横观各向同性板岩三轴力学特性及其本构模型

板岩属于典型的横观各向同性材料,其物理力学特性具有明显的方向性。对5种不同层理夹角板岩试样进行2组围压(5 MPa和10 MPa)下的三轴试验,试验结果表明：三轴压缩下不同层理角度板岩的峰值强度、残余强度均随围压的增大而增大,但试验范围内的围压对其径向变形的影响有限,岩石试样弹性阶段的轴向应变增大了17%,径向应变增大了6%;岩石三轴峰值强度、残余强度与层理夹角呈非线性关系,水平层理夹角试样的峰值强度最大,45°层理夹角试样的峰值强度最小,60°层理夹角试样的残余强度最小。板岩最小主应力与岩体层理面的夹角会因开挖后的应力重分布而发生改变,在考虑其力学特性和层理夹角关系的基础上,建立了板岩横观各向同性弹塑性本构模型,通过整体坐标系中的广义胡克定律描述岩石应力-应变关系的弹性部分,计算得到整体坐标系中的弹性刚度矩阵;采用改进后的Mohr-Coulomb屈服准则、非关联流动法则和应变硬化准则描述其塑性部分。本构模型所需的材料参数(如弹性参数,塑性参数)通过常规三轴试验获得,采用FORTRAN语言对UMAT子程序进行二次开发,在ABAQUS中实现了板岩弹塑性本构模型的构建,并将理论模型所得结果与三轴试验结果进行对比,发现所构建的横观各向同性板岩弹塑性本构模型是合理的。     

层状岩体横观各向同性弹塑性模型及数值实现

层状岩体在平行和垂直层面的方向上具有不同的强度、变形特性,进行非线性分析时须将层状岩体视为横观各向同性介质。在前人研究的基础上,通过编写UMAT程序将横观各向同性弹塑性本构模型嵌入ABAQUS有限元分析软件,对层状试件进行单轴压缩数值试验与ABAQUS自带M-C模型计算结果进行对比,同时将该模型退化为各向同性模型应用于层状岩体地下工程的计算,计算结果均能验证该模型的有效性和实用性。     

横观各向同性岩体内时损伤本构模型研究

层状岩体一般视作横观各向同性体,其力学特性在不同的层面倾角下存在较大的差异。为了解决这一问题并研究层面倾角与力学特性之间的内在联系,引入横观各向同性体体积模量和剪切模量与层面倾角的函数关系式。从内时理论出发,通过内蕴时间的重新构造,在Helmholtz自由能中引入损伤变量,利用不可逆热力学的基本原理推导出横观各向同性岩体的内时损伤本构方程,并给出确定本构模型中各参数的方法。对该方程在单轴应力条件下进行求解、分析与验证。研究结果表明：该本构方程能很好地描述横观各向同性岩体在损伤发生前后的变形特点,并能有效地反映横观各向同性岩体的非线性和剪胀扩容等物理力学现象。     

基于Maxwell分布的砂岩本构模型研究

砂岩具有典型的颗粒结构,其力学参数与内部颗粒间的接触密切相关。由于砂岩内部颗粒接触数量巨大,具有统计分布特征,因此,通过引入颗粒接触强度的统计分布模型建立砂岩的本构理论,可以更好地从细观角度理解砂岩的变形发展。由于前期研究中的统计分布模型多是基于经验而提出的,没有统计学基础。严格的数理统计理论发现,砂岩内部颗粒接触强度符合Maxwell统计分布模型。结合岩石统计损伤理论,构建一种新的砂岩本构模型。该模型将微观颗粒之间胶结键的数量和强度视为影响砂岩宏观强度的主要因素,当断裂破坏的胶结键达到一定数量即可表现为宏观上的整体破坏。利用室内三轴压缩试验,对不同围压作用下砂岩的应力-应变特征进行试验研究,验证所推导的模型的适用性。研究结果表明：该本构模型能很好地反映应变发展的各个阶段,且本构模型参数具有实际的物理意义。从宏观层面,模型所引入的参数反映了岩石的宏观强度和延展性,其中,表示胶结键方向性的参数随围压的增大而线性减小,反映砂岩能量密度的参数随围压的增大呈现抛物线型增大。对岩石损伤与围压的关系的研究表明,围压的增大能有效抑制损伤的发展。     

基于Hoek-Brown屈服准则的隧道围岩稳定性分析

基于隧道稳定性分析时常常采用Mohr-Coulomb屈服准则,但岩石屈服时服从Hoek-Brown半经验公式屈服准则.在Hoek-Brown屈服准则中引入强度折减法用以研究隧道围岩的整体稳定性,且与基于等效的Mohr-Coulomb屈服准则的强度折减法进行比较.分析结果表明:在不同屈服准则条件下的整体稳定系数、围岩变形特点及潜在破坏面位置大体上是一致的,但也存在一定差异;所得围岩稳定范围可以为锚固支护提供合理的参数以及开挖前的地层加固提供参考.     

基于不同本构模型的复杂地层大断面隧道开挖稳定性分析

多元结构地层中,土体单元触变性高,应力应变路径十分复杂,单一的本构模型不能满足隧道施工变形研究的需要。分析了摩尔库伦、修正剑桥、Druker-Prager和西原正夫等四种本构模型的屈服特性及应力应变关系,通过C++对FLAC软件二次开发,将本构模型程序化。以兰州轨道交通某大断面车站隧道为工程背景,模拟分析四种模型下大断面隧道开挖引起的地表沉降、底板隆起、两帮收剑的变化规律,发现摩尔库伦模型中洛德参数可识别土体单元处于压缩或拉伸状态,能较好地拟合地表沉降规律;修正剑桥模型可追踪岩土体的变形能力和抗剪强度随体积改变而变化的特性,能准确判断隧道直墙的水平位移变化趋势;Druker-Prager模型因考虑中间主应力及静水压力对相邻单元的作用,可反映出隧道内部土体移出后的底板隆起变形特点。以上规律可为复杂多元结构地层中隧道施工变形控制提供参考,从而保证隧道建设的高效与优质。     

砂土液化本构模型的试验研究

针对饱和砂土在动力作用下液化既有计算模型存在的问题,在汉丁-顿伊维奇(Handin-Drnevich)模型基础上,根据瞬态极限平衡理论的基本假设,按照应力状态不能逾越破坏条件等基本原则,借鉴增量非线性模型的计算思路,综合散粒体模型的优点,将整个振动液化过程划分成多个区域,并考虑液化过程中的剪胀、剪缩、刚度衰化和卸荷体缩等现象,推导出新的本构计算模型。该模型的参数少,且具有明确的物理意义,能够量化。通过室内动三轴试验对模型进行了验证。对比分析试验结果与计算结果可知,两者在孔隙水压力、应变发展初期是一致的,后期是有差异的;在应力路径方面两者的极限状态面几乎是一致的。因此,该模型可以较为完善地反映砂土液化过程中出现的各种现象。     

软土深基坑土体本构模型适用性及参数敏感性分析

为研究软土深基坑土体本构模型适用性及其参数选取等问题,采用数值模拟的方法,分析深圳地区软土深基坑开挖过程中土体在几种常用土体本构模型的主要应力变化路径,并将计算结果与实测数据进行对比验证.研究表明,在计算地下连续墙的变形曲线及地面沉降曲线时,摩尔-库伦模型的计算结果相较实测值误差分别为20.3％、32.9％;修正剑桥模...     

基于统计损伤本构模型的改进接触面模型研究

考虑桩土界面初始剪切刚度的深度效应,把接触面剪切应力和剪切应变沿接触面厚度均匀化,提出基于统计损伤本构模型的无厚度单元接触面本构模型,根据剪切实验的数据对改进的本构模型参数进行拟合,得到了不同法向应力下的模拟曲线。计算结果表明：本文提出的无厚度单元接触面本构模型是正确的,能够合理地模拟桩土界面的力学行为,可以描述接触面剪切刚度的非线性变化,适用性强,有较高的理论和实际应用价值。     

基于蠕变试验的路基压实黄土流变本构模型研究

结合具体试验路段,运用载荷装置与高压固结仪对不同能级强夯条件下的压实黄土进行蠕变试验,探讨压实度和含水量对压实黄土结构屈服强度的影响,建立可反映压实黄土流变特性的本构模型。研究结果表明：在蠕变应力小于土体的结构屈服强度时,地基土体主要表现为衰减蠕变;蠕变应力大于土体的结构屈服强度时,其蠕变类型主要表现为稳定蠕变;当蠕变应力远大于土体的结构屈服强度时,其蠕变类型主要表现为加速蠕变。一维高压固结条件下土样的塑性残余变形与含水量近似呈线性关系,压实度和含水量与结构屈服强度呈指数关系。原状黄土的回滞环形态上呈狭窄的条形,而压实黄土则呈新月形;载荷试验条件下压实黄土不同阶段分别表现为线性黏弹性和非线性黏塑性流变特征,可建立压实黄土流变本构模型反映其应力应变基本规律。     

基于损伤的混凝土全过程本构模型在工程中的几点应用

简叙了基于损伤的混凝土全过程本构模型，并根据该模型提出了一种简单明确的方法来直接确定混凝土全过程曲线上各特征点（弹性点、准弹性点、临界应力点、反弯点、拐点、曲率最大点等）及其损伤值数学表达式。概述了该本构模型用于大体积混凝土损伤特性的研究、试验数据的验证、结构物可靠性设计、安全性评价以及混凝土抗裂性能分析等应用情况。     

基于对照经验公式的构件本构模型离线更新混合试验方法

模型更新混合试验可以从构件本构、截面本构和材料本构3个层面来更新数值子结构的模型参数进而提高混合试验的精度。由于构件本构模型更新仅能对构件参数相同的数值子结构进行更新,因此在复杂结构抗震性能研究中存在局限性。以构件本构模型更新为基础,提出对照经验公式更新方法来完成框架结构中构件参数不同相似构件模型更新。通过1榀采用不同截面配筋率的2层2跨弹性钢筋混凝土框架的离线模型更新数值仿真,验证对照经验公式模型更新方法的可行性。应用本文方法,进行1榀5层3跨弹塑性钢筋混凝土框架离线模型更新数值仿真,并重复利用离线更新试验数据对1榀3层2跨弹塑性钢筋混凝土框架进行时程分析。研究结果表明：在离线模型更新混合试验中基于对照经验公式的构件本构模型更新与传统构件本构模型更新相比具有较高的精度。     

三联隧道凝灰岩流变试验及其本构模型研究

基于三联隧道凝灰岩地层段大变形问题,利用室内蠕变试验方法,研究凝灰岩的流变特性。采用非线性拟合方法,比较分析H-K 流变模型拟合值、Burgers流变模型拟合值与试验数据的关系,研究凝灰岩的蠕变变形特征、长期强度。研究结果表明：凝灰岩蠕变变形随时间趋于稳定,属于稳定蠕变。结合蠕变试验结果,数值模拟三联隧道凝灰岩地层段围岩的流变特性,验证了凝灰岩H-K流变模型的适用性。综合以上,H-K模型能够描述三联隧道凝灰岩的流变特征,且凝灰岩长期强度为瞬时强度的0.61倍。该成果对于三联隧道凝灰岩地层段隧道支护的优化调整,以及隧道结构长期稳定评价具有参考价值。     

受酸腐蚀砂岩力学特性及其统计损伤本构模型

酸性侵蚀环境使得隧道、桥梁、房屋等结构劣化,耐久性和承载性能降低,服役时间缩短,最终导致各种灾害事故发生。为深入探究酸性溶液对岩石力学性能的影响,采用室内长期加速腐蚀试验,对pH=1、3、5的盐酸HCl以及pH=7的蒸馏水(H₂O)腐蚀作用下砂岩的单轴力学劣化特性进行系统研究。基于连续损伤力学和统计理论,借助CT扫描试验分析结果,引入化学-荷载共同作用损伤变量,建立考虑受酸腐蚀砂岩应力-应变曲线压密段的统计损伤本构模型,基于单轴压缩试验结果对模型进行验证。研究结果表明,腐蚀岩样单轴压缩应力-应变曲线的压密段变长,弹性段变短,轴向峰值应力、弹性模量和泊松比减小,轴向、径向峰值点应变增大;腐蚀岩样的裂隙闭合点应变增大、裂隙压缩段变长、裂纹扩展段延长,其脆性特征减弱,柔性特征增强,岩样越来越表现出柔性材料的特征;浸泡溶液pH值越小,浸泡时间越长,岩样损伤软化效应越明显。试验曲线与理论曲线的对比结果表明,所建立的统计损伤本构模型能够较好地反映受酸腐蚀砂岩在荷载作用下的变形特性。研究结果可为受酸腐蚀岩体的稳定性及减防灾分析提供理论基础。     

钢结构涂装层的力学试验与本构模型研究

为研究钢结构桥梁涂装层的力学本构模型,以长效型涂装体系为试验对象进行单轴拉伸试验,得到面漆、中间漆、底漆和复合涂层的应力-应变曲线。通过无量纲化处理获得长效型涂装体系上升段本构方程的统一表达形式,并对每种漆膜具体的适用条件给出了相应的本构方程。结果表明：H06-X环氧富锌底漆（含80%锌）和长效型复合涂层的应力-应变曲线分为弹塑性阶段、应变强化阶段和破坏阶段;H06-C2环氧厚浆云母氧化铁中间漆的应力-应变曲线分为应变强化阶段和破坏阶段;E01-JY氟碳面漆的应力-应变曲线分为近似线弹性阶段和破坏阶段。依据应力-应变曲线得到了底漆、中间漆、面漆和复合涂层的弹性模量、泊松比、剪切模量、单轴拉伸强度和拉伸断裂应变等力学性能特征参数,发现单轴拉伸强度底漆最强,中间漆次之,面漆最差;变形性能面漆最佳,中间漆次之,底漆最差。     

广义摩尔库仑模型及其在FLAC3D 中的实现

为了进一步研究材料的本构模型,并对岩土工程中本构模型的研究提供参考,基于摩尔库仑理论关于材料塑性屈服是因为在某截面上的剪应力超过一定值的假设,进行三维应力状态下塑性屈服准则以及流动法则的推导,得出三向应力状态下的本构模型。利用FLAC3D 的二次开发接口,通过Visual Studio2008 将推导出的本构模型写成一个动态链接库文件．dll,并导入FLAC3D。结合1 个算例将开发出的模型同经典摩尔库仑模型进行比较。研究结果表明: 推导出来的广义摩尔库仑模型在应力加载过程中,在三维斜截面上先于经典摩尔库仑模型产生塑性屈服,即剪应力在三维斜截面上超过了屈服极限强度。     

页岩多孔砖与砂浆黏结滑移本构模型研究

通过物理模型试验方法及数值分析方法,研究砖与砂浆黏结滑移性能。以砂浆强度等级和页岩多孔砖孔洞率为变量进行8组48个三砖试件剪切黏结-滑移试验,得到双剪三砖试件的黏结破坏形态、黏结强度及黏结强度-滑移曲线。提出多孔砖砌体黏结强度计算公式和黏结滑移本构模型,根据本文提出的黏结滑移本构模型建立了双剪三砖试件分离式细观模型进行有限元模拟实验,其计算结果与试验结果吻合良好,验证了砖与砂浆界面黏结滑移本构模型的适用性及砌体分离式细观模型的合理性。     

基于自定义本构模型的盾构隧道开挖面极限支护力研究

为了分析岩土体的非线性破坏特性对盾构隧道的开挖面极限支护力的影响,利用FLAC3D提供的二次开发平台,开发基于非线性Mohr-Coulomb破坏准则的自定义本构模型。调用该本构模型对盾构隧道的施工过程进行数值模拟,得到非线性M-C破坏准则作用下盾构隧道开挖面极限支护力的数值解。利用切线法将非线性Mohr-Coulomb破坏准则引入上限分析的能耗计算中,获得非线性破坏准则作用下盾构隧道开挖面支护力的上限解。通过将数值解和上限解进行对比,证明采用自定义本构模型计算的盾构隧道开挖面极限支护力是正确的。     

时间效应下泥岩浸水膨胀本构模型研究

基于流变力学理论对时间效应下的泥岩浸水膨胀进行研究,利用流变力学理论推导得到时间效应下的膨胀本构模型,以侧限条件下的泥岩自由膨胀试验为基础对模型进行验证,并给出模型中各参数的物理意义.研究结果表明:泥岩浸水初始阶段膨胀速率快,随着时间的推移速率变慢,最终膨胀稳定;泥岩浸水膨胀产生的最终应变由膨胀力和渐进膨胀弹性模量决定...