考虑温度影响的软岩弹塑性本构模型

煤矿的深度开挖、核废料的地下储存和能量桩的广泛应用等诸多的岩土工程问题都需要考虑温度对软岩力学特性的影响。为了能较为全面地描述软岩的力学特性,基于上下负荷加载面,引入温度等价应力的概念,在tij应力空间下构建了一个可同时考虑温度效应、中间主应力影响、结构性、超固结性等软岩力学特性的弹塑性本构模型。新模型的所有参数都具有明确的物理含义。通过理论曲线与试验结果进行对比,验证了所提本构模型的正确性。最后通过改变模型参数,对新本构模型的性能进行了分析讨论。计算结果表明：（1）增大超固结比发展控制参数m或者减小结构状态发展控制参数m*,将会提升软岩的剪切强度。（2）随着温度的上升,软岩的剪切强度反而减弱。（3）初始的超固结比越大,软岩的剪胀特性更明显;而初始的结构性较大时,其体积应变在剪切的最后阶段表现为剪缩。     

A Strain Rate Dependent Constitutive Model for the Lower Silurian Longmaxi Formation Shale in the Fuling Gas Field of the Sichuan Basin,China

Shale, as a kind of brittle rock, often exhibits different nonlinear stress-strain behavior, failure and time-dependent behavior under different strain rates. To capture these features, this work conducted triaxial compression tests under axial strain rates ranging from 5×10?6 s?1 to 1×10?3 s?1. The results show that both elastic modulus and peak strength have a positive correlation relationship with strain rates. These strain rate-dependent mechanical behaviors of shale are originated from damage growth, which is described by a damage parameter. When axial strain is the same, the damage parameter is positively correlated with strain rate. When strain rate is the same, with an increase of axial strain, the damage parameter decreases firstly from an initial value (about 0.1 to 0.2), soon reaches its minimum (about 0.1), and then increases to an asymptotic value of 0.8. Based on the experimental results, taking yield stress as the cut-off point and considering damage variable evolution, a new measure of micro-mechanical strength is proposed. Based on the Lemaitre’s equivalent strain assumption and the new measure of micro-mechanical strength, a statistical strain-rate dependent damage constitutive model for shale that couples physically meaningful model parameters was established. Numerical back-calculations of these triaxial compression tests results demonstrate the ability of the model to reproduce the primary features of the strain rate dependent mechanical behavior of shale.     

围压作用下型煤蠕变特性及本构关系研究

对松藻煤电集团打通一矿7号软煤层制备的型煤围压作用下不同载荷水平进行了煤岩蠕变试验研究。通过改变蠕变载荷,得到了不同蠕变载荷作用下完整的蠕变3阶段曲线和各蠕变阶段的蠕变特征。根据试验分析结果,得到围压作用下煤岩蠕变规律和各蠕变阶段的蠕变参数。研究表明,随着蠕变载荷的增加,起始蠕变量和加速蠕变阶段的蠕变加速度均呈增加趋势,而过渡蠕变阶段和稳定蠕变阶段的持续时间与蠕变载荷关系不明显。黏弹塑性本构模型能够较好地反映围压作用下煤样的蠕变本构关系,通过计算得到了相关蠕变模型的参数。     

渗透压力作用下加锚裂隙岩体围岩稳定性研究

岩体中裂隙水的存在加剧了岩体结构围岩损伤;锚杆作为岩体工程的重要支护手段,被广泛应用于岩体加固工程中。结合无损伤材料的柔度张量的概念,用裂隙附加柔度张量来表示裂隙对岩体的损伤影响;引入渗透压力附加柔度张量的概念来定义渗透压力对裂隙岩体强度的损伤影响;利用附加刚度来反映锚杆对裂隙岩体的加固作用,附加刚度求逆即得柔度张量。对渗透压力作用下锚固裂隙岩体渗流场与损伤场相互作用及耦合机制进行了深入研究;基于能量互易定理,自洽理论等,分别在压剪和拉剪应力状态下推导了渗透压力作用下加锚裂隙岩体等效损伤模型,建立了相应的计算方法,应用半解耦方法对理论模型进行了有限元程序化。在有限元程序中,将渗透体积力化为等效节点力,参与各单元间应力调整且表现为岩体变形过程中刚度的降低;锚杆锚固力等效为单元节点力,并体现为岩体整体变形刚度的提高。结合工程实际,着重讨论渗透压力作用对隧道围岩稳定性的影响。分析表明,渗透压力对岩体围岩变形破坏及稳定性的影响是不可忽略的。     

黄石淤泥质土的剪切蠕变特性及模型研究

通过室内剪切蠕变试验,对黄石地区淤泥质土蠕变特性进行了研究。结果表明：黄石淤泥质土的剪切蠕变变形可近似为线性特征;蠕变变形在一定剪应力水平下才能表现出来,剪应力水平越高,剪切蠕变变形越明显;在高应力下,土的粘滞性增加,流动性降低,剪切模量与时间呈下降幂函数关系;粘滞系数的变化受剪应力的影响并不大。针对试验数据采用线性回归分析法确定蠕变参数能取得较高的精度,Burgers体蠕变模型和经验型模型均能较好描述该地区淤泥质土的剪切蠕变规律。比较而言,采用经验型模型更适合于描述软土非线性剪切蠕变特性。     

3-D consistency dynamic constitutive model of concrete

Based on the consistency-viscoplastic constitutive model,the static William-Warnke model with three-parameters is modified and a consistency-viscoplastic William-Warnke model with three-parameters is developed that considers the effect of strain rates. Then,the tangent modulus of the consistency viscoplastic model is introduced and an implicit backward Elure iterative algorithm is developed. Comparisons between the numerical simulations and experimental data show that the consistency model properly provides the uniaxial and biaxial dynamic behaviors of concrete. To study the effect of strain rates on the dynamic response of concrete structures,the proposed model is used in the analysis of the dynamic response of a simply-supported beam and the results show that the strain rate has a significant effect on the displacement and stress magnitudes and distributions. Finally,the seismic responses of a 278 m high arch dam are obtained and compared by using the linear elastic model,as well as rate-independent and rate-dependent William-Warnke three-parameter models. The results indicate that the strain rate affects the first principal stresses,and the maximal equivalent viscoplastic strain rate of the arch dam. Numerical calculations and analyses reveal that considering the strain rate is important in the safety assessments of arch dams located in seismically active areas.     

一个基于热力学的土体本构模型

修正剑桥模型假设体积塑性功的一半转化为耗散能,一半转化为由塑性变形约束的自由能,但通常体积耗散能和塑性体积自由能并不相等。基于热力学理论,通过引进间隔应力比来表征体积塑性功和塑性体积自由能的比例关系,构建了一个土的体积硬化模型。由于岩土材料耗散函数与所处的应力状态有关,因此,需要应用非关联流动法则,修正剑桥模型是适合应用相关联流动法则的一个特例,也是所提出模型的一个特例。     

基于内变量和张量函数表示定理的本构方程

针对各向同性材料,基于张量函数表示定理,建立了本构关系的张量不变性表示,其中,3个不可约基张量取决于应力的0～2次幂,且相互正交,3个系数由塑性应变增量和应力的不变量表示。基于塑性应变增量的不变量定义内变量,本构关系归结为确定内变量的演化。使用张量函数表示定理,给出了内变量演化方程的一般表达式,它取决于应力不变量的增量,因而与主轴旋转无关。讨论了如何根据试验资料和引入适当的假定,确定具体的演化方程。通过与塑性势理论和多重屈服面理论进行比较,表明所建模型是这些理论的最一般表示,且简捷直观、使用方便。     

压实黄土变形特性

黄土路基填料的变形特性直接关系到路基沉降和路基边坡坡度的选取,是黄土地基工程、边坡工程和洞室工程设计计算的重要参数。基于一维室内固结试验,分析了压实黄土变形特性。引入压缩变形系数,分析了压实黄土的物理指标（含水量、压实度）与变形指标（压缩变形系数、压缩系数）的关系,采用应变法来表达压缩变形曲线结果;引入非线性应力、应变关系的割线模量,研究了压实黄土的加荷本构模型和增（减）湿本构模型。结果表明：压实黄土的物理指标对其变形特性影响较大,压实黄土的应力-应变关系可以用幂函数 的形式来表达,提出了压实黄土的加荷本构模型和增（减）湿本构模型,该模型具有较高的可靠性,为研究黄土路基沉降特性提供了有力依据。     

非饱和原状黄土的非线性损伤本构模型研究

作者以损伤理论为基础,建立了非饱和原状黄土的非线性损伤本构模型,模型可反映原状非饱和黄土独特的力学特性。该模型共包含13个参数,都可以通过试验测定。该模型进一步揭示了非饱和土体中某些应力应变特性的内在规律,从而把非饱和黄土的本构模型研究推到了一个新的水平。