直大于0,则应力-应变曲线为硬化型;（2）体变变化趋势取决于剪胀性和压缩性的大小,剪切后期若剪胀速率大于压缩速率,则体变先压缩后膨胀,应力-应变曲线呈软化型,反之若剪胀速率小于压缩速率,则体变一直是压缩的,应力-应变曲线呈硬化型。研究结果对于加深认识粗粒土的强度和变形特性具有重要意义。     

钱塘江冲海积非饱和粉土剪胀性三轴试验研究

钱塘江两岸广泛分布着冲海积粉土。在对钱塘江饱和粉土三轴试验研究的基础上,采用常规三轴仪,通过对不同饱和度系列粉土的固结排水CD试验,探讨钱塘江非饱和粉土的应力-应变性状和剪胀特性。对稍密状态（e = 0.871～0.969）粉土的试验表明：钱塘江冲海积非饱和粉土显著的特性之一是剪胀性,剪胀主要与粉土的饱和度和围压有关;饱和度对应力­应变曲线的一般形状影响不大;应力-应变曲线呈微软化型,残余强度qr与峰值强度qmax之比大多在0.9～1.0之间;粉土的剪胀随饱和度增高而增大,随围压增高而减小。临界状态体应变与中主应力随饱和度的变化有明显规律,围压800 kPa下,稍密状态钱塘江非饱和粉土体应变在 =12.020 2 – 4.939 2lnp和 =15.771 7 – 5.775 1lnp两条线所围的范围内,剪胀的最大体应变小于5%。     

基于状态参数的粗粒土应变软化和剪胀性模型研究

基于状态参数的概念,将粗粒土峰值应力比和剪胀比视为状态参数的函数,同时考虑初始模量随围压的变化,提出了一个弹塑性模型和模型参数的确定方法。该模型形式较简单,概念清晰,可以描述较大的密度和压力范围内粗粒土的应变软化和剪胀性,以及它们对物理状态和有效围压的依赖性。通过比较模型预测与粗粒土的三轴试验结果,证明了模型的合理性。     

考虑颗粒破碎影响的粗粒土本构模型

颗粒破碎直接改变了粗粒土本身结构,对粗粒土的剪胀、内摩擦角、峰值强度、渗透系数都会产生影响。为了能够准确地描述粗粒土的应力-应变关系,特别是高应力条件下出现显著颗粒破碎时的应力-应变关系,亟待建立考虑颗粒破碎的粗粒土本构模型。根据三轴试验数据,建立考虑颗粒破碎耗能的应力-应变关系,采用相关联流动法则导出考虑颗粒破碎的粗粒土本构模型。所建立的本构模型考虑了颗粒破碎对粗粒土剪胀、内摩擦角的影响。通过变异粒子群优化算法确定模型参数,拟合试验曲线。模型计算结果与试验曲线拟合较好,能够很好地描述粗粒土在不同围压下的体积剪胀、剪缩和应力硬化、软化现象。     

考虑颗粒破碎的粗粒土剪胀性统一本构模型

粗粒土作为无黏性散粒状材料具有状态依赖特性,土体的剪切特性受密度和应力水平影响。易破碎是粗粒土的另一个特点,颗粒破碎影响粗粒土的剪胀、内摩擦角、峰值强度和渗透系数。为了能够准确地描述粗粒土的应力-应变关系,采用初始状态参量描述粗粒土的内部状态,根据三轴试验数据建立考虑颗粒破碎耗能的应力-应变关系,采用相关联流动法则推导考虑颗粒破碎的粗粒土剪胀性“统一本构模型”,并建立初始状态参量与模型参数之间的关系。所建立的统一本构模型既考虑了颗粒破碎对剪胀、内摩擦角的影响,又考虑了剪切特性对土体初始状态的依赖。采用变异粒子群算法拟合试验曲线,确定模型参数。模型计算结果能够很好地拟合试验曲线。采用同一组参数对假定的初始状态进行模拟计算,计算结果表明,模型能够模拟不同初始密度和应力水平下粗粒土变形的一般规律。     

UH模型在有限元分析中的应用

由姚仰平等提出的超固结土统一硬化模型(UH模型)能够描述超固结土的硬化、软化、剪缩和剪胀等应力应变特性以及应力路径对它的影响。通过改进,直线型的Hvorslev线由抛物线型的Hvorslev线代替,UH模型的参数与剑桥模型(Cam-clay模型)的参数相同。应用该模型,对三轴试验进行有限元模拟,分析了与应用Cam-clay模型所得应力应变关系曲线的异同点;针对刚性承压板试验,进行了地基承载力的三维有限元分析,比较了与应用Cam-clay模型和摩尔库仑模型(Mohr-Coulomb模型)等所得p-s曲线的不同,分析了地基中不同点处的应力-应变关系曲线,并与Boussinesq弹性理论计算的应力做了比较;进行了地基固结沉降数值分析,比较了孔压、沉降的变化规律,体现了UH模型的优越性。     

邓肯-张模型和沈珠江双屈服面模型的改进

邓肯-张非线性弹性模型和沈珠江双屈服面弹塑性模型已经被广泛地应用于高土石坝等土工建筑物应力位移分析中，但是邓肯-张模型存在不能反映土剪胀性的缺陷，沈珠江模型在高围压或较大剪应变条件下也存在模拟土剪胀性偏大的不足。笔者提出了一个能够统一模拟低围压到高围压条件下土剪胀特性的数学表达式，对上述两个模型进行了改进。采用粗粒土的大型三轴试验结果的初步验证分析表明，改进模型能较好地拟合粗粒土在低围压条件下剪胀以及高围压条件下剪缩的应-应变特性。     

非饱和土的新非线性模型及其应用

为描述非饱和土的应力-应变特性,基于非饱和土三轴剪切试验,提出泊松比变化率（即切线泊松比随轴向应变的变化速率）的概念,发现非饱和土的切线模量和泊松比变化率均随轴向应变的增加呈指数衰减规律,基于此提出了一种描述非饱和土应力-应变关系的新非线性模型。该模型不仅能描述应变硬化,而且能描述应变软化;能对非饱和土三轴不固结不排水剪、固结排水剪、固结不排水剪试验的应力-应变关系进行描述;模型共包含6个参数,物理意义明确,确定方法简便。利用提出的模型对国内外文献中的三轴试验进行了模拟,结果表明,模拟结果与试验数据有很好的吻合度,从而验证了模型对试验数据的合理性和适用性。     

不同围压下两种沥青混凝土成型试样三轴试验研究

为研究制样方法和围压对沥青混凝土力学特性的影响,进行了沥青混凝土试件的2种制样方法、4组不同围压下静三轴试验。试验结果表明:围压越高,沥青混凝土破坏强度越高,剪胀程度越小。相较于室内模拟钻芯试样,击实成型试样三轴试验应力-应变曲线的峰值强度更高,初始切线模量更大,剪胀现象更加明显;通过邓肯-张模型对试验曲线进行拟合,发现邓肯-张模型对沥青混凝土应力-应变的拟合效果并不好;邓肯-张模型不能模拟沥青混凝土的软化和剪胀现象。     

主应力方向对砂土剪胀性的影响分析

剪胀性是土特有的一种材料属性,而准确地描述砂土的剪胀性则是建立砂土本构模型的重要基础。大量常规三轴试验发现,在以相同加载条件下剪切时密砂和松砂会表现出完全不同的剪胀性和应力-应变关系特性,说明砂土的剪胀性不仅与其所处的应力状态有关,也与其物理状态相关。状态参量理论很好地解释了砂土所处应力状态和物理状态对剪胀性的共同作用。空心扭剪三轴试验仪可以实现不同主应力方向的单调剪切试验。试验结果表明,当砂土以不同主应力方向单调剪切时,即使处于相同初始应力条件和物理状态,砂土也会表现出不同的剪胀性,说明了主应力方向也是决定砂土剪胀性的重要条件。本文通过分析试验中主应力方向对砂土剪胀性的影响,提出了一个含有主应力方向的状态参量,并建立了相应的剪胀方程。通过与试验数据的对比,验证了该方法的正确性和准确性。     

Testing and modeling of the state-dependent behaviors of rockfill material

Dense Tacheng rockfill material (TRM) exhibits strain softening and dilation during drained triaxial tests, and therefore, an adapted Rowe’s stress–dilatancy equation was proposed for TRM. This equation incorporates an internal state index related to the density and pressure, as well as the coefficient of particle breakage and rotation. The adapted Rowe’s stress–dilatancy equation indicates that the relationship between stress and dilatancy is not constant, but varies with density and pressure. This result is in agreement with TRM test data. A state-dependent model was established for TRM using generalized plasticity theory combined with the adapted Rowe’s stress–dilatancy equation. The model includes twelve constants calibrated using TRM test data from Group A, and this model was used to predict the strain softening and dilatancy behaviors of dense TRM. Furthermore, the model predictions were validated using test data from Group B. In summary, the model accurately represented the stress–strain and dilatancy behaviors of TRM over a wide range of densities and pressures.     

紫坪铺混凝土面板堆石坝应力-应变分析

利用考虑剪胀性和应变软化性的K-G模型和目前应用较广泛的E-? 模型,对紫坪铺混凝土面板坝进行了二维有限元应力-应变对比计算分析,同时将分析结果与采用双屈服面弹塑性模型三维有限元计算结果以及已建其他工程观测资料比较,得到了坝体应力-应变规律,表明这种K-G模型计算所得的沉降和水平位移在正常范围内,尤其是水平位移的计算明显比邓肯-张E-? 模型计算结果合理,初步验证所建议模型的合理性。     

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。     

钙质砂剪切特性的围压效应和粒径效应研究

为研究钙质砂剪切特性的围压效应和粒径效应,开展了在不同粒径、不同相对密实度以及不同围压条件下的三轴剪切试验,并引入应力相对软化系数和剪胀系数对应变软化特征及剪胀特征进行了定量表征。试验研究表明,随围压的增大,不同粒径钙质砂试样应变软化特征及剪胀特征逐渐减弱,且围压与应力相对软化系数和剪胀系数均呈半对数线性相关。不同粒径钙质砂试样存在一强度临界围压和体变临界围压分别使得应变软化特征和剪胀特征消失。在粒径为5～0.075 mm范围内,对松样而言,围压对软化特征和剪胀特征存在显著影响,但与粒径不存在显著相关性;对密样而言,随粒径逐渐减小,围压对试样软化特征的影响逐渐增强,而对试样剪胀特征的影响逐渐减弱。在低围压（50 kPa）条件下,0.5～0.25 mm粒径组试样破碎最显著。     

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。      

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。     

基于应变软化指标的岩石非线性蠕变模型

研究并提出一种以应变软化指标为基础的岩石非线性蠕变模型。首先,基于岩石三轴压缩试验结果,分析提出一种峰后应变软化指标R1来描述岩石峰后力学参数软化与塑性变形间的关系。接着,通过分析加速蠕变阶段与峰后段的联系,建立加速蠕变应变软化指标R2,并以此为基础构建非线性黏塑性体。然后,将其与Hook体和Kelvin元件串联,组建非线性蠕变模型,并将模型嵌入ABAQUS有限元程序。最后,针对砂岩和泥岩三轴蠕变试验建立数值模型,模拟曲线与试验曲线吻合良好,说明所建模型适用于硬岩/软岩加速蠕变现象的模拟。其中,参数 对加速蠕变曲线形态起调节作用,显示模型模拟脆性?延性流变破坏的特点。另外,模型参数均可由常规压缩破坏试验以及蠕变试验确定,易于获取。     

K0固结条件下粗粒土变形及强度特性研究

采用大三轴剪切仪对不同相对密度的双江口心墙坝覆盖层料,进行了K0固结及各向等压固结条件下的排水剪切试验,探讨了K0固结过程中粗粒土的变形特性。将K0固结与等压固结条件下的排水剪切试验的结果进行了对比分析。结果表明,K0固结加载阶段,平均主应力p与体应变? v之间、剪应力q剪应变? s之间的关系都可用幂函数形式表示。K0固结稳压阶段,? a-t关系呈指数关系。与等压固结试验相比,K0固结试样的排水剪强度略大。K0固结排水剪试验所得到的初始弹性模量Ei、初始泊松比vi均大于等压固结排水剪试验相同应力条件下的弹性模量、泊松比;且K0固结条件下试样的剪胀性也较为明显。     

不同应力路径下剪切带的数值模拟

采用回映应力更新算法,编写了基于伏斯列夫面的超固结黏土本构关系模型子程序,嵌入非线性有限元软件ABAQUS。通过对单元试验进行三轴压缩、三轴伸长及平面应变等问题的模型预测,再现了超固结黏土在不同初始超固结比和应力路径时的变形和强度特性,从而验证了子程序的正确性。借助该本构模型,对三轴压缩、三轴伸长及平面应变应力路径下超固结黏土体变形局部化问题,进行了三维数值模拟。分析结果表明：超固结黏土在三轴压缩及伸长状态时,土体变形局部化在应力-应变关系软化时出现,而平面应变状态时,在应力-应变关系硬化阶段出现,其超固结黏土的剪胀特性在剪切带的形成过程中起重要作用。