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.     

基于工程应用的膨胀土本构模型

采用侧限有荷膨胀试验,研究了膨胀土有荷膨胀率和上部荷载、终了含水量以及过程含水量之间的关系,据此推导出了可以用来计算膨胀土路堤随含水量以及上部荷载变化而变形的本构模型。研究结果表明:在初始含水量一定的条件下,有荷膨胀率与上部荷载半对数呈线性关系,终了含水量与上部荷载半对数呈线性关系,有荷膨胀率与过程含水量呈线性关系;该模型是利用室内常规试验可以得到的,能反映研究地区岩土体主要性状的应用型本构模型。     

云桂铁路膨胀岩强度特性试验研究

膨胀岩具有遇水膨胀、软化、崩解和失水收缩、开裂等特性,一直是工程应用中的难点。通过云桂铁路膨胀岩的室内试验研究,分析了膨胀岩的抗剪强度、抗压强度和膨胀力的特性;根据抗剪试验,分析了膨胀岩的抗剪特性,着重研究了水对膨胀岩抗剪强度的影响;同时提出了临界初始含水率的概念［1］。根据膨胀力的试验,分析了膨胀力与膨胀应力的关系,进一步建立膨胀岩的修正Huder-Amberg本构变形模型。成果为云桂铁路膨胀岩的处理问题提供设计施工依据。     

多年冻土热弹塑性蠕变本构方程研究

分析了多年冻土在温度作用下的热弹塑性蠕变力学特性,以塑性增量理论为基础,推导了温度作用下多年冻土热弹塑性蠕变力学特性的本构方程。推导中,不计塑性变形与蠕变的耦合效应,将蠕变应变作为初应变放入本构方程,最后导出了带有初应变和初应力形式的增量本构方程。     

高地应力软岩隧洞挤压型大变形的非线性流变属性及采用让压支护的工程整治研究

针对软岩大变形工程处置目前大多仍沿用传统强支硬顶施工方法所存在的问题,分析挤压型大变形隧洞中采用让压支护的必要性,认为在挤压型大变形隧洞施工中,采用刚性支护进行"硬扛"是不行的;可缩式钢拱架在大变形(如δ≥500 mm)隧洞中是不能用的,需要"另辟蹊径",创新求变。经5处工程实践证明,在软岩挤压大变形隧洞施工中,施作让压锚杆/预应力长让压锚索是一种更为有效可行的对策措施。阐述让压支护"边支边让、先柔后刚"的设计理念,阐明其工作原理,对让压锚杆及预应力让压锚索进行比选,从施工和受力2方面考虑,建议采用预应力长让压锚索。并对锚杆、锚索参数、锚固头形式、锚腔位置等关键技术指标进行分析推荐。讨论让压支护的经济性,经与传统"硬扛"的方式对比估算,认定采用让压支护是完全划得来的。首先,对软岩挤压型大变形隧洞计算分析中的若干问题作简要说明,包括:1)二、三维分析模式的选择问题; 2)几何非线性问题; 3)非线性、非定常黏弹塑性围岩流变/蠕变时效的耦合相互作用问题; 4)几何非线性与材料非线性耦合专用程序软件研发及应用问题。然后,简述了挤压大变形隧洞中考虑几何非线性和材料非线性的耦合作用的研究进展。最后,对下一步深化研究提出5点建议:1)进一步积累大量流变试验和隧洞现场实测资料,提出数值模拟预测挤压大变形更有理论依据、更加可信、适用的方法; 2)非线性黏弹塑性流变本构模型分析的编程工作,需引入和拓展至三维非线性黏弹性流变属性并选用相应的流变本构模型; 3)完善目前工作中存在的不足,收集更为详细的研究资料和现场实测与流变试验数据,并将试验手段、数值计算与理论演引三者相结合,对几类不同软弱岩性的挤压型非线性流变力学行为进行更细致完善的系统研究; 4)深入分析挤压型大变形问题时,应考虑多场耦合问题; 5)本研究仅局限于软岩,基于连续介质理论所建立的大变形理论,不适用于软黏土隧洞的大变形破坏问题,这应作为今后拓展研究的一个方面。     

三重介质渗流耦合数值模拟

目前,对岩体水流系统数学模型的研究主要集中在裂隙渗流模型上,可归纳为四种类型的渗流模型,这些渗流模型仍采用连续介质理论的成果,对于真实岩体非连续介质渗流模拟有较大的误差,同时,由于岩体工程及模型结构和参数的非确定性,这些渗流模型预测的可靠性受到质疑.提出岩体非连续介质渗流概念模型,即"孔隙-裂隙-岩块"三重介质渗流耦合模型,以期提高渗流模拟的拟真性.     

基于流固耦合理论的海底隧道围岩力学特性分析

采用理想弹塑性本构模型,在海水渗流的情况下,基于流固耦合理论,给出了海底隧道围岩应力、位移分布的解析解以及塑性区范围,并利用有限差分FLAC2D软件中流固耦合分析模块对海底隧道围岩进行力学分析,与理论推导的结果进行了对比,证明了理论推导的正确性,同时探讨了海底隧道开挖渗流机制和孔隙水压力场分布特征。理论分析了不同支护阻力下的围岩应力重分布规律以及海水压力、上覆岩层厚度对围岩力学特性的影响。该结果可对富水地层条件下的海底隧道工程开挖设计提供一定的理论参考。     

中空夹层钢管混凝土柱力学性能研究

基于给定的核心混凝土和钢材的三轴本构模型,设定构件内、外两层钢管使用相同的钢材,并考虑核心混凝土和钢管变形协调,应用连续介质力学理论,对中空夹层钢管混凝土短柱进行了弹塑性全过程理论分析,建立了中空夹层钢管混凝土短柱组合弹性模量理论计算公式和应力-应变关系全曲线的理论计算模型。该计算模型形式简单,参数少易确定,便于程序化实现,并与文献资料的试验结果进行了比较,结果表明,该模型能较好地反映试验规律以及组合构件材料物理性能的优点,为中空夹层钢管混凝土组合结构进一步研究奠定了基础。     

土石混合料K-G模型参数试验研究

为获取土石混合料的物理力学特征,以指导土石混填路基的设计和施工,对土石混合料的本构特征以及如何有效地获取其本构参数进行了研究。采用修正的内勒K-G模型作为土石混合料的非线性弹性本构模型,推导出了切线体变模量Kt和切线剪切模量Gt的线性表达式。采用大型土石混合料三轴试验机,利用图解法确定Kt、Gt线性表达式中各个参数。结果表明:(1)采用修正的内勒K-G模型作为土石混合料的非线性弹性本构模型,力学概念清楚,参数易于测定;(2)采用大型三轴试验方法测定土石混合料的K-G模型参数切实可行;(3)K-G模型中考虑了剪应力对体积变形模量影响的修正,因而K-G模型适用于具有剪缩或剪胀性的土。     

河西盐渍土的低温冻土三轴试验与模型研究

盐渍土在冻结过程中,结构孔隙中的盐溶液逐渐转变为盐溶冰,盐渍土结构由之前的"土骨架结构"变为"土-盐溶冰骨架结构"导致力学行为发生了较大变化。以张掖地区某道路工程盐渍土路基填料为研究对象,通过低温冻土三轴剪切试验,分析了不同冻结时长、不同冻结温度下盐渍土的变形特性及本构模型。研究了冻结盐渍土的Duncan-Chang模型参数,基于Duncan-Chang模型利用SPSS回归分析建立了冻结盐渍土主应力差(σ_1-σ_3)及切线模量E_t与温度T和围压σ_3的多因素耦合模型。研究发现:(σ_1-σ_3)-ε_1曲线呈3阶段发展,随着冻结时间的增加,冻结温度降低,主应力变差,黏聚力及内摩擦均增大;耦合模型参数a_1和b_1与温度T呈正相关,与围压σ_3呈负相关,其主导变量均为围压σ_3。最后将耦合模型计算结果与试验结果对比,发现耦合模型能够较好地预测计算冻结盐渍土的本构关系。     

南友高速公路膨胀土的本构模型和破坏模式

以南友高速公路等工程中的典型膨胀土为研究对象,针对路基破坏的显著特点和非饱和土本质特性,设计并开展了系列室内试验,同时进行理论分析,提出工程实用型非饱和膨胀土本构模型.     

考虑泥皮厚度的红层泥岩桩基承载力计算公式修正

通过室内桩-岩剪切试验、数值模拟及桩基模型试验,研究了泥皮厚度对红层泥岩桩基承载力的影响,提出了不同泥皮厚度下的红层泥岩桩基承载力修正系数,对红层泥岩桩基承载力计算公式进行了修正。为建立泥皮作用下的桩-岩接触面本构模型,进行了室内试验并发现:红层泥岩桩-岩接触面力学性状呈现应变软化特征;泥皮存在降低接触面峰残强度,峰值摩擦角和黏聚力分别降低47.7%和53.4%,残余摩擦角和黏聚力分别降低39.5%和34.4%。基于试验结果,建立桩-岩接触面应变软化本构模型,将其植入FLAC3D模拟不同泥皮厚度对桩基承载力的影响,结果表明:桩基承载力随泥皮厚度增加而减小,泥皮厚度超过50 mm时桩-岩相互作用由泥皮自身强度决定。根据计算结果分析桩基承载比与泥皮厚度关系,提出了承载力修正系数。在此基础上设计了一套室内桩基模型试验装置,验证了修正系数的合理性。     

基于扰动状态理论的生物酶改良膨胀土K-G模型

以生物酶改良膨胀土的非线性弹性本构关系为研究对象,提出基于扰动状态理论的修正K-G模型。首先开展不同生物酶掺量条件下的重塑膨胀土样的等向固结排水试验和等p三轴固结排水剪切试验,研究生物酶改良膨胀土的应力-应变关系特征,基于非线性弹性K-G模型,分析生物酶掺量对膨胀土的切线体积模量K_t和切线剪切模量G_t中相关参数的影响规律。采用生物酶掺量作为扰动掺量,以试验和扰动状态概念为基础建立扰动函数,基于扰动状态理论对K-G模型进行修正,以反映生物酶掺量对改良膨胀土应力-应变扰动关系,使本构关系符合土体的实际变形过程,更合理地描述生物酶改良膨胀土的非线性弹性应力-应变关系。结果表明：通过对比ε_v-p及ε_s-q的试验曲线、K-G模型曲线与修正K-G模型理论计算曲线,体应变ε_v的K-G模型预测值小于试验值,而剪应变ε_s的K-G模型预测值大于试验值,修正K-G模型的体应变ε_v和剪应变ε_s的预测值都与试验值较为接近。修正K-G本构模型中各参数物理意义明确,与K-G模型中的参数确定方法一致,可以较合理地描述不同生物酶掺量扰动条件下改良膨胀土的变形特性。     

硬石膏岩膨胀力学试验研究进展及展望

为了进一步认识和加深对硬石膏岩膨胀特性的研究,采用文献综述的方法对硬石膏岩膨胀力学试验进行了较为系统和详细的归纳与总结,分析了各因素对于硬石膏岩膨胀的影响。试验研究结果表明,岩石含水率、溶液浸泡时间、离子浓度、温度、水压等诸多因素对硬石膏岩的膨胀力学特性有着显著的影响。岩石含水率增加,岩石单轴抗压强度、弹性模量、变形模量降低,泊松比近似呈现增大的趋势。岩石单轴抗压强度与硬石膏含量、硬石膏水化率三者在空间上呈现"飞鱼"状的不规则曲面关系。岩石单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量和软化系数等力学参数随着浸泡时间的增加、溶液温度的上升和溶液离子浓度的增加而减小。随着水压的增大,岩石弹性模量和峰值强度增大促进岩石膨胀的激活,导致膨胀性增加。硬石膏水化为石膏引发的膨胀受温度影响较大,温度超过48.8℃时,硬石膏平衡浓度低于石膏平衡浓度,硬石膏无法水化为石膏。硬石膏岩的硬石膏含量及厚度达到一定程度时,表面水化生成的石膏作为密封保护层阻止硬石膏岩进一步水化。基于试验研究成果,对穿越硬石膏地层隧道的工程实践措施进行了分析,结合现有试验研究存在的不足,对未来硬石膏岩的研究方向进行了展望,对未来研究硬石膏岩提供一定的借鉴与指导。     

长韶娄高速公路边坡施工典型病害成因及防治研究

通过对长韶娄高速公路边坡施工过程的跟踪及研究,发现本地区广泛分布红粘土的矿物组成、物理力学特性、化学组分与其它地区的红粘土存在某些共同特征,也存在明显的区别。如本项目红粘土PH值较低,土中蒙脱石及石炭系钙质砂岩泥盆系砂质岩含量较高,红粘土多呈弱~强膨胀性,灰岩属于强风化岩遇水易泥化。对边坡成型及稳定极为不利,施工结果表明采用简单的生态防护,边坡反复垮塌稳定效果不显著;根据试验和施工经验,建议对部分红粘土及膨胀岩段落采用卸载放缓边坡结合变截面圬工防护处理保证边坡稳定。     

汽车地面力学中土的弹性本构模型研究

综述了汽车地面力学中土的线性弹性本构模型、非线性弹性本构模型及常用的土的线性弹性本构参数、非线性弹性本构参数、并对汽车地面力学中土的弹性本构关系的研究进行了分析与展望。为用数值模拟方法研究汽车地面间相互作用提供了保证。     

车桥耦合模型试验中试验模型特性的确定与实测分析

运用相似原理及量纲分析法推导出公路桥梁车桥耦合振动缩尺模型相似比关系.以3×30 m先简支后连续T梁桥、东风EQ3166三轴自卸汽车为原型,计算车辆与桥梁缩尺模型的相似比尺.对按相似比尺制作的试验模型特性进行实测,得出试验模型的轴重、静力挠度、应变、基频等实测值,并与运用虚功原理及Ansys有限元软件分析得出理论值进行对比分析,校验试验模型的设计、制作及安装的有效性.试验测试结果及理论分析表明:试验中模型试验小车及模型桥制作符合试验要求,可以用来研究测试车桥耦合模型试验的振动响应.     

高抗剪能力粗集料级配设计方法

通过对粗集料散体进行细观力学分析,应用不连续介质理论研究粗集料力学性质,根据颗粒在空间的6种不同排列模型,建立了散体细观力学模型及粗集料剪切模量的计算公式;从理论上分析了粗集料抗剪切性能提高的内在机理,并提出了粗集料抗剪级配设计方法,以抗剪性能作为主要指标进行逐级填充;最后通过室内试验进行比较分析。结果表明:新设计出的级配高温稳定性好,可有效减少公路车辙病害。     

软土地层明挖隧道渗流-卸荷耦合力学特性分析

针对珠三角地区地下水位高、粉细砂地层厚,软土明挖隧道深基坑工程施工开挖过程存在明显渗流-卸荷耦合力学特性等工程技术问题,提出了基于Duncan-Zhang非线性本构模型的基坑工程渗流卸荷耦合力学有限元分析方法,并基于室内GCTS真三轴卸荷力学试验方法获取土体卸荷力学参数与Duncan-Zhang模型参数。在此基础上,利用Midas GTS有限元分析软件,对珠三角某城市下沉式公路隧道施工力学特性进行数值分析模拟,并通过现场施工监测成果验证其合理性。     

冻土隧道冻胀力计算方法研究

鉴于应力场、温度场、渗流场3场耦合计算冻土隧道冻胀力的方法非常复杂,根据弹塑性力学及有限元理论提出冻土隧道冻胀力半理论半经验的计算方法,即以地温测试确定冻结圈范围、以原样力学测试确定冻结与非冻结状态围岩的物理、力学参数为先导,而后进行自重应力场与温度应力场双场耦合的数值计算方法,并通过模型试验验证此方法是可行的。