基于热力学方法的甲烷水合物沉积物本构模型

甲烷水合物沉积物的力学特性研究尚处于起步阶段,较系统的试验数据仍然不够充分,能够描述甲烷水合物沉积物力学特性的本构模型也不多.基于热力学原理和临界状态的概念的本构模型,可以自动满足热力学定律,其流动法则和屈服函数都可以很自然地从耗散函数中导出.首先介绍了基于热力学方法的甲烷水合物沉积物本构模型,并利用已有的甲烷水合物沉积物的三轴试验数据对模型进行了验证,进一步地应用该模型分析应力间距比对甲烷水合物沉积物力学特性的影响,强调应力间距比和屈服面形状在模型构造中的重要性.模型参数分析表明,应力间距比对甲烷水合物沉积物排水和不排水应力-应变关系、有效应力路径以及剪胀关系都有明显的影响.     

基于热力学的混凝土塑性和粘塑性本构模型研究

建立了具有实用意义的基于热力学能量耗散函数的混凝土率无关和率相关塑性模型.基于热力学原理,构造了混凝土在主应力空间中的能量耗散函数,并根据此函数推导出了耗散应力空间和真实应力空间中的混凝土模型.推导过程中不需引入其他假定,所得模型能自动满足热力学定理.拟合参数后,计算了多种受力状态下混凝土试件和构件的静动态响应.计算结果符合试验结果,验证了模型的正确性和实用性.     

考虑固结路径影响的天然沉积土不排水剪切试验研究

针对传统等向固结剪切试验不能反映实际工程中的非等向变形和强度特性的局限,采用GDS应力路径三轴试验仪,对天然沉积结构性软黏土进行了不同固结条件下的不排水剪切试验,探讨不同应力路径对天然沉积土不排水剪切特性的影响.结果表明:相同的平均有效固结应力下土体偏压固结后剪切阶段应力-应变关系曲线的峰值强度大于等向固结的峰值强度;固结过程偏应力的存在提高了土体的总应力强度指标,当控制固结压力终值的剪应力相同时,偏压固结的强度包线相对于等向固结将平行上移;等向固结下当固结压力大于结构屈服压力时,有效应力路径与屈服面具有相似性,剪切屈服破坏后有效应力路径沿着临界状态线下滑;偏应力固结后剪切过程中有效应力路径的走向相对于等向固结发生了向右偏转.     

不排水条件下全风化花岗岩残积土工程特性与本构模型

通过土工试验对不排水剪切条件下的饱和松散砂质土的工程特性进行了探讨 ,发现其在剪切时的应力 -应变关系呈现出加工软化特性 ,土体超过峰值强度后最终达到了变形的稳定状态 .基于稳定状态概念 ,将临界土力学理论与非线性应力 -应变关系相结合 ,建立了非线性应力 -应变 -临界状态本构模型 .采用香港钻石山地区全风化花岗岩残积土的不排水三轴试验结果 ,确定了有关模型参数 ,验证了所建议本构模型的合理性     

一个联系现场和室内的本构模式

在总结国内外有关研究成果的基础上,对联合室内和现场试验研究土体本构模型及确定模型参数方法进行了初步探索.通过室内固结排水静力三轴剪切试验研究发现,在不同固结应力及干密度下,割线模量Es与轴向应变εa的关系曲线可以采用最大弹性模量Emax及参考应变εr归一为Es/Emax~εa/εr曲线,归一的曲线受结构性、颗粒大小及级配等因素的影响很小,提出以土层原位试验得到的Emax代替室内试验的Emax,获到原位土体实际的Es~εa曲线.针对邓肯双曲线模式的缺点,提出了一种新的土体静力应力应变关系本构模式,新模式能很好地描述试验结果.     

土体热力学本构模型的分析与验证

分析介绍了Collins提出的土体热力学模型.该模型不仅结构简单,满足热力学原理,且通过参数的不同取值,可得到包括修正剑桥模型在内的不同屈服面的形式,具有较大的适应性和灵活性.基于微细观力学原理,深入分析了模型参数的物理意义,并导出了模型的应力应变关系.编制了该模型的点积分程序,选用具有强减缩特性的淤泥质软黏土的偏压固结不排水三轴试验结果,通过对试验结果的模拟,验证了模型的适应性与有效性.     

土体边界面模型在ABAQUS软件中的研发与验证

天然土体一般都处于偏压固结状态,存在着初始各向异性.即使是等压固结土体,在其后的偏压加载过程中,也会产生应力诱发各向异性.土体各向异性对其强度、变形及屈服面倾向都会产生影响.Wheeler弹塑性模型采用旋转硬化来描述土体的各向异性.在Wheeler模型的基础上,结合边界面理论,将Wheeler模型拓展为各向异性边界面模型.模型采用ABAQUS软件的UMAT子程序接口,通过隐式积分算法(图形返回算法)编程实现.采用本模型对高岭土三轴不排水剪切试验进行了模拟,并与试验结果作了对比验证.结果表明:模型能够合理描述具有初始各向异性土体的应力应变行为、孔压曲线及应力路径,并能反映偏压加载下的应力诱发各向异性;模型既可适用于模拟正常固结土,也适用于对中等超固结土的模拟.     

重塑非饱和黄土等p剪切试验

探讨了重塑非饱和黄土等p剪切试验过程的破坏特性、屈服特性和水量变化特性.做了2种不同干密度的净平均应力和吸力等于常数、偏应力增大的三轴排水剪切试验.结果表明:破坏应力随吸力增大而增大;得到了一种确定等净平均应力剪切条件下屈服应力的新方法,q-s平面上的加载湿陷屈服线形状与p-s平面相似;土-水特征曲线依赖于偏应力,建立了含水量-吸力-净平均应力-偏应力形式的土-水特征曲线.     

考虑诱发各向异性的花岗岩残积土硬化土模型参数研究

通过花岗岩残积土在原位有效自重应力下的固结(简称K0固结)排水三轴剪切试验和三向等压固结排水三轴剪切试验,分析诱发各向异性状态对花岗岩残积土硬化土模型(HS模型)参数的影响,并探讨K0固结排水三轴剪切试验所得HS模型参数在花岗岩残积土基坑工程数值分析中的适用性.研究结果表明:诱发各向异性对花岗岩残积土HS模型参数产生影响,诱发各向异性状态下的花岗岩残积土HS模型参数应用于实际基坑工程的数值分析可获得更加准确的预测结果.     

基于试验与模拟的修正GTN模型参数反求分析

设计6种不同应力三轴度的试样,进行拉伸试验并得到不同工况下的载荷-位移曲线.运用Voce+Voce流动应力模型外推拉伸试验数据得到材料的力学性能曲线.运用有限元软件ABAQUS/Explicit模块及用户子程序VUMAT将Nahshon提出的含剪切修正项的GTN(Gurson-Tvergaard-Needlemen)模型应用到有限元模拟中,研究各组试样的损伤演化和断裂过程.为使GTN模型更准确地应用到不同应力状态下,假定损伤参数εn为关于应力三轴度η的指数函数.运用反求法分析不同缺口半径的拉伸试验,确定GTN模型中面向高应力三轴度情况的损伤参数,同时结合数值模拟与剪切试验的对比确定剪切系数Kw.结果表明,确定的修正GTN模型参数可以应用到较宽的应力三轴度范围包括纯剪状态.     

Mohr包线的二次曲线形式

为了研究岩土类材料破坏的非线性，基于直剪试验和三轴试验结果的特点建立了二次抛物线形式的Mohr破坏包线，并给出了主应力表达形式。与Mohr-Coulomb准则一样，确定此破坏包线只需要两个破坏Mohr圆。根据本法得到的偏平面上的屈服迹线呈等边不等角曲边六边形。且随平均主应力增大，屈服迹线相对于由Mohr-Coulomb准则得到的结果要经历三个阶段：小于Mohr-Coulomb准则屈服迹线、大于Mohr-Coulomb准则屈服迹线和小于而且越来越小于Mohr-Coulomb准则屈服迹线。利用本模型在子午面上可以方便地直接给出平均主应力与偏剪应力的关系。本模型可以反映拉压不等性。     

上海莲花路浅部土层超固结特性试验研究

对上海2~6层原状土样进行了一系列室内试验,得到了整个浅层土基本物理参数,并由标准固结和三轴试验综合分析了上海浅部土层超固结度(OCR)的分布规律.研究认为上海浅层黏土天然含水率、初始孔隙比、液塑限、液性指数与塑性指数沿深度具有与OCR相反的变化规律.上海浅部土层的弱结构性导致一维压缩曲线无明显拐点,引用Becker能量法得到:2层土的OCR最大,达到8.0左右,之后急剧减小;3、4和5层土的OCR=1.15~1.40;6层土的OCR2.0.三轴排水试验结果体现了浅部各土层超固结性的差异,与标准固结试验的结果基本一致.这种固结试验与三轴试验相结合的研究方法为进一步准确得到原位土体尤其是弱结构性土的应力历史提供了新的途径.     

膨润土加砂混合物非饱和三轴试验研究

采用GDS三轴仪试验系统对膨润土加砂混合物进行了饱和与非饱和状态下三轴固结排水剪切试验研究.试验结果表明非饱和状态下膨润土加砂混合物的应力应变关系曲线与饱和状态下混合物的应力应变关系曲线具有相似的形态,均为硬化型.随着基质吸力或净围压力的增加,最大偏应力均增大.试样发生鼓状破坏,并且无明显破坏带.非饱和状态下膨润土加砂...     

关于土体各向异性弹塑性模型的讨论

用剑桥模型和关口太田模型对偏载作用下的地基变形进行了有限元数值模拟,并结合真三轴试验成果比较分析了这2种模型柔度矩阵的特点.结果表明,这2种模型均不能合理地反映复杂应力状态下的土体应力各向异性.建议通过复杂应力条件下不同应力路径的真三轴试验,建立合理的各向异性屈服准则,进而建立各向异性非线性弹塑性模型.     

上海临港砂质粉土硬化土小应变模型参数研究

硬化土小应变模型(HSS模型)考虑了土体在小应变区域内刚度随应变的非线性变化,是土工数值分析中应用较为广泛的软土本构模型之一。上海地区软土的特性研究已取得了较为丰富的成果,但关于浅层砂质粉土的研究还不够全面。通过三轴固结排水剪切试验,三轴固结加卸载试验,固结试验以及共振柱试验,获得上海临港地区浅层砂质粉土的硬化土小应变本构模型的试验参数,包括土体的初始剪切模量、土体强度参数和加卸载模量等。将试验结果与已有文献的相关数据进行对比分析,试验结果可为上海地区浅层砂质粉土的深基坑工程数值分析提供参考数据,具有工程参考价值。     

不同应力路径下卸围压流变试验分析及模型辨识

以大岗山水电站坝基的辉绿岩为研究对象,进行σ1恒定卸围压和σ1-σ3恒定卸围压流变试验,分析2种不同应力路径下辉绿岩的流变变形特征.引入屈服接近度指标来评价卸围压流变过程中不同三向应力状态下岩样临近屈服破坏的程度,并以此作为试验曲线中等速蠕变和加速蠕变的区分标准.最后对Burgers模型进行参数变异处理.研究结果表明:在2种方式下和在卸围压过程中,岩样的横向变形都表现为侧向膨胀,但轴向变形规律并不相同:σ1恒定时轴向变形一直轴向压缩,而σ1-σ3恒定时先是有微小增大再逐渐转变为轴向压缩.这说明随着围压的不断卸载,岩体变形逐渐由弹性向塑性转变并最终破裂,线弹性理论已不再适用.加速蠕变阶段的串联黏滞系数出现了非线性交化,以此来描述加速蠕变.参数变异的Burgers模型可以描述岩体的减速、等速和加速蠕变阶段,拟合结果与试验结果吻合较好.     

位移放大型扭转阻尼器性能分析

为了加固梁柱节点、避免框架结构出现"弱节点"的破坏模式、提高框架结构整体的抗震和耗能能力,研制出一种具有自主知识产权的位移放大型扭转阻尼器(DATD),并对其进行数值分析和试验研究.首先,设计了18个具有不同参数的DATD,建立其有限元模型进行数值分析;随后,设计并制作了一个DATD,进行性能试验并与有限元分析结果对比.结果表明:DATD滞回曲线饱满,耗能能力强;有限元分析与性能试验的滞回曲线吻合较好,且随着加载位移的增加,两者间误差变小,因此可以采用建立的有限元模型来研究DATD的力学性能.最后,对DATD进行参数影响分析,研究了铅芯直径、铅芯距中轴距离、橡胶层直径、橡胶层厚度及橡胶剪切模量对其特征参数的影响,结果表明:DATD的屈服剪力、等效刚度、等效阻尼比及耗能系数随着铅芯直径增大而明显增大,随着铅芯距中轴距离的增大略有增大;随着橡胶层直径、橡胶剪切模量的增大,屈服剪力及等效刚度逐渐增大而耗能系数及等效阻尼比逐渐减小;4个特征参数均随着橡胶层厚度的增大而略微减小.