砂土的流体动力学方程与本构模型的比较

目前砂土材料连续力学方程建模有两种途径,一种是源自于论证Navier-Stokes方程时所用的方法,称为流体动力学方法,主要针对普通固体、普通流体、超流、液晶、高聚物、颗粒物质等材料,它的基本做法是先给出守恒变量（如能量、动量、熵等）和对称破缺变量（如弹性应变、量子相位等）的一般运动方程,再用与具体材料有关的热力学函数和迁移系数来封闭它们;另一种方法是本构模型法,针对有塑性固体、非牛顿流体、砂土材料等材料,该做法特点是直接构建应力、应变、应力率、应变率、速度、密度、温度等变量之间的函数关系,并以此来封闭连续和牛顿方程。近年来采用这两种方法建立的砂土方程在文献上都有报道,因此,有必要对两者的特色、科学基础、适用范围,包括概念上的和具体方程等,进行比较,作为颗粒物理与土力学之间跨学科交流的一种尝试和沟通。通过比较得出,两种建模途径对表征砂土状态的完备变量集、屈服面、与塑性有关的耗散等使用了很不一样的思路和方程。     

A Simple Model for Earthquake Instability

Based on the heterogeneity of fault plane strength,the macro rupture process of a fault plane can be treated as the rupture accumulation process of local micro-elements in the fault surface.Assuming that the strength of the local micro-elements follows the Weibull probability distribution,the macro-fault constitutive relationship of the complete load-deformation process is derived from a statistical mechanics viewpoint.Applying a one-dimensional earthquake mechanics model and using far-field displacement a as the control variable,the problem of earthquake instability is investigated by employing the stability theory.The results show that the system stiffness ratio(stiffness ratio of fault to surroun-ding rock) β is the important parameter that affects the occurrence of earthquakes.Earthquake instability occurs only when β < 1,and the sudden stress jump appears at the displacement turning point of the equilibrium path curve.The expression of three important parameters for earthquakes(fault half-dislocation distance after earthquake,earthquake stress drop and elastic energy release) is also given.When β≥1,the earthquake does not occur and the fault only slips slowly without an earthquake.     

高应力准一维应变下细砂本构关系实验测定

为掌握松散细砂在宽广应力范围下的压缩本构特性,采用准一维应变装置进行了最高轴向应力达1 100 MPa的实验研究。测得了一种细砂在烘干状态和含水率为3.4%、6.6%和13.5%的压缩下应力-应变曲线,拟合了不同含水率细砂准一维应变压缩下的统一形式的经验型本构方程。比较了实测数据与AUTODYN程序材料数据库数据,给出了使用DYNA程序计算需要的细砂参数推荐数据。高应力水平下的实测数据对工程定量计算具参考价值,拟合的经验公式可在对不同含水率细砂的具体工程计算中推广使用。     

考虑接触非线性的西安明城墙稳定分析

西安明城墙是由内芯土和外包墙组成的人工黄土边坡。强度折减有限元法是分析土坡稳定性、确定土坡最小安全系数的有效方法,但应用该方法计算城墙的安全系数时,却难以处理外包墙上的潜在破坏面对城墙稳定性的影响。根据外包墙破坏的实际情况,假设了不同形式和位置的潜在破坏面来模拟外包墙的破坏形态,通过考虑软化性能的界面本构方程,应用强度折减有限元法确定了外包墙的最危险破坏形态,并基于此破坏形态研究了影响城墙稳定性的主要因素,可为古城墙的稳定性评估和保护修缮提供依据。分析表明,城墙内芯土潜在滑动弧可简化为一条直线,其顶点位于坡肩内约3 m处;城墙沿该滑动弧的安全系数满足稳定性要求;外包墙的破坏形态和砂浆强度、外包墙与内芯土之间的摩擦系数是影响城墙变形破坏的主要因素。     

考虑荷载作用的沥青混合料冻融损伤特性研究

针对寒区道路工程中的沥青路面冻融受荷损伤问题,借助细观损伤力学和宏观统计随机损伤模型,建立了冻融与荷载耦合作用下的沥青混合料损伤本构关系和损伤演化方程;探讨了冻融循环次数、应变和油石比影响下的沥青混合料冻融受荷损伤劣化机理。研究表明：冻融循环疲劳损伤累积和荷载作用于带有微缺陷粗集料界面附近产生的应力集中加剧了沥青混合料总损伤劣化程度。冻融循环20次之后,损伤度变化不大,基本趋于恒定;相同损伤程度时,应变值随冻融次数的增加而减小。油石比对总损伤影响显著,当油石比相对较小时,以冻融破坏为主;当油石比较大时,以受荷破损为主。研究成果可为寒区沥青路面抗冻设计、性能评价及养护维修时机选择提供参考。     

A viscoelastic-plastic constitutive model with Mohr-Coulomb yielding criterion for sea ice dynamics

A new viscoelastic-plastic （VEP） constitutive model for sea ice dynamics was developed based on continuum mechanics. This model consists of four components： Kelvin-Vogit viscoelastic model, Mohr-Coulomb yielding criterion, associated normality flow rule for plastic rehololgy, and hydrostatic pressure. The numerical simulations for ice motion in an idealized rectangular basin were made using smoothed particle hydrodynamics （SPH） method, and compared with the analytical solution as well as those based on the modified viscous plastic（VP） model and static ice jam theory. These simulations show that the new VEP model can simulate ice dynamics accurately. The new constitutive model was further applied to simulate ice dynamics of the Bohai Sea and compared with the traditional VP, and modified VP models. The results of the VEP model are compared better with the satellite remote images, and the simulated ice conditions in the JZ20-2 oil platform area were more reasonable.     

一个考虑土的各向异性的孔压公式及其应用

为了研究粘土的各向异性对孔压生成的影响,在修正剑桥模型的基础上,采用关口-太田应力比概念、结合邢义川-郑颖人方程,构造了一个各向异性旋转屈服面,建立了一个各向异性弹塑性本构模型;据此推导出一个各向异性孔压表达式,该式可以考虑Lode角以及主应力轴的平面旋转对孔压的影响;并采用新的孔压表达式着重分析了三轴应力状态下Lode角旋转以及主应力轴旋转所造成的孔压发展,并对条形荷载下的平面应变各向异性粘土地基中的孔压发展进行了计算。计算结果表明,地基中由于Lode角旋转造成的孔压不明显,但在荷载边角位置主应力轴旋转造成的孔压不容忽视,尤其是在埋深相对较浅的位置。     

粘土的粘塑性特性试验与三要素本构模型

研究了3种粘土的未扰动试样和重塑试样在三轴排水固结试验条件下的粘塑性。在试验过程中,利用计算机控制应变控制式三轴仪的加载速度,实现了在不同加载阶段的不同恒应变率加载。依据应力对应变率改变的响应程度对粘土的粘塑性进行了评价。实验结果表明,粘土的粘塑性表现为等时特性,并且经过一定时间的蠕变后,粘土强度会有较大地提高。并指出粘土的粘塑性应力-应变特性可以较好地采用非线性三要素模型对它进行描述。     

厦门砂土的动力特性研究

为了探讨厦门砂土的动力特性,对厦门金秋豪园场地的中粗砂和细粉砂做了一系列振动三轴试验,并对同一场地的含泥中砂做了4个共振柱试验。根据试验结果,确定了中粗砂与细粉砂的液化曲线和动本构关系,提出了相应的动孔压模型,得到了含泥中砂在小应变条件下动剪切模量和阻尼比的变化规律。     

月表撞击坑形成过程数值模拟理论与方法

数值模拟是研究撞击坑形成过程的一种主要方法,尤其是认识撞击坑形成机制的重要手段。撞击坑形成过程数值模拟的基本原理是用离散方法描述物质在高速撞击作用下的运动及状态,在模拟中首先将物质与空间划分成离散的网格,在每一次迭代计算中逐步求解各个网格的形变、运动与状态改变的规律。牛顿运动定律、物质的连续体模型与热力学方程是撞击坑形成过程数值模拟的理论基础,牛顿运动定律以偏微分方程的形式贯穿在离散化的网格空间中,物质的连续体模型将物质的屈服强度与破裂、温度、孔隙、振动等联系起来,而热力学方程则通过其他热力学参数计算网格单元内物质的压强与物质所处的状态。