非饱和土的非正交弹塑性本构模型

从应变增量大小和方向的角度出发,以有效饱和度和Bishop有效应力作为基本本构变量,呈现了一个非饱和土的非正交弹塑性本构模型建模框架.建模框架采用非正交的塑性流动法则,直接通过屈服函数确定塑性应变增量的方向,避免了构造塑性势函数的困难.基于所提建模框架,利用屈服函数、硬化参数和土水特征曲线的具体表达式,发展得出一个非饱和土的非正交弹塑性本构模型.所提模型通过材料参数μ可以描述具有不同刚度的非饱和土的力学与水力行为.模型所需材料参数均具有明确的物理意义,且可以通过室内试验确定.利用两种经典应力路径(即恒基质吸力的常规三轴剪切路径和恒净应力的吸湿路径)分析了具有不同刚度的非饱和土的力学与水力行为.模型预测结果与非饱和土试验数据的对比验证了所提模型的优越性.     

《中国科学E辑:信息科学》第35卷2005年总目次

·i·题目作者期页原位转化法制备TiO2/SiC纳米功能陶瓷膜的研究....周春华尹衍升张书香刘威11双折射消偏振薄膜设计..................齐红基洪瑞金贺洪波邵建达范正修19环路热管启动特性的实验研究.................................................................张红星林贵平丁汀邵兴国R.G.Sudakov Y.F.Maidanik117吸附制冷中CaCl2-NH3的化学吸附前驱态研究......王丽伟王如竹吴静怡王凯131标准吸湿含水率对膨胀土进行分类的理论与实践....姚海林程平杨洋吴万平143沙纹床面明渠层流稳定性特征的研究..........................…     

冻融作用对土的工程性质影响的研究进展

冻融作用是诱发寒区工程构筑物破坏与失稳的主要原因.近十年来,采用室内试验研究冻融作用对土的工程性质的影响取得了长足进步.在分析并归纳现有冻融试验方法的基础上,从冻融作用对土的结构、基本物理参数、工程力学性质等的影响及抗冻融改良措施等方面综述了该领域的研究成果,取得如下主要认识:(1)统一冻融试验方法是系统地分析冻融作用对土的工程性质影响规律的前提,也是建立土体抗冻性能数据库的基础;(2)土的粒径分布、孔隙形态以及初始含水率等三方面因素决定着冻融作用对土结构的影响程度;(3)冻融试验方法和土的初始状态是决定冻融作用对土的物理性质影响程度的主要因素,当土的物理参数处于临界状态值时,相应的物理性质将不受冻融作用影响;(4)冻融循环作用导致土的强度及模量先降低随后趋于稳定,但土的抗剪强度指标的变化规律差异较大,可从试验条件及土的初始状态存在差异等方面查找原因.融化过程中出现的"温度阈值"现象值得引起关注;(5)提高土的抗冻融性能应该从改善土的颗粒级配、孔隙形态以及初始含水率等三方面入手来筛选改性剂及改良方法.     

利用锥沉深度测定液性指数的方法

对于粘性土液性指数，传统做法是：通过测试天然含水率和液、塑限含水率，然后利用公式计算得到液性指数；本文依据液、塑限联合测定法基本理论，事先建立液性指数和锥沉深度关系曲线，在实际工作中，对符合要求的试样，通过测定锥沉深度，在关系曲线上查得相应的液性指数。     

改性秸秆膨胀床与固定床吸附去除SO_4~(2-)

含硫酸根离子(SO42-)废水可对环境造成危害,在排放之前需降低SO42-浓度.本文利用改性秸秆阴离子吸附剂制备吸附柱,分别在膨胀床和固定床操作下进行动态吸附实验,研究改性秸秆阴离子吸附柱去除SO42-的性能.结果表明,在改性秸秆膨胀床操作中,膨胀率随流速提高而线性增大;随膨胀率的增加,膨胀床去除SO42-的穿透时间缩短,柱吸附量降低,膨胀率不宜大于25%;在改性秸秆固定床操作中,随高径比的增加,吸附柱去除SO42-的穿透时间延长;而随进水SO42-浓度和流量的增加,床层工作时间显著缩短;在实验流量下,膨胀床的处理效果略优于固定床.SO42-解吸实验表明,0.1 mol/L NaOH溶液解吸效果最佳,是合适的吸附柱再生液.     

养护温度对微膨胀复合胶凝材料性能的影响

研究了养护温度对微膨胀复合胶凝材料膨胀效能、强度、水化程度及微观构影响.果表明：标准养护条件下（20℃）,晶状钙矾石基本都生长在孔缝中,对膨胀贡献较小,凝胶颗粒状钙矾石对膨胀贡献更大;提高养护温度（40℃）能够促进膨胀剂水化,但发展更快强度限制了膨胀发展,凝胶或微晶状钙矾石对孔隙填充使中等养护温度硬化胶凝材料浆体最为密实;更高养护温度时（60℃）,硬化浆体内部生成了大量粗棒状钙矾石晶体,导致其在水化早期即产生过大膨胀,持续高温高湿环境使少量钙矾石发生分,致使后期限制膨胀率有所降低.适度膨胀对硬化浆体孔构是有益,能够使大孔明显减少,但过大膨胀会对孔构造成不利影响,大孔数量偏多.     

考虑时间效应的UH模型

分析时间对土的效应,在对现有理论和试验数据总结分析的基础上提出了瞬时正常压缩线的概念;基于蠕变规律,建立老化时间与超固结度的关系;采用UH模型(以统一硬化(United Hardening)参数作为硬化参量建立的三维超固结土弹塑性本构模型)的再加载公式计算瞬时变形,提出超固结土一维弹黏塑性应力应变关系;分析一维弹黏塑性应力应变关系的演化规律,定义特征速率并给出其与超固结参数的关系;在UH模型屈服面方程中引入折算时间,建立三维弹黏塑性本构模型.该模型在UH模型的基础上考虑时间效应,不仅能够描述土的剪切蠕变、松弛、速率效应等黏性规律,而且能够反映土的剪胀、软化等超固结性质;与修正剑桥模型相比,仅增加一个次固结系数来反映土的蠕变规律;该模型在瞬时加载条件下退化为UH模型,从而使弹塑性与弹黏塑性框架得到统一.     

湖南益阳陶粒页岩烧成制度的确定

以湖南益阳某矿山的页岩为研究对象,在地质调查基础上,通过XRD分析、TG-DSC分析确定了页岩陶粒的基本特征;用高温润湿角测定仪、箱式电炉确定了陶粒页岩的发生膨胀的温度范围;分析了保温时间、升温速率等因素对陶粒页岩膨胀的影响;获得了该页岩理想的烧成制度.在实验室研究的基础上组织了两次工业级中试试验,获得了各项指标均达到GBT17431.2-2010标准要求的页岩陶粒产品.     

蛭石膨胀工艺研究进展

膨胀蛭石是一种优良的保温耐火、吸音隔热、耐冻蚀的环保节能材料,应用领域十分广泛.我国蛭石矿产资源丰富,但开发利用与国外相比存在着产品品种少、膨胀工艺简单、细粒蛭石的利用率低等问题.传统的蛭石膨胀工艺是燃料加热法和电加热法,随着蛭石膨胀工艺发展,目前主要还有微波膨胀和化学膨胀等方法.通过对蛭石膨胀工艺的深入研究,可进一步促进蛭石环保节能材料的开发与应用.     

基于实测资料的外掺MgO微膨胀混凝土变形性态研究

外掺MgO混凝土产生的延迟性微膨胀能够补偿混凝土在温降过程中产生的收缩变形,从而防止或减少混凝土产生裂缝.本文通过对向家坝水电站导流底孔外掺氧化镁混凝土的室内试验和现场监测成果进行对比分析,探讨了外掺MgO与未掺MgO,同类混凝土中掺量不同对混凝土变形特性的影响.     

土石坝渗透破坏溃决机理及数值模拟

提出了一个能正确反映土石坝渗透破坏溃决机理,合理描述土石坝从渗透通道发展坝体坍塌和漫顶溃决全过程数值模拟方法.该方法通过分析土体颗粒在渗透通道中受力情况,出了渗透破坏发生时临界起动流速;分别建议了可合理反映筑坝材料颗粒级配、密度、强度、渗透通道倾角和坝坡、摩阻流速水流速度对冲量影响计算渗透通道扩展大坝漫顶溃决后溃口发展过程坝体冲公式.应用该方法对两座因渗透破坏溃决典型土石坝溃坝过程进行了反馈计算分析,计算出溃口发展规律、溃口流量过程与溃坝洪峰流量值与测结果接近,验证了其合理性.该方法可用于土石坝渗透破坏溃决致灾后果评估和溃坝防洪应预案制定.     

考虑偏平面屈服特性的三维耗散应力空间

天然沉积土大多处于复杂三维应力状态．建立岩土材料三维本构模型的方法（三维化方法）应满足热力学定律这一基本物理规律．本文通过引入与塑性剪应变相应的迁移应力,使基于耗散能增量函数建立的岩土材料本构模型能合理地描述偏平面的三维屈服特性．同时,给出了耗散应力空间应力张量与真实应力张量之间的关系表达式,使本构模型能在三维耗散应力空间中采用相关联的流动法则计算不同应力方向的塑性应变．其次,在热力学框架下对比分析了常见三维化方法的热力学本质,如直接引入强度准则的方法、g（θ）方法和变换应力方法等．说明了三维耗散应力空间与变换应力空间的等价性,验证了变换应力方法在热力学框架下的合理性,同时指出直接引入强度准则的方法和g（θ）方法的不合理之处．最后,通过模型预测值与试验值的比较,验证了建立的三维耗散应力空间及其等价的变换应力空间的适用性．     

不同阳离子基蒙脱石吸附水分子的分子动力学模拟分析

利用分子力学和分子动力学方法,在Materials Studio软件中建立锂-、钠-、钾-、钙-蒙脱石模型,吸附1632,48,64,80,96个水分子后,进行几何优化得到最佳构型,分析了结构的几何优化对系统能量变化的影响.进一步开展分子动力学模拟,研究4种不同层间阳离子对蒙脱石吸水膨胀性能的影响.优化后阳离子向类质同象代换位置靠近,最初的规则排列结构改变,优化后分子结构的能量也发生较大的变化,系统的能量减小,键能和非键能均减小,键能减少约占减少总能量的56%.二面角扭转能稍有增大,结构的扭曲增加,键伸缩能下降约90%.分子动力学模拟的数据结果表明随着水分子含量的增大,蒙脱石体积和层间距呈阶梯状增大,密度呈阶梯状减小,结合锂-、钠-、钾-、钙-蒙脱石吸附模型中水分子浓度图谱分析,得到蒙脱石吸附的水分子能够在晶层间形成一层、二层、三层水分子层分布的形式.测出锂-、钠-、钾-、钙-蒙脱石吸附16～96个水分子的吸附模型的多个径向分布函数,模拟结果表明,不同层间阳离子中,Li~+更易水化,Na~+次之,K~+和Ca~(2+)不易水化,层间阳离子种类对蒙脱石吸附水分子的影响不同.测出锂-、钠-、钾-、钙-蒙脱石一层、二层、三层水分子吸附模型中阳离子和水分子的均方位移曲线,用最小二乘法拟合直线,确定自扩散系数,对比文献中的研究成果,分析表明阳离子种类以及模拟方法、势能函数、模拟温度等外部条件对层间阳离子和水分子的扩散均有影响.分子动力学模拟结果揭示了化学试剂改良加固膨胀土的机理.     

均质土坝坝体材料冲蚀特性试验研究

土石坝坝体冲蚀特性直接关系到坝体是否溃决,何时溃决,是土石坝溃坝研究的核心难题.本文通过物理模型试验,对不同坝体土料冲蚀特性进行研究.基于大量试验研究,分析了土料干密度、净切应力、冲刷系数、泥沙指数等与土体冲蚀特性的关系.提出泥沙指数宜依据土料冲蚀速率和净切应力确定,而不宜设为定值1(黏性土)或者1.5(非黏性土);冲刷系数与泥沙指数呈现明确的对数关系;起动切应力对土料冲蚀速率影响权重较大;利用泥沙指数变量,可以有效地区分坝体土料的抗冲蚀能力,并评估坝体抗溃决能力.     

超塑性自由胀形精确加载实验测量装置

超塑性合金的结构敏感性很强,板材超塑性充模胀形的变形规律,不仅与应力状态有关,而且与加载路径有密切关系．超塑性自由胀形边界固定不受摩擦影响,因此,研究超塑性自由胀形的变形规律及其实验装置,是超塑性充模胀形成形的重要基础．采用纯净高压氩气源并用炉外加热系统加热后作为高温高压胀形加载介质,提高了热效率和试件加热的均匀性;采用光电转换非接触测量装置,避免了接触式顶杆对自由胀形件极点处附加应力和温度不均匀的影响;以筒形压边绝热炉内试件的温度和压力为依据,反馈调控温度和压力,提高了试件温度和压力的测控精度;在加载气路中通过准确测控步进电机转角实现调压,并控制电磁阀加载,显著增加了调控气压的响应特性．同时介绍了恒压加载、压力跃变加载以及附加背压的对向差压加载等几种自由胀形典型加载路径的实现步骤和方法,提供了测量超塑性自由胀形应变速率敏感性指数m值和探索提高超塑性自由胀形变形速度的新途径．     

基于Hvorslev面的超固结土本构模型

基于Hvorslev面、当前屈服面和参考屈服面之间的相互关系, 提出潜在强度的概念, 并将其与特征状态应力比一起引入到统一硬化参数中来建立超固结土的本构模型. 所提出的模型能够反映超固结土的硬化、软化、临界状态、剪缩和剪胀等应力应变特性以及应力路径对它的影响, 此超固结土模型仅比剑桥模型增加了一个材料参数, 即Hvorslev面的切线斜率. 通过Fujinomori粘土的常规三轴排水试验结果证明了基于Hvorslev面的超固结土模型能够合理地描述超固结土的基本力学特性, 同时还预测了等向压缩条件的应力应变关系和不排水三轴试验条件下的应力路径.     

考虑温度影响的UH模型

首先分析了温度对饱和粘土力学特性的影响规律,基于真强度概念并结合潜在强度的确定方法推导出不同温度下饱和粘土临界状态应力比的理论计算公式;随之将温度作为变量引入到姚仰平等人提出的UH模型（采用统一硬化（Unified Hardening）参数建立的三维超固结土弹塑性本构模型）中,建立了能够考虑温度影响的UH模型;并根据姚仰平等人提出的变换应力方法,将模型简单地三维化.该模型继承并发展了UH模型,不仅能够描述某一恒温下超固结土的硬化、软化、剪胀等应力应变特性,而且能够反映由于升温引起的体积变化特性.与修正剑桥模型相比,所提出的模型仅增加了一个参数来反映粘土的前期固结压力随温度升高而降低的特性.在常温时此模型就退化成原始的UH模型,而在常温且无超固结时就退化为修正剑桥模型.模型的温度适用范围为介于孔隙水熔点与沸点之间的温度（例如本文所采用试验所涉及的介于适用范围内的温度20℃~95℃）.通过与已有的试验结果对比分析表明,模型能够较为合理地描述超固结土的基本力学特性.     

基于不可逆热力学的黏塑性统一本构模型

以不可逆热力学理论为基础, 选定了包含反映材料运动硬化和等向硬化行为的参量的 Helmholtz自由能函数, 同时, 构造了具有相应内变量的非关联流动势函数, 推导出流动方程以及内变量演化方程, 构建出金属材料的黏塑性统一本构模型, 提出构建黏塑性统一本构模型完整的较一般的理论框架. 与传统的唯象法模型相比, 提出的模型具有满足不可逆热力学基本规律的优点. 本方法不仅为黏塑性统一本构模型进一步的发展奠定了理论基础, 还为其应用于更广泛材料的本构分析提供了理论框架.     

膜生物反应器(MBR)在污泥膨胀情况下的运行状况分析

在膜生物反应器处理盥洗废水的工程实践中,由于进水中缺乏氮元素而常发生污泥的非丝状菌膨胀,对反应器的稳定运行产生了很大的影响.本文利用正交试验方法,针对污泥非丝状菌膨胀情况下膜生物反应器的运行状况进行了分析比较.     

非饱和土中功的表述以及有效应力与相分离原理的讨论

基于多相孔隙介质理论的质量、线动量、能量平衡方程和非饱和土力学的假定，推导出总变形功W的一种表达式。在总变形功的具体方程基础上给出了建议与土骨架位移在功上对偶的有效应力表达式．它和Wheeler（2003年）以及其他一些研究者根据直觉和经验给出的有效应力具有相同的形式，但本文给出的有效应力是从多相孔隙介质理论的基本原理出发，经推演而得到的，具有坚实的理论基础和科学依据。文中根据总变形功的具体表达式，指出非饱和土的物理力学性质复杂，其影响因素较多，其固体骨架的变形不可能像饱和土那样由有效应力唯一确定。另外，利用总变形功的表达式以及各相自由能A^a的关系式，论证并得出了Passman（1984年）给出的相分离原理不严格适用于非饱和土的结论。