基于细观力学方法的冻土本构模型研究

从复合材料的细观力学机理出发研究冻土的材料特性,用混合律方法得到了冻土材料的等效弹性常数,并利用这些弹性常数建立了含损伤的冻土弹性本构模型.对于在不同冰体积含量和不同温度下的冻结砂土,由该损伤本构模型计算的结果与实测的应力-应变曲线比较吻合,表明该模型能够较好地描述实际冻土材料的力学特性.     

井筒开挖下非线性冻结壁的应力场和位移场计算

基于冻土力学性能试验获得的冻土应力一应变关系曲线所确定的冻土本构方程,分析人工冻结壁在井筒开挖过程中的力学特性;利用解除应力的概念,考虑冻结壁为非线性材料,推导出冻结壁的应力场和位移场的计算公式．通过对实际工程的计算分析表明,该计算方法可应用于深井冻结壁的设计计算．     

多年冻土路基水-热-力耦合理论模型及数值模拟

在建立多年冻土地区路基非稳态温度场控制方程、水分迁移的有限元控制方程和路基变形场及应力场计算模型的基础上，提出水-热-力耦合模型。以青藏公路唐南段K3393＋950的冻土路基为计算对象，得出了1月份路基温度场、水分场及应力场（变形场）的分布规律：路基温度场内部存在着未冻土核；水分场在温度梯度的作用下有向冻结冰锋线迁移的趋势；在负温条件下，土体的体积含冰量超过临界值时，将产生冻胀现象。研究结果表明，多年冻土地区路基的温度场、水分场及应力场一直处于动态变化中，路基的热状况、水分状况与变化规律及由此引起的应力重分布是引起道路冻害的主要因素。     

热流固耦合作用冻土路基变形规律研究

为揭示季节性冻土路基温度场、应力场和夏季降雨与冰晶融化所产生的渗流场,三场耦合引起的冻土路基变形与破坏.根据热流固三场耦合理论,提出了考虑相变的温度场、渗流场和变形场耦合的数学力学模型,体现了冻土路基中固体骨架、水、冰三相介质的水、热、力耦合作用;在数值模拟分析中,将路基仅受温度载荷与温度和车辆荷载共同作用进行了比较,得出冻土路基的变化规律,其研究结果对冻土路基的施工和维护有一定指导意义.     

基于横观各向同性冻土的U形渠道冻胀数值模拟

将冻土分别视为各向同性和横观各向同性线弹性材料,把渠基冻土和渠道衬砌作为一个整体结构,视基土冻胀为热胀冷缩的特殊情况,应用大型有限元通用软件ANSYS,对U形混凝土衬砌渠道冻胀进行热应力耦合数值模拟,计算渠道冻胀的温度场、应力场和变形场,研究衬砌板冻胀力和变形规律,并对结果进行对比分析.结果表明,数值模拟方法能较好地反映U形混凝土衬砌渠道的冻胀机理和冻胀温度场、应力场及变形场的基本规律,横观各向同性比各向同性更能反映冻土的本构模型,与实测成果吻合更好,可用于U形混凝土衬砌渠道抗冻胀设计.     

单轴冲击载荷下基于塑性细观力学的冻土本构模型研究

随着寒区工程建设成为中国基础建设的又一大热点,对于冻土冲击动态力学性能及其本构模型的研究已显得十分必要。不同冻结温度的冻土试样通过采用分离式霍普金森压杆(SHPB)进行了不同应变率下的单轴冲击压缩实验。实验结果表明:冻土的弹性模量随着冻结温度的降低而升高,没有明显的率相关性;冻土的强度随着冻结温度的下降和加载应变率的升高而增大。基于实验结果,采用平均化方法推导了与冻结温度相关的冻土等效弹性常数的表达式。同时,采用基体各向同性化的切线模量法建立了冻土的动态塑性细观力学模型。进而,引入与冻结温度和加载应变率相关的连续损伤演化模型构建了冻土的冲击动态本构模型。相应的模拟结果表明,该模型能够很好地描述冻土的动态力学行为。     

冻土墙冻结温度场和应力场耦合的有限元分析

根据传热学和固体力学原理导出了温度场、应力场耦合微分控制方程,并用伽辽金法推导了两场耦合的有限元计算公式。在NCAP-2D有限元程序的基础上扩充了冻结温度场和应力场的有限元程序,使其适应于冻土墙深基坑两场耦合分析。分析结果表明:冻土墙的变形呈一曲线的形式,最大位移发生在跨中顶部;地基因不同的热膨胀系数造成地表和基坑底部位移值不同。数值模拟的系统分析可为冻土墙围护深基坑开挖工程的设计与施工提供科学依据。     

冻土墙冻结温度场和应力场耦合的有限元分析

根据传热学和固体力学原理导出了温度场、应力场耦合微分控制方程，并用伽辽金法推导了两场耦合的有限元计算公式。在NCAP—2D有限元程序的基础上扩充了冻结温度场和应力场的有限元程序，使其适应于冻土墙深基坑两场耦合分析。分析结果表明：冻土墙的变形呈一曲线的形式，最大位移发生在跨中顶部；地基因不同的热膨胀系数造成地表和基坑底部位移值不同。数值模拟的系统分析可为冻土墙围护深基坑开挖工程的设计与施工提供科学依据。     

考虑蠕变损伤作用的高山草甸区路基冻胀特性——以贡觉至芒康公路为例

冻胀融沉现象是高山草甸区路基的主要病害,是急需解决的重要问题。对于季冻区路基,蠕变作用使得路基冻胀变形更加复杂,因此,建立一种考虑蠕变损伤作用的冻土数学模型尤为重要。将冻土视为非线性弹性体,考虑冻土体蠕变损伤作用,分别从水分场、温度场、应力场角度,基于各物理场的微分控制方程式及其之间的联系方程,建立冻土在三场耦合下的数学模型。基于该数学模型对高山草甸区路基进行数值计算。研究发现,路基的最大冻深位置在路基表面以下1.2 m处,冻结锋面推移最大深度达到距离路基顶端以下0.6 m处;在左右路基顶角、新旧路基填土交界处及坡脚拐点处易出现应力集中;最大水平位移约为6.44 mm,最大竖向位移约为15.8 mm,大致出现在两侧坡面与路基顶面交界角处,应重点加强两侧坡面及路基顶面交界角处的防冻胀处置措施。     

冻土路基边坡稳定性计算程序开发

寒区边坡稳定性评价的特殊性在于其土体内部温度场的不均匀性。针对寒区边坡特点,提出以冻土物性参数随温度变化作为温度场和应力场的耦合纽带。考虑温度分布对土体力学性质改变及冻融交界面的影响,开发了耦合温度场的冻土边坡稳定性评价程序;并对非圆弧滑面稳定性系数求解中取矩中心的求解做了相应改进。利用开发的冻土路基稳定性计算程序,对坡度为1∶1.5的4 m路基进行了不同地温条件下的工况计算。计算结果表明在评价冻土路基正融期滑坡的稳定性时,采用折线滑面的方法来评价更为科学、严谨。此外计算结果还表明,冻土路基年度最小稳定性并非出现在融深最大的10月份,而是出现在暖季的早期从而形成热融滑塌现象;且年度最小稳定性出现的时间随地温的降低而向后推移。     

深井冻结壁粘弹塑性力学分析

通过大量的冻结粘土单轴蠕变试验,获得了单轴应力状态下的蠕变曲线及其参数.根据材料在弹性条件下单轴和三轴条件下的应力强度和应变强度关系,建立了三向应力状态下冻土的蠕变本构方程;分析了粘弹塑性冻结壁应力状态及塑性区的扩展规律,推导了不同区域冻结壁应力场和位移场的计算公式,探讨了防止冻结管断裂的措施.     

热塑性聚烯烃大变形行为建模及数值模拟

为了研究热塑性聚烯烃(TPO)大变形过程中力学行为,将基于高分子材料微观特征建立的本构模型加入有限元软件中,实现了TPO变形和微观特征演变的耦合.该模型考虑了TPO材料与应变速率有关的初始均匀变形、屈服、应变软化和应变硬化的变形过程.采用数值模拟的方法,研究了TPO在拉伸状态下的力学行为.结果表明,本构模型的预测结果与试验结果比较接近,模拟结果清晰地描述了三维变形过程中应力场的分布以及颈缩演变,为TPO材料零件的虚拟设计提供了依据.     

人工冻土温度场模型试验及冻土导热系数反分析

掌握人工冻土温度场的相关物理力学性质对冻结法施工意义重大,导热系数是计算人工冻土温度场的关键参数。采用人工冻土冻结试验平台进行人工冻土温度场试验,在模型土体的不同深度、不同平面位置布置热电耦测量温度的实时发展规律。通过数值法模拟人工冻土冻结温度场模型试验,对比分析不同点温度监测值和模拟值的关系,再以反分析方法为基础,利用最小二乘法准则将数值计算得到的测温点计算温度与实测温度进行对比分析,然后在准则函数计算范围内,用数值逼近原理,得到最优导热系数。最后,将最优导热系数的模拟温度和实测温度进行对比,验证得到的等效导热系数具有准确性。     

冲击载荷下无限长条损伤材料反平面裂纹问题研究

为了研究冲击载荷下小范围损伤时材料的裂纹问题,建立了无限长条含损伤材料的反平面有限长裂纹的力学模型．从宏观唯象角度,采用Lemaitre在应变等效假设基础上建立的损伤本构方程,通过积分变换-对偶积分方程方法,获得了裂纹尖端动态应力场．动态应力强度因子的计算结果显示,在小范围损伤的情况下,随着损伤的增加,动态应力强度因子的幅值降低,反映了小范围损伤时损伤对裂纹扩展的屏蔽作用．     

青藏公路冻土路基最大设计高度研究

针对冻土路基斜坡稳定性受温度场影响的特殊性,采用自行开发的数字路基仿真平台对不同地温、不同坡度和不同路基高度条件下的大量工况进行了温度场数值模拟。采用冻土力学参数与地温的拟合公式将温度场与力学场关联起来,并考虑到冻融交界面作为软弱夹层对于冻土路基稳定性控制作用,采用自行编制的冻土斜坡稳定性评价程序对各工况进行了稳定性系数计算,并考虑了荷载作用对冻土路基斜坡稳定性的影响。参照《公路路基设计规范》中对于路堤软弱层滑动稳定性的设计规定,提出了不同坡比、不同荷载作用条件下的冻土路基最大设计高度。     

冻土-构筑物界面粘聚-损伤-摩擦本构模型

冻土与构筑物界面本构模型对寒区工程的设计、分析和数值模拟至关重要.耦合粘聚损伤模型和摩擦模型建立了冻土与构筑物界面的一维本构模型.模型从界面的细观力学特征出发,考虑胶结冰在界面剪切过程中的力学响应及界面出现相对滑动后的摩擦力学特征,将界面微元区域分为损伤部分和非损伤部分进行分析.在界面发生相对位移的过程中,微元由非损伤向完全损伤过渡,其中非损伤部分假设为弹性变形,随着损伤的发展摩擦力逐渐发挥作用.基于界面的基本运动学假设得到了微元体损伤演化过程和摩擦演化过程,进而依据均匀化方法建立了界面的本构关系,模型中的参数物理意义明确且容易从试验数据中获取.数值结果表明模型对界面的应变软化型曲线和应变硬化型曲线都有较好的拟合效果,试验曲线中的关键参数在模型中都能够体现.     

水泥土强度特性和损伤本构模型研究

为探究围压对水泥土强度特性的影响以及建立不同围压影响下的损伤本构模型,开展室温和冻结状态不同围压下三轴剪切试验.考察了围压对水泥土力学参数的影响规律,建立能够反映出低围压对冻结水泥土强度的强化作用和高围压的弱化作用的修正Hoek-Brown强度准则.假设水泥土微元强度的分布规律服从双参数的Weibull函数,基于Hoek-Brown强度准则和其修正形式分别确定室温和冻结状态下水泥土微元强度,建立了考虑围压的统计损伤本构模型.结果表明,基于Hoek-Brown强度准则和其修正形式建立的损伤本构模型能够较好地描述室温和冻结状态下水泥土应力-应变曲线,且能够反映出冻结状态水泥土低围压下的应变软化现象与高围压下的应变硬化现象.室温状态时不同围压下损伤变量随轴向应变变化曲线形状相似,均随轴向应变增加呈"S"型单调递增.冻结状态下低围压抑制水泥土损伤劣化程度;高围压使其损伤劣化程度增加,在轴向应变很小时,损伤变量就达到较大值.     

变温场中施工仿真动力模型的时间相似常数

从冻结工法施工仿真模型中温度场与应力场的交替及耦合条件下不同的时间相似常数问题出发，用相似转换法分别讨论了动应力场和温度场状态下的时间相似常数问题，并用两场耦合方程和冻土壁的蠕变方程导出了不同的时间相似常数，结合冻结工法的工程实际，提出了不同工况条件下模型应采用的时间相似常数，为这类试验模型的设计及试验控制提供了有价值的时间参量取值原则。     

人工冻融土地基温度的数值分析

淮南刘庄煤矿主井井塔工程采用了人工冻融土地基,而人工冻融土在冻结和融化过程中各项物理力学性质指标、温度场和应力场发生了较大改变。文章利用热传导方程建立了人工冻土以及人工冻融土温度场的数学模型,同时利用有限元建立瞬态传热模型进行了数值模拟。结果证明,模拟及计算结果与实际相吻合,对在建工程和今后的安全运行有重要的指导作用。     

梯形砼衬砌渠道温度应力应变的有限元分析

为给梯形渠道的优化设计提供依据,将冻土视为横观各向同性线弹性材料,把冻土和混凝土衬砌作为一个整体,采用有限元软件ANSYS10.0分析了新疆兵团农八师西岸梯形渠道冻胀的温度场、应力场和变形场.以上分析的结果与实测的数据相吻合,二者的误差满足精度要求,表明采用有限元计算方法分析梯形渠道的温度应力、应变是可靠的.