级配碎石塑性变形特性及其安定行为的数值模拟

应用颗粒流理论构建了级配碎石动三轴数值试验方法.通过动三轴室内试验验证了数值方法的可靠性,模拟了级配碎石在动荷载作用下的塑性变形规律.通过塑性变形累积方程探讨了级配碎石破坏临界应力与破坏临界应变.结果表明,级配碎石塑性变形数值试验结果与实际安定行为规律吻合;级配碎石的合理破坏临界应变为2.5%,在此临界应变标准下,级配碎石临界应力与围压呈现比例相关关系,比例系数为4.95;提高围压可以显著强化级配碎石的抗塑性变形性能.     

长期动载下级配碎石的塑性变形与临界应力

采用中型动三轴仪,在不同围压、不同动应力条件下,研究了级配碎石基层在长期车辆荷载作用下塑性变形的发展规律和分布状态.结果表明,在围压一定时,随着动应力的增加,级配碎石的塑性变形曲线可分为稳定型、衰减型和破坏型,3类塑性变形的分布确定了2个临界状态;临界动应力随围压线性增加,临界动应力比随围压呈对数递减,且两临界应力比在高围压下有趋同态势;级配碎石的塑性变形与动应力水平为指数关系,稳定临界和破坏临界的动应力水平分别为0.79和1.00;典型路面结构应力分析表明,标准荷载下级配碎石过渡层的应力水平为0.72~0.92,小于破坏临界应力水平,级配碎石在长期荷载作用下的塑性变形处于较稳定状态.     

级配碎石动三轴试验的数值模拟方法

为了高效、深入地研究级配碎石材料动态特性,开发了级配碎石动三轴试验的数值模拟方法.基于PFC2D构建了级配碎石动三轴试验的数值模型,通过数值模拟分析了试验条件和微力学参数对模拟结果的影响规律,提出了模拟方法的试验条件及其微力学参数标定方法.结果表明:当试件高度大于40 cm、直径大于20 cm时,试件尺寸对其轴向应变模拟值影响甚微,建议模拟试件尺寸为20 cm×40 cm;结合汽车荷载对路面作用规律,确定动载作用和作用间隔时间分别为0.2和1.8 s;失稳偏应力随围压增大而增大,轴向应变随法向刚度、切向刚度和摩擦系数的增大而减小;轴向应变与动载作用次数曲线的模拟结果与室内实测结果基本吻合,证明模拟方法是可靠的.     

循环荷载作用下剑麻纤维加筋砂残余变形及刚度变化分析

通过一系列动三轴试验,研究了循环应力水平和围压对纤维加筋砂变形与刚度的影响,分析了不同围压和应力幅值条件下,纤维加筋砂的残余轴向应变、残余体积应变以及动态杨氏模量的动态响应规律.试验结果表明:随着循环应力水平的提高,残余轴向应变的发展呈现出塑性安定、塑性蠕变与塑性破坏3种不同的机制;应力幅值越大,残余轴向应变和残余体积...     

级配碎石双轴数值试验方法及其影响因素

利用颗粒流理论建立了级配碎石(GBS)接触本构模型,同时构建了级配碎石双轴数值试验方法.分析了双轴数值试验的影响规律,并验证了双轴数值试验方法的可靠性.结果表明:采用应变率控制模式比采用位移控制模式所得数值试验结果更稳定;加载速率为0.5%·min-1、试件尺寸为Φ300mm×h600mm时,加载速率和试件尺寸对数值试验结果影响甚微;偏应力随围压的增大呈线性增大;泊松比对数值试验结果影响较小;偏应力峰值随摩擦系数与剪切模量的增大接近于线性增大.     

液压轴压作用下陶瓷的统计损伤本构模型

基于陶瓷内部缺陷分布的随机性,建立Mises破坏准则液压和轴压共同作用下陶瓷材料的损伤本构模型.利用泰勒级数将本构方程中的exp[-((ε1)/(ε*))~m]项展开,由于陶瓷的应变仅为10~(-3)量级,只取展开后的前四项,将本构方程简化.利用Al_2O_3陶瓷的准静态轴向压缩试验确定模型里面的参数,并得出与峰值应力对应的累积损伤度(即临界损伤度D_c).结果表明:模型参数少且易于确定;模型能反映围压效应,即可以体现陶瓷材料强度随液压变化的规律,可以通过不同围压下陶瓷应力—应变全曲线特征及在不同围压下峰值应力与应变确定模型参数;模型参数确定方法揭示了模型参数的物理意义;临界损伤度D_c与峰值应力一一对应,因此,D_c可以作为与强度参数类似的量表征破坏与否.     

加筋土的规格化应力特性研究

通过对加筋土的静三轴试验结果的规格化处理,得到了一系列加筋土的规格化应力同轴向应变的关系曲线.通过分析,发现在加筋土的受力过程中,存在一个加筋材料发挥作用的临界应变,其大小与围压、加筋层数、土性等因素有关,在工程实践中通过减小临界应变值来提高加筋效果.     

基于级配方程的粗粒料级配演化预测模型

为了揭示粗粒料级配随应力应变演化的规律,建立粗粒料"应力应变→破碎指标→级配分布"的数学模型(SBG模型)。首先,引入1个适用性良好的级配方程来描述土体的级配,其级配参数为b和m;同时,定义1个新的破碎指标BW,并将BW和破碎指标Bg建议为该模型所需的2个破碎指标。其次,推导并且验证BW和Bg与级配参数b和m的数学关系,实现"破碎指标→级配分布"这一目标。根据粗粒料的三轴试验结果总结三轴试样破坏时BW和Bg与围压σ3之间的关系、三轴试样在剪切过程中BW和Bg与平均正应力p和广义剪应变εs之间的关系,实现"应力应变→破碎指标"这一目标。将以上2个部分联合,即可得到"应力应变→破碎指标→级配分布"的数学模型(SBG模型)。研究结果表明:本文提出的模型可以用来描述三轴应力状态下粗粒料级配随应力应变演化的规律。     

水泥改良土力学特性试验研究

在大量动静三轴试验的基础上,研究了水泥改良土试样的应力-应变关系,掺和比及围压等影响因素,以及临界动应力、累计塑性应变、弹性应变及回弹模量的变化规律,同时,还研究了水泥土的回弹模量和动弹性应变与振动次数的变化规律.试验结果表明:水泥土的应力-应变曲线呈软化型,存在明显的应力峰值点;动应力存在一个临界值,土体的变形分为衰减型、破坏型及临界型;水泥土的临界动应力是素土的两倍以上,随掺和比的增加而增长,但增长趋势变缓.     

不同应力条件下饱和尾粉砂的静力学特性

为了得到饱和尾粉砂在高应力条件下的静力学特性,通过不排水静三轴试验分析了饱和尾粉砂在不同围压下的应力-应变规律、孔压-应变曲线的增长规律以及应力路径。结果表明：在低应力条件下孔压增长相对缓慢且土颗粒间的相对作用力较小,剪胀现象明显;当围压升高后土体被逐渐压密则表现出了应力增量引起的应变增量越来越小的现象;当围压到达一定值后表现出类似于脆性材料的破坏形式;随着围压的升高土样孔隙水压力逐渐增大;破坏时的偏主应力随着围压的增大先增大后减小;高围压和低围压的应力路径破坏线斜率相反。     

考虑粗粒土应变软化特性和剪胀性的本构模型

在传统细粒土本构模型的基础上进行了改进,建立了一个能较好地描述粗粒土应变软化特性和剪胀性的弹塑性本构模型.该模型采用双屈服面形式,克服了单屈服面模型存在的一些不足,可同时反映剪切变形和压缩变形机理.模型在应变软化特性描述方面,提出了一个利用残余状态应力比和峰值应力比的应变软化公式,较为合理地反映了粗粒土的应变软化现象.在剪胀性描述方面,考虑了状态转换应力比与初始有效围压的相关性.数值模拟结果与试验结果较为接近,表明该模型描述粗粒土在低围压和相对中高围压下的应变软化特性和剪胀性方面具有一定的优越性.     

原状黄土的剪应变速率效应及数值模拟

为探究不同剪应变速率下非饱和原状黄土的变形性状与强度特性,利用南京土壤仪器SLB-1型三轴剪切渗透试验仪器,通过不同围压、不同剪应变速率条件下的室内三轴UU试验,对非饱和原状黄土在不同初始应力状态的剪应变速率效应进行分析,并结合PLAXIS 3D数值模拟研究,以期为数值模拟室内试验提供参考从而节约时间和成本。研究结果表明:非饱和原状黄土偏应力随应变的增加前期迅速增加,随后增加缓慢,呈现出应变硬化型,硬化程度随着围压的增大而增大,模拟结果的硬化程度小于试验结果的硬化程度。在试验范围内,原状黄土偏应力-应变曲线随着剪应变速率的增加不断上移,破坏强度随剪应变速率的增加而增大,模拟结果中剪应变速率对破坏强度的影响范围小于试验结果。     

基于抗变形能力的级配碎石组成设计方法

级配碎石的主要缺陷是易产生较大的塑性变形。在分析现行级配组成设计方法的基础上,根据连续密级配碎石的加州承载比(CBR)试验和利用研制的柔性材料剪切性能测试仪进行的剪切性能试验结果,对基于抗变形能力的级配碎石组成设计方法进行了研究。结果表明:以CBR值和剪切强度为组成设计的性能控制参数,CBR值应不小于180%,剪切强度应大于0.52 MPa;以最大粒径、泰波(Taibol)级配指数n值和基于双指标控制的关键筛孔及其通过率合理变化范围作为级配控制参数,最大粒径宜为31.5 mm,要求不高时可以放宽到37.5 mm;n值控制在0.45~0.50之间,以0.50为宜;4.75、2.36、0.60、0.075 mm筛孔应作为关键筛孔予以控制;通过率应在基于双指标控制的合理变化范围内。由此提出了基于抗变形能力的级配碎石组成设计方法,通过试验路应用表明,该设计方法可以有效控制级配碎石的塑性变形。     

一种非共轴应变硬化本构模型数值应用及离心机试验验证

在土体的剪切变形过程中,当主应力方向产生旋转时,主应变增量方向与主应力方向之间存在显著的非共轴现象.同时,机动摩擦角、膨胀角随着累积塑性偏应变的增长而增加,土体具有应变硬化的特点.传统的弹塑性本构模型不能够反映上述现象对地基承载力特性的影响.为了能够对地基承载力问题进行合理的分析,建立了一种非共轴应变硬化模型,并将该模型运用到有限元计算中.通过与三轴试验和离心机模型试验结果进行对比,对该模型在数值应用中的合理性进行了验证.研究结果表明,该模型能够对不同围压下的应力-应变关系进行预测.对浅基础承载力问题进行研究时,非共轴应变硬化模型的计算结果比传统弹塑性本构模型更加接近于离心机试验结果,验证了该模型的数值应用合理性.     

软弱节理面对于岩石三轴抗压强度的影响研究

利用数值模拟软件,构建了岩石三轴抗压强度试验数值模型。基于应变软化模型,分析研究了结构面不同倾角、条数及侧限围压对于岩石试件三轴抗压强度的影响。结果表明:(1)岩石试件中所含节理面倾角不同时,岩石破坏模式不同。节理面对于岩石强度及变形的控制作用与节理面产状相关;(2)随着岩石中节理条数的逐渐增加,岩石抗压强度相应降低,但对于节理控制型岩石,其主要破坏模式仍以节理面上下部分相对滑移破坏为主;(3)随着围压强度的逐渐增加,含节理面岩石抗压强度逐渐增加,但增加幅值与节理面控制作用大小相关。     

多场耦合作用下煤层气的渗流特性与数值模拟

根据实验研究煤样在轴向应力、围压、气压、温度单一因素作用下的渗流规律.利用Ansys12.0数值模拟了单场与多场耦合作用下煤层气的渗流规律,煤体的变形、孔隙压力、渗流场的分布规律.数值模拟得出:单场作用下煤层气在煤体中的渗流规律实验与数值模拟结果基本相同;多场耦合作用下煤的渗透率与平均有效应力曲线呈负指数关系;对试件变形的影响应力场大于渗流场,轴向应力对试件的变形大于围压;围压对渗流场的影响大于轴向应力,轴向应力对孔隙压力的影响大于围压,多场作用下孔隙压力大于单场作用.多场作用下数值模拟的结果与实验研究是一致的,因此研究煤层气的渗流规律必须考虑气-固-热的同时作用.     

形成新生断裂的临界角度及其与强烈地震发生的关系

选取具有薄弱面或破裂面的细粒花岗岩块状露头标本,在实验室模拟高温高压环境条件进行测试,研究岩石产生新破裂面的受力临界角度。在温度100℃、围压100 MPa和温度200℃、围压200 MPa的环境条件下,按照与主应力夹角的不同度数变化分别进行实验。实验结果表明,当夹角α处于0°~30°时,岩石沿原破裂面稳滑;夹角α处于30°~60°时,以粘滑为主;夹角α处于60°~90°时,以新破裂面的产生为主;可能产生新破裂面的临界角度范围为50°~65°,当夹角α大于65°时,新破裂产生。对岩石出现的稳滑-粘滑-新破裂现象,通过分析切面所受应力(σ)与应变率(ε)的关系进行了解释。根据莫尔圆理论认为,复杂断裂背景下,岩石的受力角度对于新破裂面的产生将有着决定性作用,而作用力状态一定时,新破裂产生的临界角度60°是可能导致强烈地震发生的危险值。     

冻融循环条件下粗粒料变形特性试验研究

为揭示粗粒料在冻融环境与复杂应力条件下的变形特性，采用大型三轴压缩试验与蠕变试验研究了粗粒料在不同冻融循环次数、围压与应力水平下的变形特性与蠕变特性。试验结果表明，未冻融粗粒料的应力-应变曲线为应变硬化型曲线，在试验围压100～600 kPa范围内粗粒料剪切过程中均表现为剪胀性；冻融循环后初始弹性模量与破坏应力均呈下降趋势，200 kPa围压时，初始弹性模量降低20%,破坏应力降低37%,600 kPa围压时，初始弹性模量降低5%,破坏应力降低25%;冻融循环后粗粒料轴向蠕变应变随时间的发展为衰减型蠕变规律，轴向蠕变应变随冻融循环次数和应力水平的增大而逐渐增大，8次冻融循环后轴向蠕变应变明显增大；应力水平影响下的粗粒料蠕变时间曲线可采用指数函数形式表达。