Cracking risk of partially saturated porous media—Part I: Microporoelasticity model

Drying of deformable porous media results in their shrinkage, and it may cause cracking provided that shrinkage deformations are hindered by kinematic constraints. This is the motivation to develop a thermodynamics‐based microporoelasticity model for the assessment of cracking risk in partially saturated porous geomaterials. The study refers to 3D representative volume elements of porous media, including a two‐scale double‐porosity material with a pore network comprising (at the mesoscale) 3D mesocracks in the form of oblate spheroids, and (at the microscale) spherical micropores of different sizes. Surface tensions prevailing in all interfaces between solid, liquid, and gaseous matters are taken into account. To establish a thermodynamics‐based crack propagation criterion for a two‐scale double‐porosity material, the potential energy of the solid is derived, accounting—in particular—for mesocrack geometry changes (main original contribution) and for effective micropore pressures, which depend (due to surface tensions) on the pore radius. Differentiating the potential energy with respect to crack density parameter yields the thermodynamical driving force for crack propagation, which is shown to be governed by an effective macrostrain. It is found that drying‐related stresses in partially saturated mesocracks reduce the cracking risk. The drying‐related effective underpressures in spherical micropores, in turn, result in a tensile eigenstress of the matrix in which the mesocracks are embedded. This way, micropores increase the mesocracking risk. Model application to the assessment of cracking risk during drying of argillite is the topic of the companion paper (Part II). Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

裂土裂隙演化过程试验研究

裂土的裂隙是影响其工程性质的重要因素。为研究土体裂隙在外界环境变化条件下的演化过程,设计了一套精确控制湿度的试验装置,再现了裂土在脱湿情况下裂隙产生、传播、扩展的过程。对试验结果进行了理论分析,总结了试验中裂土裂隙出现、传播、扩展的规律。研究结果有助于加深对土体裂隙变化物理过程的认识,为处理工程问题提供思路。     

基于模糊综合评判的Hoek-Brown强度准则修正及应用

阐述了岩质边坡岩体力学参数研究的意义,介绍了国内外常用的几种岩体力学参数的确定方法,但其准确性值得商榷和论证。针对Hoek-Brown强度准则D值的确定存在的困难,基于模糊综合评判,对产生扰动的影响因数综合考虑,确定了依托工程的D值,工程应用表明更加接近实际情况,并且探讨了岩质边坡的岩体以滑动面为界限划分扰动区与非扰动区的合理性,克服了其他公式的不足。以利比里亚邦矿铁矿岩体力学参数研究为例,分别用计算出的修正参数和其他几种方法进行计算分析对比,结果表明所计算出的修正D值更能反映实际的扰动程度,并论证了划分扰动区与非扰动区的合理性和意义,具有重要参考价值。     

基于权变理论的滑坡灾害监测预报思路探讨

文章简要评述了地质灾害基础理论与应用技术发展现状、滑坡灾害多种监测预报判据的利弊。利用综合信息处理决策方法,提出了基于权变理论的滑坡灾害监测预报新思路。分析了滑坡成灾的权变特征、环境因素和决策因素,建立了滑坡灾害预报决策概念模型。进一步探讨了在预报决策中应遵循的动态性及满意性原则,为提高地质灾害监测预报理论的科学性提供了新的理论依据与技术途径。     

结构地震反应性态的物理随机最优控制

本研究发展了结构地震反应性态的随机最优控制理论和方法。这一研究建立在物理随机系统思想的新理论框架下,突破了以I^to随机微分方程描述动力系统的经典随机最优控制的藩篱。提出了基于系统二阶统计量评价、单目标超越概率和多目标能量均衡的控制器参数设计准则,以及基于概率可控指标的控制器位置设计准则,并将它们统一为物理随机最优控制的广义最优控制律。数值算例分析表明,本文发展的物理随机最优控制方法能够实现结构地震反应性态的精细化控制。     

工程区高地应力判据研究及实例分析

对原地应力状态的准确把握是地下工程稳定性评价的重要基础,而选择可行的高地应力判据是进行地应力状态评价的前提条件。在详细分析现有各种原地应力评价判据的基础上,提出可行的高地应力判据,并在判据模型中引入了国际上认可度非常高的Shoerey模型,但该模型没有考虑岩体变形模量和岩石弹性模量的区别。通过广泛研究目前国内外关于岩体强度的理论和方法,引入Hoek-Brown岩体强度估算理论,补充完善了Shoerey模型。云南禄丰某工程隧道,工程区共布置两个地应力测孔,测试结果较为离散。利用应力状态评价和数据拟合方法,推算出最大埋深部位的应力值达19.29 MPa,而岩体整体强度仅为5.243 MPa。按照强度应力比和Shoerey模型的评判标准,该隧道洞身部位的应力状态均为极高应力状态,应引起重视。对原地应力状态评价的一般方法和步骤进行了概括总结,以方便其他工程参考使用。     

中主应力系数影响下的冻结砂土损伤本构模型

人工冻结法是饱水砂层开挖过程中常用的止水和临时支护方法,通过冻土损伤特性研究为冻土力学特性和冻结体稳定性分析奠定基础。为研究冻结砂土的损伤力学特性,在-5℃下进行了不同中主应力系数的冻结砂土三维室内试验。从冻土微元破坏服从Weibull随机分布的特点出发,将Drucker-Prager强度准则作为冻土微元统计分布变量,利用应变等价性假说,建立了三维应力状态下冻结砂土损伤本构模型;在此基础上,讨论模型参数F₀与m和中主应力系数的关系,对模型参数进行合理修正,建立中主应力系数影响下的冻结砂土损伤本构模型,并与试验结果进行对比。分析结果表明：参数F₀和m随着中主应力系数的增大呈现先减小后增大的趋势;参数F₀反映了冻结砂土的强度特性,参数m代表了冻结砂土的延性及脆性特征,考虑中主应力系数影响的冻结砂土损伤本构模型能很好地模拟冻结砂土应力-应变全过程曲线。研究成果为人工冻结法工程设计提供一定的理论依据。移动阅读     

粘弹塑本构模型及用于冻土数值计算的柔度矩阵

随着寒区经济发展及冻结法施工技术在工程中的推广应用,对冻土蠕变的深入研究显得尤为重要.对冻土单轴流变试验结果分析,用非线性牛顿体替代线性牛顿体,从而对西原模型进行了改进,得到了冻土三向应力状态下的本构方程;并利用D-P屈服准则推导出应用与数值计算的柔度矩阵.通过有限元程序的二次开发,将本构模型添加到大型非线性程序ADINA中.用三轴蠕变试验检验了粘弹塑本构模型,获得相应的试验拟合曲线.结果表明:三轴蠕变试验与理论计算结果吻合良好,说明粘弹塑本构模型可以描述冻土在高应力下反映的非衰减性蠕变变形特征.     

不同结构性黄土的强度规律及传统强度准则适应性分析

在真三轴试验基础上揭示了多种不同结构性原状黄土的强度变化规律,分析了在岩土工程实践中常用的Mohr-Coulomb准则和Matsuoka-Nakai准则对不同结构性原状黄土的适应性。结果表明:当结构性黄土的强度越大时,其在π平面上的破坏线越接近于抹圆曲边三角形,反之其在π平面上的破坏线越接近于抹圆角三角形;结构性黄土随着结构性的增大在π平面上的强度破坏线从抹圆角三角形逐渐向抹圆曲边三角形发展,最终趋近于Mises圆;两个强度准则所描述的强度都比结构性原状黄土的实际强度值小,Mohr-Coulomb准则的误差比Matsuoka-Nakai准则的误差大,并且随着结构性的增强其误差也逐渐增大。     

考虑劣化屈服老化裂纹后混凝土水库堤坝排水边坡抗震性研究

针对在水库堤坝排水边坡混凝土裂纹的抗震性研究中,未考虑岩土体抗剪强度参数的劣化屈服效应以及混凝土裂纹的老化,存在抗震性判断结果准确率较差等问题,提出水库堤坝排水边坡混凝土考虑老化后产生裂纹的抗震性能研究方法。模拟强震下边坡混凝土的开裂破坏过程,根据D-P屈服准则,实现对闸墩混凝土材料的屈服判断。采用薄层整体单元模拟和分离式裂纹单元,实现混凝土裂纹的数值模拟,加载地震波后,获取混凝土裂纹的强震响应规律与破坏特征。实验结果可知,本文方法对坝体位移变化的研究精度高,得到的混凝土裂纹扩展范围更为准。运用本文方法对水库堤坝排水边坡混凝土的抗震性研究准确率以及可信度较高,说明本文方法具有一定的可取性。