冻风积土的塑性损伤阈值及演化规律

为了获取冻风积土在循环逐级加载过程中发生的动力损伤特征,通过对不同负温、围压及振动频率条件下的冻风积土试样进行动三轴试验,测得其动应力-应变曲线。按照冻风积土发生各向同性损伤及塑性应变增量垂直于屈服面的基本假设,利用塑性势函数F(Y,D,σ)相关联流动法则并按照R-O硬化定律建立了冻风积土加载过程中塑性损伤演化模型(P模型)。利用文中提出的有效应力分析方法对试验所测得总动应变中所包含的累积塑性变形部分进行分离,实现了对P模型中参数拟合的目标;根据一、三主应力对D-P屈服边界进行划分以确定加载过程中弹塑性变形特征。通过分析裂隙发展规律研究冻风积土内部塑性损伤演化过程,将累积塑性变形变化率曲线的拐点作为冻风积土发生塑性损伤的阈值,给出了确定初始发生塑性损伤的理论依据。研究结果表明:P模型与相关文献模型确定的塑性损伤变量变化规律具有一致性,为冻风积土路基或基础的动力灾害防治研究提供理论基础。     

基于应力-时间双阈值条件的岩石黏弹塑性蠕变模型

针对传统蠕变模型在衰减蠕变阶段拟合精度不高、无法刻画加速蠕变阶段非线性特征的不足,根据岩石流变试验中黏性系数在不同应力水平和不同蠕变阶段中的变化规律,建立了 2种黏性系数随应力水平和时间变化的黏性元件N1、N2,将N,替换饱依丁-汤姆逊体中的黏性元件,将N2与包含应力阈值和时间阈值双开关的塑性元件组合得到一个新的黏塑性...     

基于热力学的沥青混合料粘弹-粘塑性损伤本构模型

为了表征沥青混合料的力学行为,以不可逆热力学理论为基础,推导出沥青混合料粘弹-粘塑性损伤本构模型;将建立的本构模型用于分析沥青混合料三轴蠕变试验和等应变速率压缩试验.结果表明:该模型能够合理描述沥青混合料蠕变试验的三阶段,准确表征其三维变形特征,并能从机理上分析沥青混合料的变形行为;可以较准确地预估等应变速率压缩试验中的应力-应变发展规律及应力峰值和体积变形规律;所提出的粘弹-粘塑性损伤本构模型能够表征沥青混合料在多种压缩加载模式下的力学行为特征.     

高应力泥质粉砂岩非线性蠕变损伤模型研究

为了研究高应力作用下泥质粉砂岩蠕变损伤特性,针对深埋硐室围岩和高陡边坡长期受高应力作用产生的蠕变影响,采用三轴流变试验仪对泥质粉砂岩进行分级增量加载研究其蠕变损伤特性。通过蠕变试验结果分析高应力泥质粉砂岩在硬化和软化2个阶段的不同损伤演化规律,硬化阶段考虑弹性模量、应力水平和应力作用时间综合影响的蠕变损伤效应;软化阶段基于损伤力学原理分析泥质粉砂岩在高应力作用下的蠕变损伤演化特性。通过建立考虑不同因素影响下的高应力泥质粉砂岩损伤演化方程,最终构建符合其蠕变特性的非线性蠕变损伤本构模型,并对改进后的蠕变模型参数进行识别反演。研究结果表明：高应力泥质粉砂岩的蠕变呈现明显的非线性特征,且蠕变硬化和软化特征明显,硬化阶段蠕变损伤变量随着应力水平的增大而增大,且随着时间增加而趋于稳定值;软化阶段蠕变损伤因子随应力水平和时间的增加呈明显的增长趋势,由此可见,高应力泥质粉砂岩蠕变在不同阶段其损伤受应力水平和应力作用时间的影响呈现明显的正相关趋势,说明该模型能够较好地反映泥质粉砂岩在高应力作用下应力水平与时间效应对蠕变损伤特性的影响,试验曲线与理论模型较为符合,研究成果可对高应力泥质粉砂岩深埋硐室及巷道围岩支护提供理论指导意义。     

高填方压实土时效变形特征与长期沉降分析

为更有效地分析和预测高填方路堤的施工与工后沉降,重点考虑了路基压实土的超固结、剪胀等力学特性以及率敏性、蠕变等时间相依变形特征,结合室内土工试验分析了其力学特性的影响因素。以Hashiguchi提出的下负荷屈服面为参考屈服面,按相对过应力理论,建立了能反映超固结土剪胀、应变软化、应力历史以及时间相依变形特征的弹黏塑性本构模型;结合三轴剪切试验的结果确定模型参数,并通过固结蠕变和等应变速率三轴压缩两类典型的率敏性试验对模型进行了验证。将提出的超固结土弹黏塑性本构模型的应力积分算法通过UMAT子程序嵌入ABAQUS软件,使其成功用于某高速公路坝式路堤沉降问题分析。结合高填方路堤现场沉降监测结果研究表明:高填方压实土的超固结应力历史以及时间相依的流变性质对其变形有着显著影响,提出的超固结土弹黏塑性本构模型能模拟压实土的剪胀、应变软化以及时效变形特征,能应用于三维复杂条件下高填方路堤的施工及工后沉降计算,且沉降预测结果与现场观测数据吻合良好,具有较好的理论研究和应用价值。     

环境负温与升温梯度作用下冻土强度特性试验研究

随着西部经济快速发展,冻土区工程日趋活跃,冻土灾害问题愈显突出。为了减少灾害,提高工程耐久性,必须进行冻土区地基承载力的力学特性与温度变化的关系研究。文章采用青海省果洛州海拔4 200m处冻土,在室内模拟不同环境负温与升温梯度的冻土常规三轴压缩试验,得到冻土在不同环境负温、不同升温梯度下的应力-应变曲线以及强度-温度关系曲线并进行分析。试验结果表明:低温冻土到高温冻土的破坏特征是由脆性破坏过渡到塑性破坏,其应力应变关系由广义双曲线模型变为邓肯-张模型;环境负温与升温梯度的不同,使得冻土强度折减不同;设计冻土区地基承载力时,需根据当地温度和升温梯度等变化特点修正冻土区地基承载力特征值。     

冻融循环作用下炭质页岩蠕变模型研究

冻融循环作用下炭质页岩蠕变是高速公路高陡边坡稳定性研究的热点问题之一。为揭示冻融循环作用下炭质页岩的蠕变特性，将炭质页岩试样分别进行0次、5次、15次、25次冻融循环，在围压为4 MPa条件下，采用分级增量加载方式对试样进行三轴压缩蠕变试验，试验发现冻融作用下炭质页岩蠕变具有明显的非线性特征，轴向应变随冻融循环次数、应力水平和时间增加而增大；根据蠕变曲线特征，将蠕变曲线分为2个阶段，即稳定蠕变阶段和不稳定蠕变阶段；利用损伤定义及Lemaitre应变等效方程，建立稳定蠕变阶段的冻融损伤演化方程；基于损伤力学和概率统计理论，采用Von-misses屈服准则，建立不稳定蠕变阶段的冻融和蠕变耦合损伤方程；通过引入冻融和蠕变损伤变量对Burgers模型参数进行修正，建立冻融作用下的蠕变损伤模型。研究表明：岩石损伤随冻融循环次数增加而增大，但损伤增加速率减小，最终趋于稳定；冻融和蠕变耦合作用下，冻融作用使得岩石损伤累积，会加快岩石的蠕变破坏；分段建立的损伤方程能较好地揭示岩石损伤随冻融循环次数、应力水平和时间增加的变化规律；改进的蠕变模型与试验曲线拟合度较好，且参数物理意义明确。研究成果能为炭质页岩高陡边坡稳定性分析提供理论参考。     

基于Aspha-min的温拌沥青混合料永久变形预估模型分析

为了揭示添加Aspha-min的温拌沥青混合料永久变形规律,通过等粘度原则以及空隙率作为阈值标准确定了添加Aspha-min的温拌沥青混合料的温拌剂添加量以及成型温度,并对AC-13温拌沥青混合料在不同温度、不同偏应力、不同作用次数下进行三轴重复荷载试验,利用修正后的Burgers模型对数据进行插值、拟合,研究得到温拌AC-13混合料永久变形预估模型以及温拌AC-13沥青混合料预估三维曲面。     

基于仿真虚拟试验的堆积碎石土蠕变特性

运用颗粒离散单元方法,对随机生成的块石形状进行模拟并构建虚拟试验模型1(101mm×200mm)和虚拟试验模型2(300mm×600mm)。基于室内试验数据运用虚拟试验模型1标定滑坡坡体物质的堆(残、坡)积碎石土的内部细观尺度,其可靠性较高(误差在5%以内);虚拟试验模型2对其标定的细观参数具有尺度效应(相对误差约为10%);根据PFC双轴压缩试验利用伺服机制建立分级加载模型以研究土石体的蠕变特性。研究表明:对于堆积碎石土的虚拟轴向蠕变和体积蠕变的拟合函数,指数函数拟合结果大致相同(其相对最大误差约为0.33%);堆积碎石土蠕变特征反映在衰减蠕变阶段及等速蠕变阶段;衰减蠕变阶段的持续时间与偏应力之间存在促进关系,最终蠕变值与偏应力的关系与线性促进关系类似;堆积碎石土的应力-应变等时曲线(折线型)与直线的偏差与偏应力水平呈正比,非线性蠕变特性与其时间呈正比,高偏应力下体积蠕变曲线对影响碎石土的内部承载力,其下降过程得到很好的反映。     

软弱土流变特性试验研究

利用室内三轴流变试验,研究北京地区粉质粘土在不同应力水平下的蠕变特性,试验结果表明,该类软弱土具有较明显的变形时效性。通过分析蠕变曲线的规律,选择广义开尔文五单元理论模型和时间硬化经验蠕变公式来描述该类软弱土的流变特性,并达到了良好精度,建立了适合北京地区典型软弱土的流变理论模型和经验模型。     

沥青混合料疲劳-蠕变交互作用损伤模型

为了研究沥青混合料在重复荷载作用下的疲劳特性并描述疲劳-蠕变损伤效应共同作用的过程,考虑沥青混合料具有的动态性质,从粘弹性损伤力学基本理论出发,基于应变等效假设,采用复数模量定义了损伤变量。通过分析沥青混合料在周期荷载作用下的损伤变化规律,运用疲劳-蠕变耦合损伤理论,建立了疲劳-蠕变损伤效应共同作用时的损伤演化方程,提出了体现温度及应力影响的损伤模型和疲劳寿命预测模型,并对损伤模型进行了分析。研究结果表明:构建的损伤模型满足热力学准则和物理条件;沥青混合料疲劳失效是由疲劳-蠕变损伤效应共同影响所致;利用提出的疲劳模型可以更好地预测不同温度和应力条件下的沥青混合料疲劳寿命。     

基于最小耗能原理的海棠山隧道围岩蠕变损伤模型

为了研究海棠山隧道围岩的长期稳定性,采用MTS815.02试验机对砂岩展开不同围压作用下的三轴蠕变试验,进而分析了围岩在不同围压作用下的长期变形特性。通过结合最小耗能原理建立损伤模型,以能量角度研究岩石的性能劣化规律和蠕变特性。研究结果表明:岩石在变形过程中的能量耗散规律与岩石内部损伤演化规律是一致的,结合最小耗能原理引入内变量,较好地反映岩石内部应力-应变变化状态,将岩石损伤演化规律以能量变化方式呈现出来,也较好地描述了岩石内部能量耗散具体过程;当施加在岩石的应力水平较高时,才会出现稳定蠕变和加速蠕变现象,否则蠕变变形只有衰减蠕变变形,同时,围压的增高不仅增大了试样的破坏应力水平,同时延缓了轴向蠕变变形。最终通过砂岩蠕变试验曲线与模型曲线的高吻合度,这说明了基于最小耗能原理来建立非线性蠕变损伤模型,对砂岩蠕变全过程演化规律描述是合适可行的,也充分地说明将岩石作为耗散结构来确定岩石损伤程度以及反映岩石蠕变全过程变形规律是正确的;该模型对于不同围压作用下花岗岩蠕变特性也有较好地描述,计算曲线和试验数据拟合度较高,说明了该损伤模型的适用性广泛,对实际工程具有指导意义。     

沥青混合料永久变形黏弹性力学模型通用性研究

为了拓展沥青混合料永久变形黏弹性力学模型的适用宽度,满足不同温度区间和应力水平的要求,实现在全温域条件下沥青混合料永久变形预估,对6种典型沥青混合料进行了三轴重复荷载蠕变试验,研究不同温度和不同应力水平下的永久变形规律;构建了考虑行车荷载存在间隙期的重复荷载作用下沥青混合料黏弹性力学模型;建立了温度、偏应力与重复荷载作用下沥青混合料黏弹性力学模型参数关系方程并进行了修正。研究结果表明:沥青混合料在低温、中温、高温不同阶段表现出不同的永久变形特性,从全温域角度考虑沥青混合料永久变形发展规律更加符合实际状况;温度、轴载大小和荷载作用次数对沥青混合料的永久变形均有着较大的影响,且三者存在着等效关系;重复荷载作用下沥青混合料永久变形黏弹性力学模型参数拟合及参数与温度、偏应力的关系方程拟合的效果良好,均大于90%以上,提高了沥青混合料永久变形黏弹性力学模型的通用性。同时,确定了不同温度的平均修正系数,使永久应变计算结果更加准确。     

沥青砂蠕变特性及力学模型研究

进行了沥青砂试样在40℃温度,不同应力水平(0.1 MPa、0.15 MPa、0.2 MPa、0.25 MPa和0.3 MPa)下的单轴压缩蠕变试验,分析了其蠕变特性,提出了一个完整描述沥青砂整个蠕变阶段的粘-弹-塑力学模型,该模型由反映弹塑性、粘弹性和粘塑性变形的3个子模型串联构成,通过对粘塑性子模型中粘性系数进行改进,理论推导了模型本构方程.为求得模型参数,编制了非线性拟合程序,得到了参数与加载应力函数关系.进行模型预测与试验结果对比,结果表明,该模型描述了试样在不同应力水平下蠕变变形的3个阶段,能够反映沥青砂粘-弹-塑变形特点.     

考虑围岩应力释放效应的岩爆滞后性模拟研究

现有岩爆判据可用于宏观上把握岩爆发生可能性,但对其所特有的滞后性现象机制研究不足。自围岩应力释放角度出发,利用数值模拟工具,研究分析岩爆滞后性特征。对不同应力释放率下围岩弹、塑性应变能分布特征以及围岩破坏区范围及特征进行分析研究。结果表明： 1）应力释放率与弹性模量之间呈指数关系,应力释放率较低时,围岩主要为弹性变形。2）随着释放率的逐步提高,洞壁围岩出现塑性屈服区,且弹性应变能与塑性应变能密度之间发生调整,并最终于洞壁一定深度处形成弹性能量集中区。3）应力释放率不同时,洞室围岩塑性区范围不同,且随着应力释放率的逐步提高,屈服状态自剪切屈服向剪切与张拉屈服并重转变,不同应力释放率下岩爆等级不同。研究结果对于认识岩爆滞后性现象具有一定的作用。     

含水率对砂质板岩粗粒土蠕变特性影响试验研究

粗粒土在公路、铁路路基工程中应用广泛,其蠕变特性是影响高填方路堤长期沉降的重要因素。通过单轴压缩蠕变试验研究含水率对粗粒土蠕变的影响规律,分析砂质板岩粗粒土在不同含水状态下的蠕变特性,并基于与实验结果相符的H-K蠕变模型探讨含水率、应力与蠕变参数之间的关系。结果表明,含水率是影响粗粒土蠕变特性的重要因素,提出使用干燥或饱和含水态的粗粒土填料以控制路堤长期沉降。     

冻土导热系数的聚合模型研究及试验验证

为揭示土体冻结过程中导热系数的变化规律,建立基于均质球形颗粒的聚合几何模型。该模型由若干半径相等的球形土颗粒在正交方向上堆积而成,且土颗粒之外的区域全部被液态水填充。依据孔隙水首先在远离土颗粒的区域开始冻结的客观规律,建立冻结核在球形颗粒之间的几何中心产生并呈同心球向外扩展的聚合模型。基于土颗粒、水、冰的三相组成,从饱和冻土的组成和球形颗粒之间的接触等微观角度出发,建立导热系数的混合流计算方法。依据建立的几何模型和未冻水含量测试结果,结合给出的导热系数混合流计算方法,能够确定冻土在不同负温阶段的导热系数。另外,给出修正的正交热传导几何模型以计算不同干密度冻土的导热系数,并将混合流计算方法得出的预测值分别与Johansen法、Wiener法的预测值和探针法的实测值进行比较。研究结果表明：提出的混合流计算方法能够高精度地预测高温冻结阶段砂土的导热系数;聚合几何模型解答了干密度较大的土体冻实后的导热系数不一定较大的现象,具象地揭示出冻土导热系数随不同负温变化的原因是土中冰体含量的动态变化;依据冻结核产生位置建立的混合流导热系数计算方法,赋予了Wiener法在冻土导热系数预测中的具体物理意义;聚合模型和混合流导热系数计算方法能够对冻土在不同负温阶段的导热系数进行可靠预测,该研究期望为寒区和冻结法中的水-热-力耦合问题研究提供保证。     

多年冻土地区路基温度场的数值模拟研究

本文以五道梁地区典型路基为研究对象,对多年冻土地区路基温度场进行数值模拟,研究了不同上垫面类型对路基温度场的影响。结果表明:季节冻结过程的特点主要是单向冻结和双向融化,上边界负温变化大而下边界正温变化小,冻深主要受上边界制约。季节融化过程特点则是单向融化和双向冻结,上边界为正温变化大,下边界为负温变化小,同样主要受上边界制约。位于多年冻土地区的水泥路面结构可把路面的年均温度降低到2.2℃左右。受全球气候变暖的影响,路基各边界处年均温度均呈现上升的趋势,各边界升温速率从快到慢排序依次为:沥青路面、水泥路面、阳坡、天然地面、阴坡。     

低温冻土地区的软土路基蠕变沉降数值分析

为了研究低温冻土地区软土路基蠕变变形规律,考虑低温和含水率对软土路基蠕变特性的影响,结合KBurgers-MC模型,建立了软土路基的蠕变损伤本构模型。利用C++语言编写了蠕变损伤模型动态链接库文件,通过FLAC~(3D)软件对东港高速公路软土路基蠕变进行数值计算,计算结果表明:桩长对软土路基蠕变沉降有着重要的影响,增加桩长后软土路基蠕变沉降量、蠕变速率和塑性区明显减小;低温环境下含水状态的路基蠕变沉降值小于干燥状态,然而当含水率超过一定界限时路基会发生冻胀现象,导致蠕变沉降量增大;路基的蠕变速率随着温度的升高逐渐增大。将现场监测与数值计算结果进行比较,验证了数值计算的准确性,研究结果对于北方沿海软土路基蠕变沉降的防治具有指导意义。     

张靖皋长江大桥锚碇基础软土夹层蠕变特性试验及分形蠕变模型研究

张靖皋长江大桥锚碇基础位于中国南方临江富水且软土夹层深厚地区。该层软土的蠕变特性对桥梁基础的变形稳定性有着重要的影响，不容忽视。利用GDS应力路径三轴试验系统，采用分别加载方式开展了一系列三轴固结排水剪切蠕变试验，研究了江苏临江软土的蠕变特性。试验结果表明，软土蠕变分为瞬时应变、衰减蠕变及稳定蠕变3个阶段，呈现出典型的非线性蠕变行为且随时间和应力增长表现出稳态蠕变的特征。通过拟合不同应力水平下的试验结果，基于分形导数理论，引入分形黏壶代替传统Abel黏壶，建立了适用于江苏临江地区软土的非线性分形Burgers蠕变模型。相比于传统模型，该分形Burgers模型参数少、精度高、物理意义明确。研究结果对于预测基础变形和制定控制基础变位的措施具有一定意义，可为中国南方沿江地区的工程应用提供参考。