堆石料本构建模新途径

在对堆石料主要应力应变特性进行分析的基础上,对堆石料的2大类本构模型——非线性弹性模型和弹塑性模型的特点进行举例评析,从理论上指出了这2类本构模型的不足之处,并引入了一类具有独特建模思想的连续介质本构理论——亚塑性理论,对堆石料进行了亚塑性建模及初步应用研究.理论分析和算例表明,所建堆石料亚塑性模型能够合理反映堆石料的主要力学特性,且具有本构参数适用范围广的特点.     

基于宏观实验数据的堆石料细观本构模型参数反演

如何精确估计岩石材料细观本构模型参数是制约离散元方法发展与应用的瓶颈之一。提出基于响应面法的堆石料细观本构模型参数反演方法。建立一种用于岩石细观本构模型参数反演的响应面函数形式,在宏观实验数据与细观模型参数之间建立桥梁,实现岩石试样变形与模型参数之间关系的高精度非线性映射。基于堆石料试样的宏观实验数据和响应面函数模型,将模型参数反演问题转化为优化问题处理,反演确定岩石材料细观本构模型参数。结果表明:堆石料细观本构模型参数,包括法向接触刚度、切向接触刚度及摩擦系数,随围压增加而稍有增加;材料的法向接触刚度与切向接触刚度近似相等。反演分析预测的偏应力-轴向应变曲线与试验曲线吻合较好,实验验证了所提出反演方法的有效性。     

带肋钢筋与堆石料接触面剪切特性

设计了一种用于堆石料中筋材拉拔试验的试验装置,并开展了带肋钢筋在堆石料中的一系列拉拔试验,研究钢筋-堆石料接触面的剪切特性。试验结果表明:接触面的剪应力-剪切位移关系曲线均呈明显的非线性关系,形状类似于下端开口的抛物线;堆石料上覆压力对试验结果影响较大,随着上覆压力的增加,峰值和残余剪应力均逐渐增加,但峰值剪切位移逐渐减小。此外,基于损伤力学理论建立了一个接触面损伤本构模型,该模型能较好地模拟上覆压力对接触面剪切特性的影响,以及剪应力-剪切位移曲线的应变硬化、应变软化、残余状态等非线性特征。     

考虑级配影响的堆石料力学特性研究

基于分形理论,分别进行了8组级配堆石料的相对密度试验及室内大型三轴压缩试验,试验之后对部分级配进行筛分处理,分析了堆石料不同级配制样分形维数与试样干密度、破碎率、强度特性、破坏比、初始切线模量参数以及体积模量参数之间的规律,建立了堆石料邓肯E-B模型参数与制样分形维数之间的函数关系式,并选用一组级配的三轴试验结果验证函数关系合理性.结果表明:级配是影响堆石料力学特性的重要因素,不同级配本构模型参数的拟合曲线相关性较好,制样分形维数的函数式可以较好地反应级配对堆石料物理力学性质的影响.     

“南水”双屈服面模型的两点修正

基于堆石料大型三轴试验数据,分析研究了其切线模量和切线体积比与应力状态的关系,建立了切线模量和体积比与应力比之间的函数关系式,并将其引入"南水"双屈服面弹塑性模型中.运用修正模型对不同应力路径下堆石料的大型三轴压缩试验结果进行了模拟,结果表明,修正模型在未增加参数的情况下较好克服了原模型在描述堆石料应力-应变关系,特别是剪胀(缩)特性方面的不足,可更好地模拟堆石料的强度和变形特性.     

混凝土面板堆石坝的应力应变计算的发展与灵敏度分析

用二维非线性有限元法分析了混凝土面板堆石坝的应力变形特性并对堆石料 灵敏度分析,用邓肯Ｅ－Ｂ模型作了应力,变形分析,得到坝体变形,面板变形和应力等成果。     

等应力比加载路径下堆石料力学特性的细观数值分析

堆石料的力学特性与应力路径相关,而常规三轴试验的应力路径与堆石坝工程填筑期坝体内的应力路径差别较大,因此本文采用考虑颗粒破碎效应的随机颗粒不连续变形分析(SGDD)方法进行等应力比加载路径下堆石料三轴试验的细观数值模拟,研究固结应力和加载应力比对堆石料强度和变形特性的影响.模拟结果表明:固结应力和加载应力比对堆石料的力学特性影响较大,随着固结应力的增加、加载应力比的减小,应力应变曲线由应变软化型向硬化型转化,试样也由低压剪胀向高压剪缩转变;p-q平面内的强度包络线具有明显的非线性;细观组构量的演化规律与堆石料的宏观力学特性密切相关.     

高面板堆石坝工作性态的弹性和弹塑性对比分析

筑坝堆石料具有明显的非线性、压硬性、剪胀性和应力引起的各向异性,其应力变形特性直接影响到面板、接缝的应力变形情况.合理的堆石体本构模型是保证对高堆石坝进行正确预测分析的前提,对常用的邓肯E-B模型和南水双屈服面模型进行了对比性分析,最后在参数等价的基础上利用这两个模型对一座200 m级高面板坝进行了有限元分析,对造成计算差异的主要原因进行了探讨,为今后计算本构模型的选用提出了建议.     

土石坝空间非线性和弹塑性的应力应变分析

本文采用非线性弹性的邓肯-张模型和我们提出的分部屈服模型,编制了TDAD三维非线性程序,对典型河谷土石坝进行了三维和二维的应力应变计算及比较分析,并对铜街子水电站土石坝做了三堆的非线性弹性和弹塑性的计算及分析,取得了比较圆满的结果。     

堆石料压实质量实时监测指标与碾压参数的相关性分析

为给高堆石坝施工质量的连续控制提供有效指标,提出了以实时监测的压实监测值(CV)作为堆石料压实状态的表征指标.在分析CV与碾压参数(行车速度、碾压遍数、压实厚度、激振力状态)之间相关性的基础上,建立了CV与上述碾压参数的多元回归模型.实例研究表明:CV与碾压参数的相关性显著,且其可由碾压参数精确表征;由于碾压参数对于堆石料压实质量有着显著影响,故间接验证了CV可作为堆石料压实状态的实时表征指标的可能性,为进一步研究CV表征堆石料压实质量指标(如干密度、孔隙率等)提供基础.     

堆石料湿化变形三轴试验研究

采用大型三轴仪分别进行各向等压及不同围压不同湿化应力水平条件下的三轴湿化试验,对堆石料在上述情况下的湿化变形特性进行研究。基于单线法,建立适合于堆石料湿化变形的新模型,通过研究湿化轴向变形及体积变形与围压以及湿化应力水平的关系,提出单线法湿化变形经验公式,并结合试验成果对堆石料的湿化模型参数进行拟合。研究结果表明:在各向等压条件下,湿化体积变形与轴向变形和围压的关系分别可用双曲线与直线表示;在围压一定时,偏应力引起的湿化体积变形与湿化应力水平的关系可采用线性拟合,而湿化轴向变形与湿化应力水平呈指数关系;拟合曲线与试验结果曲线较吻合,表明该模型能较好地反映堆石料湿化变形的特征,证实了该模型的合理性。     

高心墙堆石坝材料本构模型计算的适用性研究

为研究不同材料本构模型对高心墙堆石坝应力、变形计算的适用性,以RM 300 m级高心墙堆石坝堆石料的室内试验成果为基础,分别对邓肯E-B模型、沈珠江双屈服面模型及MPZG模型进行材料本构验证和坝体有限元分析。研究结果表明：3种模型均能较好地表现堆石料三轴路径下的应力响应,而邓肯EB模型在低围压下体积响应表现效果欠佳;3种模型计算的坝体应力、变形分布均符合一般规律,应力相近,但变形计算中邓肯E-B模型得到的沉降与顺河向位移均较大;在高心墙堆石坝建设初期,可采用邓肯E-B模型进行早期分析,后期宜采用沈珠江双屈服面模型、MPZG模型等进行决策评价。     

基于LDPM模型的胶凝砂砾石料细观力学性能

通过室内单轴抗压强度试验,探究不同水泥掺量对胶凝砂砾石料力学性能的影响。结果表明:随着水泥掺量的提高,胶凝砂砾石料弹性模量及抗压强度逐渐增大,其力学性能由类似于堆石料逐渐演变为类似于碾压混凝土。为了研究材料的破坏机理,采用细观格构离散粒子模型(lattice discrete particle model,LDPM),建立材料细观模型,对胶凝砂砾石料单轴受压状态下细观裂缝扩展情况进行模拟,数值模拟得到的应力-应变曲线与实验数据相吻合;通过裂缝开度云图可以看出,在弹性阶段几乎没有裂缝产生,直至轴向应力达到抗压强度值后,裂缝逐渐萌生、扩展,最终形成平行于压力方向的多条裂纹,导致试件破坏。裂缝主要延砂浆与骨料之间的界面层扩展,骨料基本未破碎。通过LDPM模型可以有效模拟胶凝砂砾石料细观裂缝的形成与发展机理。     

西流水面板堆石坝三维流变分析

采用考虑堆石料流变性的分析模型,对西流水混凝土面板堆石坝进行了三维非线性有限元计算,得到了考虑堆石流变性后的坝体、面板及接缝的位移和应力,同时对比分析了堆石料流变性对混凝土面板堆石坝结构性态的影响．结果表明,虽然堆石流变性对大坝工作性态有一定影响,但对西流水面板坝而言,在考虑堆石流变性影响后,其设计方案在技术上仍是可行的．     

堆石流变性对水布垭面板堆石坝性状影响的研究

以水布垭混凝土面板堆石坝为研究对象,采用考虑堆石料流变 性的计算模型进行整体诸,分析堆石料变变形对高面面板堆石坝防渗系统的影响,结果表明,考虑堆石料流变性后,面板应力与接缝位移与常规分析所得结果有较大的差别;堆石流变性使面板坡向压应力增大,拉应力减小,使河谷部位面板轴向压力增大,两岸拉力增加;面板缝在河谷中部压紧缩值半加,两岸部位张开位移增加;周边缝错动位移进一步加大,面板坝设计中应对这些因素加以考虑。     

堆石料Wang-Wu亚塑性本构模型参数求取的改进

研究Wang-Wu提出的亚塑性模型,并指出该模型应用在堆石料时存在的不足.推导了模型参数的求取方法,建立了参数与围压之间的关系,提出了新的模型参数.通过堆石料大型侧限压缩试验、大型三轴排水试验、邓肯E-B模型和改进的沈珠江双屈服面模型,反演其他围压的试验值并进行对比验证.所得成果表明,提出的7个新参数有效地解决该模型应用到堆石体材料时遇到的确定参数的难题,有利于将该模型推广到堆石体材料工程.     

堆石坝材料参数的灵敏度分析

对堆石坝材料参数的灵敏度进行了分析,计算了堆石料的静力本构模型。通过比较,选用邓肯Ｅ－Ｂ模型的材料参数工分析,利用有限元计算找出了Ｒｆ,ｎ,ｍ,Ｋ,Ｋｂ与沉陷变形的关系。计算时采用了变化某一个参数而固定其余参数的方法,计算分析得知主要参数的敏感性。     

微生物诱导碳酸钙沉淀提高红砂岩堆石料无侧限抗压强度的试验研究

为改善红砂岩堆石料的力学性能,采用巴氏芽孢杆菌诱导碳酸钙沉淀矿化技术加固红砂岩堆石料。对不同含石量的红砂岩堆石料进行无侧限抗压强度试验,并测定土体的抗压强度指标与碳酸钙产量来表征微生物改良堆石料效果,结合扫描电镜分析微生物改良堆石料的微观结构特征。结果表明:巴氏芽孢杆菌诱导碳酸钙沉淀改善红砂岩堆石料的抗压性能效果明显,经过恒温养护10 d矿化效率最高,土样由初期黏土的黏结作用转变为碳酸钙胶结作用,养护后期土样表现出更大的脆性特征;在一定含石量范围,微生物矿化产生的碳酸钙产量与含石量和养护时间呈正相关性,且抗压强度与碳酸钙产量呈正比关系,进一步表明碳酸钙胶结作用是试样抗压强度增大的主要因素;从SEM(scanning electron microscope)图像分析,高含石量堆石料为微生物提供更大生存繁衍和活动空间,微生物矿化生成碳酸钙晶体主要附着在土体骨架粗颗粒上和填充于颗粒间的孔隙,有效加强了土体颗粒间的胶结作用并增强了土体的力学性能。     

一个非线性粘弹性本构模型及其在聚合物材料中的应用

在引用三维Stieltjes卷积形式的简化非线性粘弹性本构关系和三维本构关系的弹性回复对应原理的基础上,提出了一个新的非线性粘弹性本构模型,运用该本构模型对聚丙烯材料在不同应变率条件下的单轴拉伸和已知等幅循环应变历史两种情形的应力响应进行预报.理论计算表明,建立在弹性回复对应原理基础上的非线性粘弹性本构模型能够对聚合物一类非线性粘弹性材料的本构行为进行合理的描述.图9,参23.     

基于细观弹性接触的多相颗粒材料本构模型

在考虑了颗粒间细观弹性接触关系的基础上，使用微力学方法得到了随机堆积的多相颗粒材料非线性性本构模型的一般形式。为了说明模型的特点，本文给出了非线性弹性模型在静水压条件下和一维应变条件下的具体形式。模型清晰地反映出不同相颗粒间的接触对整体本构的贡献。与单轴粉末压实实验的对比表明模型预测与实验结果有比较好的一致性。