高速公路加筋土体的滑移变形过程模拟

首先分析了加筋土颗粒接触面处的单元剪切刚度矩阵,并考虑土体剪切破坏的应力特点,引入莫尔库伦强度准则对加筋土体的微元强度进行度量,从而建立了模拟加筋土体滑移变形过程的统计损伤本构模型.在此基础上,进而提出一种较完备的,且参数少、物理意义明确的模型参数确定方法.最后,通过与常规直剪试验曲线的对比分析,发现该模型能够模拟加筋土体的滑移变形特性,并进而探讨了土体抗剪强度随法向应力的变化规律,从而验证了模型的合理性.     

考虑土体变形与界面剪切耦合作用锚杆拉拔响应

针对土层锚杆在拉拔荷载作用下的轴向变形问题,考虑锚杆周边土体变形与锚-土界面剪切的耦合作用,建立了表征锚杆锚固体荷载传递机理的有限差分物理模型。通过数值编程求解该模型,获得了不同拉拔荷载水平下的锚杆轴向变形和土体剪切变形的解答,从而明确了锚固体在拉拔过程中荷载变形曲线和沿杆体长度方向的轴力分布规律。方法与荷载传递方法和剪切位移法等对某实际工程中灌浆锚杆案例进行分析,将各方法所获解答与实测数据进行了对比分析。结果表明:考虑土体变形与界面剪切耦合的模型可以获得与实测数据更为吻合的荷载位移曲线和轴力分布,验证了该模型的优越性和准确性。     

土-结构接触面剪切全过程本构关系研究

结合室内直剪试验分析土与结构接触面的本构关系,研究不同法向应力条件下接触面的变形特征和应力路径,并构建反映土-结构接触面本构关系的数学模型.试验结果表明:法向应力和界面粗糙度是影响接触面剪切特性的主要因素.界限法向应力的存在使得剪切破坏模式发生转变,其数值与接触面的粗糙度和土体的相关剪切属性有关.此外对接触面统计损伤本构模型进行改进,在忽略接触面厚度参数的基础上,结合剪切过程中的“三阶段”模式,提出了考虑接触面剪切全过程的统计损伤改进模型,并通过试验数据验证其正确性.该模型可以反映一定法向应力情况下土-结构接触面周围的整体变形量.     

结构性黄土的修正Duncan-Chang模型

为了实现原状湿陷性黄土结构性与其本构模型研究的统一,解决软化型应力-应变曲线的切线刚度矩阵正定性问题,通过研究原状结构性黄土在不同含水率和固结围压条件下由增湿、固结作用和剪切变形引起的结构性损伤规律,建立可以反映结构性变化的修正非线性Duncan-Chang模型.该模型考虑了增湿和加荷对土体结构的损伤破坏,把含水率作为一个重要的变量,用一族具有相同初始切线模量和不同极限强度的双曲线来求取当前应变状态处的切线模量,能够统一描述结构性黄土的应变软化和硬化型应力-应变关系曲线,形成解决原状湿陷性黄土增湿和应力耦合条件下变形及强度计算问题的新方法.     

脆性统计损伤模型在岩土工程中的应用研究

采用脆性破坏统计理论研究结构性土体的损伤性质,提出了应用土体强度关于Weibull分布的分析方法得到了结构性土体的宏观损伤演化方程和本构模型．根据损伤容限定义了稳定安全系数．开挖与加载均质土坡稳定性的计算反映出牵引式滑动与推移式滑动的失稳机理．     

豫南燕山期花岗岩蠕变特性及非线性蠕变损伤模型

豫南信阳地区燕山期高钾钙碱性 I型花岗岩分布广泛,岩石性质对深埋地下洞室围岩开挖及支护设计具有重要影响。以豫南某大型水电站地下厂房区花岗岩为研究对象,在对其地质分布情况及矿物成分调查测试基础上,进行三轴压缩蠕变试验,揭示了围岩蠕变特性及加载过程中的损伤演化性质,采用等时曲线法进行花岗岩蠕变长期强度分析。考虑蠕变过程中岩石发生的损伤累积,建立变黏性系数的黏壶元件,并代替传统西原正夫模型中Newton黏壶,构建了能够描述加速蠕变阶段的蠕变损伤模型。研究结果表明：在整个蠕变过程中,花岗岩的总变形量以瞬时弹性变形为主,最终的蠕变破坏表现出脆性剪切破坏的特征;围压对剪切裂缝的扩展具有主要抑制作用;长期强度随围压增大而减小,与常规三轴试验结果相比,长期强度分别下降6.37%和21.0%;采用Levenberg-Marquardt优化算法+通用全局优化算法对非线性蠕变损伤模型进行参数辨识及拟合,理论值与试验值吻合较好,验证了非线性蠕变损伤模型对于岩石全过程蠕变特征描述的合理性及适用性。研究成果对保障豫南燕山期花岗岩地区的工程建设优化设计和安全建设具有重要意义。     

层状岩石单轴压缩损伤本构模型研究

为揭示层状岩石在单轴压缩条件下的损伤演化机理,将横观各向同性体的柯西转轴方程和随机损伤理论结合,建立考虑荷载损伤的层状岩石损伤本构模型;通过不同层理倾角炭质千枚岩的单轴压缩试验,验证模型的合理性和准确性,并从细观图像、力学参数、破坏模式和损伤演化等角度讨论炭质千枚岩的各向异性特征.研究结果表明:所建模型的理论曲线与试验数据曲线基本相符,能够较好地反映和预测单轴加载条件下层状岩石的非线性力学行为;炭质千枚岩的各向异性显著,在层理倾角从0°～90°变化的过程中,强度、峰值应变和泊松比先减小后增大,弹性模量逐渐增大,并依次产生张剪复合破坏、剪切滑移破坏和劈裂张拉破坏等三种破坏类型;不同层理倾角岩样的损伤演化规律基本相同,损伤演化曲线均经历了缓慢上升、快速上升和趋于稳定等3个阶段,损伤演化率曲线均服从正态分布,但损伤发展速率各不相同,进而改变了材料的力学性能.这将为层状岩体受荷损伤计算、各向异性研究、围岩稳定性分析和岩层掘进施工等提供理论依据和技术参考.     

基于统计损伤理论的混凝土双轴拉-压本构模型研究

基于细观统计损伤理论及宏观试验现象,本文建立了混凝土双轴拉-压细观统计损伤本构模型.该模型考虑断裂、屈服两种细观拉损伤模式,损伤演化过程由主方向的拉、压应变驱动.将单轴拉伸、单轴压缩作为两种最基本的宏观破坏形式,复杂应力状态下的损伤破坏过程理解为单轴拉伸、压缩损伤演化过程的某种组合形式.引入等效传递拉损伤应变和损伤影响参数,建立宏观拉、压破坏模式对应细观损伤机制之间的等效关系.通过与试验结果比较,表明该模型能够很好地模拟双轴拉-压加载情况下材料均匀损伤阶段的力学行为.对双轴拉-压比例加载路径下应力-应变曲线进行预测,提取出双轴拉压强度包络线,从双轴强度、变形特性、破坏形态等角度对材料的双轴拉-压损伤机制进行探讨.     

再生骨料替代率对混凝土单轴压缩力学性能的影响

针对设计水灰比为0.66的再生骨料混凝土开展单轴压缩试验,获得5种骨料替代率对应应力-应变全曲线,以此研究替代率对再生混凝土强度和变形性能的影响.结合统计损伤理论,考虑材料细观非均质性,探讨骨料替代率对再生混凝土细观损伤演化机制的影响.结果表明,再生骨料替代率对混凝土宏观应力-应变行为影响显著,随着替代率的增大,峰值应力先减小后增大,峰值应变单调增长;整个变形过程呈现出分布式损伤和局部破坏两阶段特征.利用统计损伤模型能够定量分析出再生混凝土细观损伤演化过程,考虑断裂和屈服两类损伤模式.随着再生骨料替代率的增大,表征细观损伤非均质演化过程的特征参数呈现出明显规律性的变化,与内部化学物理机理、宏观非线性应力-应变行为之间表现出良好的一致性.屈服损伤模式在整个过程中起到关键的作用.     

煤层冲击倾向性评价的新指标体系

基于煤岩微元强度的韦伯分布假设和连续介质损伤力学理论,建立单轴压缩下考虑残余强度的损伤统计本构模型,修正了动态损伤应变计算式,结合损伤因子、损伤速率和损伤加速度研究了煤样的损伤演化规律和煤层冲击倾向性的评价指标,并利用最小二乘法对实验数据进行反演得到反映实验曲线的本构方程,且验证了其正确性。结果表明:考虑残余强度的损伤统计本构模型能较好地反映煤岩峰值强度后的应力-应变曲线的变化趋势和残余强度特征点,并可得到损伤速率的最大值;修正后的动态损伤应变在间接表征冲击倾向性实验的动态破坏时间时可不再受加载方式的限制;提出的盈余能指数变化率指标可综合衡量盈余能、峰后破坏过程损耗的应变能、动态破坏时间的变化情况,衡量煤层冲击倾向性;以最大损伤速率、修正后的动态损伤应变和盈余能指数变化率构成的指标体系可作为评价煤层冲击倾向性的新方法。     

含水率波动状态下公明公路路基土劣化微观机理与本构模型

通过固结排水三轴剪切试验、压汞试验和电镜扫描试验探究含水率波动对公明公路路基土力学特性的影响与其劣化微观机理,基于邓肯-张模型提出了一个能够考虑含水率波动影响的路基土经验本构模型。结果表明：含水率波动使得路基土中、大孔隙增多,同时微裂隙得到发展引起试样结构被分割,导致试样剪切应力-应变关系从应变软化向应变硬化型转变,试样剪缩特性提升、剪切强度降低;含水率波动程度越大,试样剪缩特性越明显,剪切强度则越弱;提出的路基土本构模型的计算结果与试验结果吻合较好,证明了模型的有效性和适用性。     

细颗粒含量对海洋性土的力学性能影响规律研究

通过制备重塑土样,进行一系列的三轴固结不排水剪试验、一维固结压缩试验和渗透试验,揭示了小于0.075 mm粒径的砂含量以及伊利石土含量对于海洋土的力学性能的影响规律。实验结果表明:砂土样的应力应变曲线都呈应变软化型,土样不排水剪切强度、残余强度与细颗粒含量有较强的相关性;对于加伊利土土样,伊利土含量为10%是土样的强度性质临界值,当其小于10%时,土样性质主要由砂土决定,呈现应变软化特性;当伊利土含量大于临界值(10%)时,土样性质由伊利土含量主导,呈现应变塑性硬化特性;土样压缩性质和渗透性质与细颗粒含量均有较强的相关性:随着细颗粒含量的增加,土样压缩模量E_s和渗透系数K均减小。研究结论为海洋桩基等工程的设计提供了参考。     

短时冻区残积土细观破坏过程的离散元模拟

为明确短时冻区残积土体细观破坏规律,以福建省短时冻区典型残积土为例,基于三轴试验数据对不同短时冻融次数下残积土的细观参数进行标定,同时分析围压及冻融次数下残积土细观破坏过程.结果表明:残积土在压缩过程中,逐步呈现出一个菱形区域,最终菱形区域会形成一个剪切面.残积土压缩时破坏过程可分为弹性变形阶段、塑性发展与强度峰值阶段以及峰后破坏三个阶段.残积土的稳定性会因土体周围围压的上升和土体冻融次数的减少而提高,同样也会增加残积土的抗剪强度.     

弹性-脆性-损伤模型及其在岩石局部破坏研究中的应用

在弹性-脆性-损伤本构模型中,采用了由线性的莫尔-库仑剪切屈服函数和非线性的虎克-布朗屈服函数复合后的屈服函数,以适应高压应力条件下岩石变形及破坏规律的研究.为了考虑脆性岩石在应力突然跌落过程中的弹性模量的变化,引入了一个损伤因子,以描述损伤的程度.此外,还考虑了围压对弹性模量的增强作用.对平面应变压缩条件下的矩形岩样的破坏过程进行了计算,并与接近脆性的带拉伸截断的应变软化莫尔-库仑模型的结果进行了对比,发现了它们之间的差异.又对静水压力条件下的平面应变模型开挖圆形巷道之后的破坏区、轻微的剪切及拉伸岩爆区和体积模量的分布进行了计算.研究发现,当考虑围压对弹性模量的影响后,体积模量的高值区位于V形坑的尖端,而V形坑内部的损伤程度随着损伤因子的增加而增加.如果不考虑围压对弹性模量的影响,V形坑尺寸大、较钝.研究结果表明,不同岩石脆性破坏过程中的损伤程度及围压对弹性模量的影响程度不相同是导致V形坑形态差别的原因之一.     

破裂岩石注浆固结体的剪切力学性能研究进展

 破裂岩石注浆固结后形成的岩-浆-岩结构面呈现较强的剪切力学特性，且其剪切强度及稳定性是衡量注浆加固效果的关键性指标。基于科学研究的常用方法，从3方面阐述了国内外破裂岩石注浆固结体的剪切力学性能的研究进展：注浆固结体剪切力学性能试验研究，包括剪切强度、刚度及蠕变等性能；注浆固结体剪切强度预测模型研究，主要为理论计算模型和经验模型；注浆固结体剪切变形破坏数值研究，涉及有限差分法、有限单元法和离散单元法等。总结分析了目前破裂岩石注浆固结体剪切力学性能研究存在的主要问题，提出应加强注浆固结体的剪切蠕变性能、长期稳定性以及具有普适性的剪切强度预测模型的研究，以完善注浆加固机理和注浆加固强度强化理论。     

川西松潘地区裂隙性黄土强度特性试验

节理裂隙破坏了黄土的结构完整性,影响其力学特性,一定程度上控制着黄土地区滑坡和崩塌等地质灾害的演化进程和破坏规模。为研究裂隙对黄土强度特性的影响,选取川西松潘地区黄土为研究对象,开展了不同切面倾角、含水率和含砂量等条件下的三轴试验,研究结果表明：（1）切面倾角对黄土抗剪强度影响明显,在倾角为0°时最大,在接近理论破裂角时最小;（2）只有切面倾角与理论破裂角相近时,剪切破裂面才会迁就已有切面发展,其他切面倾角时试样并不会沿着预设切面破坏,切面的存在改变了土体内局部应力从而影响其剪切强度;（3）含切面试样的粘聚力对含水率和含砂量的变化较敏感,当含水率和含砂量变化时,剪切强度的倾角效应依然存在,但不同切面倾角试样的剪切特性会有所变化。基于裂隙性黄土力学特性的研究,认为开展滑坡不同部位的滑带土切面三轴试验可以为深入分析古滑坡复活机制提供借鉴。     

土体小应变刚度特性的试验研究

土体的小应变刚度在深基坑或隧道开挖等以变形控制为主的工程中是起决定性作用的参数.利用固结仪、应力路径三轴仪和共振柱联合测定江苏常州地区3个典型土层原状土的小应变刚度特性,得到了土体小应变硬化模型(HSS)的相关参数,包括土体的初始剪切模量、模量退化曲线、土体强度参数、加卸载模量等.分析了土体有效应力对土体小应变刚度特性的影响,并对如何选择合适的小应变模型参数提出了初步建议.     

膨胀土-混凝土界面剪切特性研究及界面系数修正

为对不同含水率下与不同法向应力下的膨胀性土的界面抗剪强度-界面剪切位移曲线进行分析,通过设计室内膨胀土-混凝土界面直剪试验,研究各含水率对膨胀土-混凝土界面各力学性质的影响。结果表明：不同含水率条件下的应力应变曲线均无应变软化现象,基本符合应变硬化模型;含水率的增长,对界面抗剪强度有较为明显的劣化影响,应力应变曲线的峰值也随之愈发滞后;同一含水率的界面抗剪强度与法向应力较好地符合摩尔-库伦强度准则,随着含水率的逐渐增长,界面抗剪强度也呈现递减态势;界面黏聚力先呈增长态势,后呈逐渐减小态势;界面等效剪切模量呈现下降趋势,同时通过微观角度对界面黏聚力和界面内摩擦角引起的界面强度变化规律进行了机理性的分析。界面内摩擦角则随着含水率增加逐渐地呈现反比例函数降低态势,引入界面摩擦系数,进一步细致分析界面摩擦力学性质,同时修正了界面黏聚力和法向应力对界面摩擦带来的较大影响,针对于浅层边坡土体与桩基础的摩擦估算,考虑到法向荷载对于界面摩擦系数影响较为合理。     

初始剪切变形对铅芯橡胶支座性能影响分析

为了研究初始剪切变形对铅芯橡胶支座力学性能与大剪切变形时内部应力的影响规律,首先基于厂家提供的支座规格参数得到铅芯橡胶支座有限元模型,验证试验数据与有限元计算结果模型的正确性;然后分析支座尺寸、形状系数、竖向压力等不同参数,对有初始剪切变形的铅芯橡胶支座100%水平性能、内部钢板橡胶最大应力比的影响,并进行大剪应变下支座内部应力分析。结果表明：与无初始剪切变形相比,铅芯橡胶支座的100%水平刚度随着压应力、初始剪切变形、支座形状系数的变化最大为5%,影响程度较小;有初始剪切变形对橡胶隔震支座100%剪应变条件下的橡胶和钢板应力有一定的影响,但基本未达到橡胶材料的拉伸强度和钢板的屈服强度,支座处于安全状态;有初始剪切变形对橡胶隔震支座250%以上剪应变条件下的橡胶和钢板应力有很大的影响,不同剪应变条件下的橡胶或钢板应力均可能达到拉伸强度或钢板的屈服强度,支座有极大的损伤风险;通过分析,建议支座实际剪应变为400%、350%、300%、250%、200%及100%时,其初始变形分别不能超过0、20%、70%、120%、170%及270%。