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.     

宏细观结合各向异性砂土的变形特性模拟

采用宏细观结合的方法建立本构模型对各向异性砂土的变形特性进行模拟.该方法用组构张量定义了一新的各向异性状态变量,考虑该变量对临界状态线的影响建立各向异性模型.引入状态变量后,模型的临界状态面和其他状态面都随各向异性程度的不同而偏离静水压力轴,临界状态方程、硬化准则和剪胀方程都是孔隙比、围压、加载模式和各向异性变量的函数,模型用一组参数可以描述不同围压和密度的砂土各向异性强度-变形的力学响应.通过对各向异性砂的强度和含细观特性分析的试验变形模拟,初步验证了模型的合理性.     

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.     

基于SFG模型的非饱和沉积土本构模型

为使修正后的模型能够更好地反映非饱和沉积土的持水和力学性质,对SFG (ShengFredlund-Gens)模型进行修正.用平均骨架应力代替净应力作应力状态变量,考虑饱和度对非饱和土变形的影响.通过分析泥浆固结土(沉积土)在等吸力条件下等向压缩和三轴压缩试验数据,得出饱和度和孔隙比的关系,并把变形考虑到持水曲线模型中.由修正后的体变方程以及持水曲线方程推导出加载湿陷屈服面方程,在修正剑桥模型基础上推导出三轴应力状态下的本构方程,并采用能统一描述剪缩剪胀性的硬化参数.基于同一模型参数,模型可以统一预测吸力控制下各向等压和三轴剪切路径下非饱和沉积土的持水和力学特性.     

基于变形元件的节理岩体三轴压缩损伤本构模型

基于岩体结构力学观点,将岩体看作是由岩块和结构面组成的复合体,分别采用基于统计损伤模型的弹性损伤变形元件和考虑结构面闭合及滑动的变形元件描述岩块和结构面在压缩荷载作用下的变形规律,进而建立相应的节理岩体压缩损伤本构模型。其次,针对上述损伤本构模型中最大拉应变破坏准则不适合于描述三向受力状态下岩石破坏的不足,基于Mises屈服准则推导出三向应力状态下的最大主应变与围压之间的关系,进而将该模型推广至三维情形。最后,通过算例对该模型的合理性进行验证。研究结果表明:该模型能够较好地反映围压对节理岩体试件强度及变形的影响规律,即随着围压增加,节理岩体试样峰值强度增加,而试样破坏时的最终应变减小。     

岩石在不同应力条件下的本构模型与损伤演化

目的建立反映岩石破裂过程的本构关系,解决由于其天然的复杂形态和赋存条件的多样性而导致的复杂破坏特性问题.方法借助连续损伤理论和Weibull统计分布函数,针对岩石不同应力条件下的变形特征分别建立本构模型,并通过引入损伤因子导出损伤演化方程.结果岩石在受到单轴应力以及三轴应力时所得到的本构方程在原理上是一致的,区别在于在受到三轴应力时需考虑围压的影响.随着轴向应变的增大,岩石要经历微型隙压密阶段、弹性变形阶段、塑性屈服阶段和破坏阶段.在三轴应力试验中,随着围压的增大,上述阶段会变得缓慢.结论岩石的应力应变曲线实质上是以裂纹为主的变形破坏过程,是损伤变量趋于1的发展历程.围压增大抑制了岩石中微裂纹的扩张,说明围压会改变岩石的受力状态,宏观上表现为岩石平均强度的增大.经参考试验结果验证,所建立的模型合理可行.     

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.     

非饱和黏土冻结过程中水热变化特性模型试验研究

为研究正冻土水热变化特性,对非饱和黏土进行单向冻结模型实验。结果表明:土在冻结温度附近降温速率最小、持续时间较长;靠近上表面土层降温快,较其下层土提前进入冻结;且冻结历时短;靠近顶面的测点温度曲线重合度不如其下层,可能是受外界次要因素干扰,深层土壤受此影响较小;正冻土温度分布曲线沿深度大致分为两段,冻结区线段斜率大于未冻结区,随冻结时间增长,非冻结区线段斜率先增大后减小,最终两段折线趋近为一段斜直线,此时温度沿模型高度呈直线形分布;未冻水含量变化拐点大致在冻结锋面处,距冻结锋面越近,吸力越大,水分迁移量越大,随冻结时间的增长,非冻结区水分迁移速度变大;未冻区土水势梯度最小,正冻区及冻结区土水势梯度大小关系并不明确;未冻水含量变化与温度变化一致,未冻水含量变化分为三个阶段:缓慢下降阶段、快速下降阶段、指数下降阶段。     

考虑残余变形影响的混凝土疲劳损伤本构模型

从分析混凝土材料的基本损伤机制出发,考虑疲劳荷载作用下混凝土的损伤累积和残余变形,推导了由Helmholtz自由能表示的混凝土本构方程,根据变分原理建立了基于能量的混凝土疲劳损伤本构模型.并根据疲劳过程中残余变形的发展规律,定义了物理意义明确的残余变形影响因子,并将其与混凝土变形模量损伤因子一同融入混凝土疲劳损伤本构模型中,为混凝土疲劳行为的计算机分析提供了一种更为精确、简化的混凝土疲劳本构模型.试验数据和数值算例的对比误差不超过3%,从而验证了该模型的准确性与适用性.     

形状记忆聚合物的宏观力学本构模型

建立有效描述形状记忆聚合物（Shape Memory Polymer,SMP）的热力学行为、且便于工程应用的宏观力学本构模型具有理论和工程意义.在前期研究的基础上,应用固体力学和热黏弹性理论建立了描述复杂应力状态下SMP在实现形状记忆效应热力学过程中,即在高温变形过程、应力冻结过程、低温卸载过程和形状恢复过程中热力学行为的宏观力学三维本构方程.利用DMA实验结果,建立了描述SMP在玻璃体转化过程中,材料参数和温度间关系的材料参数方程.应用所建立的力学本构方程和材料参数方程,数值模拟了SMP的高温变形过程、应力冻结过程、低温卸载过程和形状恢复过程,并分析了加载率和温度变化率对SMP热力学行为的影响.数值模拟结果和与现存SMP力学本构方程和材料参数方程的对比表明,本文建立的由力学本构方程和材料参数方程构成的SMP宏观力学三维本构模型,能有效地描述SMP的热力学行为,可为SMP的工程应用提供理论基础.     

基于差示扫描量热法的哈尔滨黏土未冻水含量特性

为研究哈尔滨黏土在低温条件下冻土中未冻水含量特性,通过差式扫描量热法(differential scanning calorimetry, DSC)研究了不同初始含水量的哈尔滨本地黏土、高岭土和蒙脱土在冻结过程中的未冻水含量变化,并结合微观角度的扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)实验、中观角度的液塑限实验对不同黏土颗粒土质以及哈尔滨黏土粒度进行实验研究。结果表明,温度因素对于未冻水含量变化的影响最为显著,可将未冻水含量的变化过程依据节点温度分为3个典型阶段,分别为恒定不变段、剧烈下降段和缓慢降低段。初始含水量主要影响冻结过程第二阶段,初始含水量越高,第二阶段冻结的水量越多。土质不同,其未冻水变化曲线不同。粒度分布主要影响冻结过程的第三阶段,粒径越小,等效微小孔隙越多,第三阶段未冻水含量变化相对更剧烈。可见哈尔滨黏土的冻结过程中的未冻水含量特性除了与初始含水量和温度有着密切联系,同时也受到土体的土质、粒度的影响。     

土冻结过程中水热变化特性的模型试验研究

为研究正冻土水热变化特征及它们之间联系,对非饱和黏土进行单向冻结模型实验,结果表明：土在冻结温度附近降温速率最小,持续时间较长;靠近表面土降温快,较其下部土提前进入冻结,且冻结历时短;靠近顶面的测点温度曲线重合度不如其下层,可能因为受外界次要因素干扰时深层土壤受影响小;正冻土温度分布大致分为两段,冻结区线段斜率大于未冻区,随冻结时间增加,非冻结险段线段斜率会先增大后减小,最终两段线变为一段线,此时温度沿土柱高度线形分布;未冻水含量变化拐点大致在冻结锋面处,距冻结锋面越近,吸力越大,水分迁移量越大,随冻结时间的增加,非冻结区水分迁移速度变大;未冻区土水势梯度最小,正冻区及冻结区土水势梯度大小关系并不明确;未冻水含量变化与温度变化一致,未冻水含量变化分为三个阶段：缓慢下降阶段、快速下降阶段、指数下降阶段。     

混凝土冻融损伤后双轴受力下的脆弹性损伤本构模型

针对普通混凝土受冻融循环损伤作用后,其力学行为不仅依赖于混凝土基体的行为,而且与冻融循环次数有关的特性,以冻融循环作用后混凝土试件在双轴压加载条件下的应力-应变关系曲线为研究对象,考虑到混凝土主压向应变会受到次压向有效应力影响的特点,建立了基于损伤力学理论和热力学原理,并考虑了双轴压应力比影响的普通混凝土双轴压损伤本构模型,与冻融循环作用后普通混凝土在双轴压加载条件下测得的应力-应变关系的试验曲线进行了对比分析.研究结果表明:所建立的普通混凝土双轴压损伤本构模型,可以较好地描述冻融循环作用后普通混凝土在双轴压加载条件下的本构关系.     

基于三剪屈服准则的材料弹塑性统一本构方程

为了改进双剪统一强度理论公式的分段表达,克服双剪统一弹塑性本构模型在θ=θb点上的双重滑移角现象,考虑十二面体单元上所有三个主剪应力共同作用的三剪屈服准则建立了材料的弹塑性统一本构方程,该弹塑性统一本构方程适合于服从Tresca屈服准则到Von Mises屈服准则的全部材料.     

有机固化剂作用下重金属污染土的力学体变特性

在低围压90、120、240 k Pa和相对中高围压600、900、1 200 k Pa的条件下,对原状土、重金属污染土与添加有机固化剂(环氧固化剂1.5%、环氧固化促进剂2.6%、稀释剂1.0%)的重金属污染土试样进行了三轴固结排水剪切对比试验,并绘制了3种土样的力学体变特性曲线.试验结果表明:添加有机固化剂能显著提高重金属污染土的强度,有效改善重金属污染土在低围压作用条件下体胀、中高围压下作用下体缩的力学特性.根据Pietruszczak硬化准则建立了重金属污染土的双屈服面体变本构模型,该模型克服了传统单曲面模型不能描述污染土体变临界状态的缺陷,较为合理地反映了重金属污染土的体变过程.     

黄土湿陷变形本构关系研究

根据黄土湿陷变形的结构性原理,分析了湿陷变形的塑性特性,引用增湿软化模型ZSM体作为增湿变形的力学模型,应用常规三轴浸水试验研究了不同的应力状态下湿陷性黄土在水和力共同作用下的湿陷变形特性,将增湿含水量作为内应力考虑,并由试验拟台得出湿陷体积屈服面和剪切屈服面,基于广义塑性力学原理建立了湿陷变形的增量本构模型,该模型考虑了湿陷变形中的湿陷体积变形和湿陷剪切变形以及球应力和偏应力对湿陷体积变形和湿陷剪切变形的交叉影响,反映了黄土湿陷变形的特性。     

等围压约束下超高性能混凝土本构模型

基于损伤力学进行超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC)在围压约束下本构模型的推导,并建立其损伤演化方程;采用UHPC三轴压试验结果对该本构模型进行检验,得到不同围压下UHPC损伤演化曲线.推导的UHPC损伤本构模型,可很好模拟其应力-应变曲线.从损伤整个演变过程可看出, UHPC总损伤劣化程度随着围压提高不断降低,表明围压抑制了损伤的发展并改善UHPC受力状态,使其宏观平均强度增大;与此同时,累积损伤随应变增长趋势减缓, UHPC延性得到增强.     

基于嵌套思路的饱和孔隙-裂隙介质本构理论

为了指导本构建模工作,需要建立饱和孔隙-裂隙介质的一般本构理论框架.首先,从混合物理论和嵌套思路出发,获得饱和孔隙-裂隙介质的能量平衡方程.其次,根据热力学功共轭特性确定了饱和孔隙-裂隙介质本构方程的应变状态变量和应力状态变量.再次,根据热力学局部平衡假定,获得饱和孔隙-裂隙介质的自由能势函数一般本构方程.最后,从一般自由能势函数本构方程出发,获得孔隙骨架和裂隙骨架变形相互耦合的各向同性线弹性方程.当孔隙骨架和裂隙骨架变形解耦时,该方程能够退化到Khalili线弹性方程.研究表明,在小应变情况下固相应变可分解为裂隙骨架应变、孔隙骨架应变与固相材料体应变之和;当混合物均匀化响应原理成立和流相材料本构模型与单相一致时,裂隙骨架应变、孔隙骨架应变、固相材料体应变、裂隙流相材料体应变和孔隙流相材料体应变分别唯一决定裂隙介质有效应力、孔隙介质有效应力、固相材料真实压力、裂隙孔压和孔隙孔压;当自由能函数是状态变量的二次函数时,可获得线弹性本构模型.     

岩石变形全过程冻融损伤模型及其参数

寒区岩石受到荷载及冻融循环的作用,考虑岩石微元破坏的特点,将其简化为冻融损伤、受荷损伤及未损伤3部分组成。基于损伤力学理论,通过探讨冻融损伤变量、受荷损伤变量以及总损伤变量之间的关系,假定岩石微元破坏符合D-P准则,建立冻融与荷载作用下考虑残余强度的岩石损伤本构模型,并由冻融砂岩力学特性试验验证其合理性;在此基础上探讨了模型参数对岩石损伤本构关系的影响。结果表明:不同冻融次数及围压作用下的模型理论曲线与试验曲线较为吻合,较好地描述了岩石变形的全过程;模型参数对岩石损伤前及破坏后残余段的应力应变曲线几乎没有影响,但对损伤阶段的影响较大。研究成果将会对寒区岩石损伤演化认知具有较好的参考价值。     

水平冻结法施工超大断面隧道的技术研究与应用

人工冻结法施工技术在一些困难地层、复杂地下结构施工中得到了广泛的应用,与其他工法相比,具有很多独特优点和可靠性。以广州地铁六号线大坦沙站方向与车站对接段隧道加固为工程背景,针对超大断面和复杂的条件,提出采用人工冻结法施工。首先基于热力学原理,推导了岩土冻结过程的水热力耦合控制微分方程组,并采用有限元软件对水平冻结过程进行了数值模拟,优化了设计参数。结果表明:积极冻结45天时有效冻结壁平均温度、有效冻结壁厚度、开挖产生最大变形均满足设计要求,最大变形位于冻土底板中间位置;表明采用的人工冻土双屈服面本构模型及水热力耦合控制方程是可行的。同时根据本工程特点,提出了施工技术难点与控制要点,保证了工程顺利实施,研究结果具有一定的实用价值。