描述饱和砂土剪切特性的一个热力学本构模型

砂土的力学特性十分复杂,与其所处的物理状态直接相关,表现为松砂的剪缩以及密砂的剪胀特性,受相对密度和有效围压的共同影响。为有效地描述饱和砂土在不同物理状态下的剪切特性,基于颗粒物质热动力学理论,考虑颗粒层次能量耗散机制,并结合引入状态参数的剪胀方程,发展一个饱和砂土的热力学本构模型。该模型形式较为简单,不涉及屈服准则、流动法则等概念,而是引入颗粒熵和颗粒温度的概念来描述砂土内部的不可逆变形,并通过迁移系数和能量密度函数将饱和砂土内部的能量耗散机制与宏观力学行为建立联系。模型可以反映饱和砂土在剪切过程中由于相对密度和有效围压的变化对土体强度和变形特性的影响。基于模拟计算结果与等向压缩、三轴不排水以及排水剪切试验结果的对比,验证了模型描述饱和砂土剪切特性的能力。     

净砂与胶结砂土Trapdoor试验离散元数值模拟

Trapdoor试验是一种广泛应用于隧道工程中的研究方法,可以对隧道开挖等引起的结构上应力分布变化进行分析。利用净砂与胶结砂土Trapdoor试验离散元模拟研究土体破坏形态、自由门上土压力分布、颗粒位移以及颗粒转动情况。结果表明:净砂和胶结砂土破坏形态相似,从自由门中心向两侧可以划分为破坏区、剪切带以及影响区域;破坏区内颗粒位移较大,剪切带内颗粒转动明显;与净砂相比,胶结砂土破坏土体表面形成裂缝,由于胶结的存在使得剪切带较窄,土体破坏范围和自由门上土压力都较小。     

初始组构各向异性对类砂土直剪试验影响的非圆颗粒组模拟

针对圆形和单粒组颗粒模拟试验的缺陷,基于PFC2D的clump命令,开发了非圆形颗粒组,采用单向法、各向同法和沉积法生成不同初始组构特征的试验样品,模拟了砂土直接剪切试验过程.探讨了初始组构各向异性对砂土抗剪强度与剪胀性的影响规律,研究了剪切过程中力链的演化形式,分析了颗粒旋转以及剪切带内外颗粒长轴定向的变化特征.数值试验结果表明：颗粒初始组构的差异对抗剪强度的影响较大,对材料的剪胀性以及内摩擦角的影响较小;剪切过程应力主轴发生了偏转,颗粒接触角向主应力方向靠拢;颗粒旋转主要发生在8倍于平均颗粒半径的条带内,颗粒长轴定向也发生了偏转,偏转方向与主应力偏转方向相同,但滞后于主应力的偏转速度;初始组构的不同影响剪切带内颗粒的旋转速度.     

水溶性聚合物强化砂土剪切强度及机理研究

针对加大砂土强度的问题,采用水溶性聚合物对其进行改良,对不同砂土干密度、固化剂含量及养护时间的改良砂土进行了直接剪切试验,并对其黏聚力及内摩擦角进行分析。结果表明：水溶性聚合物改良的砂土剪切强度得到一定程度地提高,这是由于水溶性聚合物加固砂土试样,形成包裹颗粒并相互联系的弹性黏膜,从而增加了土体强度;当养护时间一定时,改良砂土的剪切强度随着固化剂含量增加而上升,试样黏聚力最高可达183.52 kPa;当固化剂含量一定时,改良砂土的剪切强度随着养护时间增加而增加,试样黏聚力最高可达200.19 kPa;剪切强度的大小与固化剂含量、养护时间、试样干密度大小呈正相关。水溶性聚合物溶液在砂土中形成的弹性黏膜包裹砂粒,填充砂土空隙,进而增强土颗粒间的相互作用,改善砂土的工程特性。     

砂土剪切特性的荷载与粒径效应研究

采用自行研制的DRS-1型高压直剪试验系统进行了法向压力0.4~12.0MPa条件下3种不同粒组砂的直剪试验.结果表明,砂土的剪切力学特性与剪切体变特性受法向压力与粒径共同影响,称为荷载效应与粒径效应.剪切耗能因子与剪切体变参数Δh′随法向压力的增大呈非线性减小,这一趋势随粒径增大而更加明显.剪切耗能因子随砂土粒径的增大而增大,但在高压条件下可以忽略.剪切体变参数Δh′受粒径影响,在低压与高压下呈现不同的规律.法向压力影响颗粒破碎程度,进而影响砂土剪切耗能方式,即砂土剪切特性的荷载效应机制.粒径效应在不同法向压力下的机制不同:低法向压力下,粒径影响颗粒变位带状区的厚度;高法向压力下,粒径影响砂土颗粒剪切破碎程度.     

基于CPTU与剪切波速测试的宁波海相黏土强度特性评价

针对宁波海相黏土,在相同孔位分别进行了孔压静力触探原位测试和现场波速测试。研究了CPTU测试参数与剪切波速、最大剪切模量的关系以及剪切波速与不排水抗剪强度的关系。并且论证了联合CPTU和剪切波速测试数据来表征黏土强度特性的可行性。试验结果表明:最大剪切模量、剪切波速与CPTU测试参数存在良好的相关关系,可通过锥尖阻力和孔压参数来近似估计剪切波速、最大剪切模量值;不排水抗剪强度与剪切波速的相关关系良好,通过不排水抗剪强度与剪切波速的关系式可将刚度与强度联系起来,该关系式可作为一种新方法来估计黏性土不排水抗剪强度。试验结果可为宁波地区地下结构的设计计算提供一定的参考价值。     

悬挂式剪切波速测试仪测试结果影响因素分析

土层剪切波速测试对于划分地层和场地土的类别、判断土的液化、研究土的振动特性、计算场地地震动参数等具有重要的意义.分析了扩孔、塌孔、孔壁纵向均质性等因素对悬挂式剪切波速测试仪测试结果的影响:扩孔、塌孔时测得的剪切波速值比实际值偏小;孔壁纵向均质性差时比孔壁质量良好时的剪切波速的测试质量要差;泥浆中铁磁性物质含量高时,会降低电磁式激震器的激震能量,从而影响剪切波速测试的质量.最后提出了提高剪切波速测试质量的措施,如:提高孔壁质量、采取分段测试、人工干预计算等.     

基于泊松比的土石混填地基应力波测试研究

设计土石混填料大型振动压实仪,对砂土、粉土、低液限黏性土3种土石混合材料进行不同含水量、不同含石量下振动压实实验。采集相关土压力,计算混填料试件压实过程中的动泊松比,研究不同压实状态下混填料各向变形性能。研究土石混填料动泊松比变化规律,建立密实状态下混填料泊松比相关性分析模型。对工程中动泊松比参数变化引发的混填料剪切波速变化进行敏感性影响分析,结果表明,工程中测试土石混填地基剪切波速时,混填料动泊松比对剪切波速影响较小,可直接采用混填料在固定含水率、固定含石量下最密实状态泊松比对现场混填材料进行相关参数标定。在此基础上建立土石混填料面波-剪切波相关性模型,并开展现场试验对模型进行验证,取得了较好效果。     

基于砂土状态和细观特征的剪切带倾角公式

剪切带扩展方向的确定是岩土体渐进破坏分析的关键.系统收集国内外文献中各类砂土剪切带倾角的平面应变试验结果,将其与现有的剪切带倾角计算方法的结果进行对比,发现现有方法的计算值与试验值偏离较大,计算误差不可忽略.提出考虑砂土颗粒形状、密实度和有效平均正应力等影响因素的剪切带倾角经验公式,表征各类砂土破裂发展方向,定量描述土体状态对剪切带倾角的影响.提出的公式适用于各类砂土的剪切带倾角计算,公式各参数物理意义明确,且均可由常规物性试验和室内单元体试验测得.研究表明,由提出的公式得到的理论值与试验值偏差基本在-5°~5°,平均误差、标准误差和均方误差等统计指标约为现有其他方法的1/3,且不同密实度或有效平均正应力下的倾角变化规律与试验结果一致.     

昆明盆地剪切波速与地基特性相关分析研究

根据大量的钻孔P-S测井实测数据分析归纳了昆明盆地第四系粘性土及砂性土层的剪切波速值及其特征。利用相关分析方法给出了各土层剪切波速Vs与标贯击数N的回归方程。探讨了土层埋深等因子时剪切波速的影响，给出了剪切波速Vs与土层埋深的回归方程。     

Cranny density parameters and porosity measured by elastic wave method in quasi-isotropic cranny rock masses

According to the characteristic of elastic waves propagation in medium and the application of elastic waves method in rock mass engineering, the cranny mass with random crannies was regarded as quasi-isotropic cranny mass. In accordance with the rock rupture mechanics, principle of energy balance and Castiglano＇s theorem, the relationship of effective dynamic parameters of elasticity （E, v, G） and cranny density parameters or porosity was put forward. On this basis, through the theory of elastic waves propagation in isotropic medium, the relationship between the elastic wave velocity and cranny density parameters and porosity was set up. The theoretical research results show that, in this kind of cranny rock masses, there is nonlinear relationships between the effective dynamic parameters of elasticity and wave velocities and the cranny density parameter or porosity; and with the increase of cranny density parameter or porosity of cranny rock masses, the effective dynamic modulus and the elastic wave velocities of cranny rock masses will decrease; and at the same time, when the cranny density parameter or porosity is very small, the effective dynamic modulus of elasticity and the elastic wave velocities change with the cranny density parameter, which can explain the sensitivity of effective elastic parameters and elastic wave velocities to cranny rock masses.     

冻融环境下沙漠砂对混凝土轴心受压力学性能的影响

为研究沙漠砂对混凝土抗冻性能的影响,采用快速冻融方法,进行掺沙漠砂混凝土冻融后轴心抗压强度试验,得到不同冻融循环作用下掺沙漠砂混凝土破坏特征和应力-应变曲线,分析不同冻融循环下掺沙漠砂混凝土表面损伤特征、质量损失率、动弹性模量损失率和超声波波速损失率的变化规律.结果表明:随着冻融循环次数增加,掺沙漠砂混凝土质量损失率变化较小,动弹性模量损失率、超声波波速损失率、相对峰值应变和极限应变均增大,相对峰值应力和横向变形系数均减小,弹性模量先增大后减小;在相同冻融循环次数下,掺沙漠砂混凝土弹性模量损失率、超声波波速损失率和相对峰值应变均小于普通混凝土,相对峰值应力、横向变形系数和弹性模量比普通混凝土高.采用过镇海提出的单轴受压本构模型拟合得到应力-应变全曲线方程,分析冻融循环对应力-应变曲线控制参数的影响,可对沙漠砂混凝土结构的抗冻性能进行分析.     

Effects of thickness and elastic modulus on stress condition of fatigue-resistant coating under rolling contact

The distribution and magnitude of surface and subsurface stresses of the single-layer sprayed-coatings on monolithic substrates were investigated by finite element method (FEM). The models of coating configurations with different thicknesses and elastic modulus ratios of coating to substrate were introduced, and the effects of thickness and elastic modulus ratio on the stresses were addressed. The calculation results show that the coating/substrate interface shear stress obviously decreases with increasing coating thickness, due to the location of the maximum shear stress moving away from the coating/substrate interface. At the same time, the magnitude of von Mises stress also declines in the case of thicker coatings. However, the high elastic modulus ratio results in extremely high maximum shear stress and the severe discontinuity of the von Mises stress curves, which leads to the intensive stress concentration on the coating/substrate interface. So the coating configurations with the larger coating thickness and lower difference of elastic modulus between coating and substrate exhibit excellent resistant performance of rolling contact fatigue (RCF).     

An experimental study of the incipient bed shear stress partition in mobile bed channels filled with emergent rigid vegetation

This paper investigates the bed shear stress based on the condition of the incipient motion of sediment in a uniform-flow flume covered with emergent rigid vegetation,which is represented by arrays of circular cylinders arranged in a regular pattern.A total of 148 tests are performed to observe the influence of the vegetation density,bed slope,flow depth and sediment size on the bed shear stress.The tests reveal that when the sediment is in incipient motion,the resistances acting on the flow passing the rigid vegetation contain the vegetation resistance and the bed shear stress.This shear stress could be divided into two parts:the grain shear stress and the shear stress caused by sand dunes,which are the deformed bedform with the sediment incipient motion.An empirical relationship between the shear stress of the sand dune and vegetation density,the Froude number,the apparent vegetation layer velocity is developed.     

高地应力下砂岩力学参数和波速变化规律试验研究

基于波动方程,提出一种砂岩的纵波波速与静水围压关系的数学模型。在岩石常规三轴试验的基础上得到不同静水围压下砂岩的静弹性模量、静泊松比和纵波波速,并分别拟合得到静弹性模量-静水围压和静泊松比-静水围压关系的拟合曲线和拟合公式。试验结果表明,砂岩的静弹性模量和静泊松比随静水围压的增大而增加,且静弹性模量增加速率缓慢减少。基于波动方程求解得到纵波波速-静水围压关系的数学模型,利用数学模型计算得到的纵波波速可知,砂岩的纵波波速随静水围压的增大而增大,且增加速率逐渐变缓。计算得到的纵波波速与试验测得的纵波波速进行对比验证,误差范围为7.0%~8.3%,故基于波动方程求解的砂岩纵波波速-静水围压关系的数学模型可靠性和准确性较高,对高地应力下岩石的物理力学参数和波速变化规律的分析判定具有指导意义。     

瞬态面波法在软基处理检测中的应用

某高速公路软粘土与可液化砂土互层地基用加强型袋装砂井进行处理,但标准贯入试验检测结果显示此方法对可液化砂层的挤密效果不明显。用瞬态面波勘察方法对其进行检测,通过面波速度、面波波速剖面影像图、平均剪切波速、平均动剪切模量等方面的结果分析,发现此处理方法有一定效果。由此也说明瞬态面波勘察方法可以在软基处理检测方面应用。     

应力条件下室内土样的剪切波速试验

利用自行设计的室内土样剪切波速简便试验装置与测试方法对土样进行不同应力条件下剪切波速的测试.研究表明:剪切波速与土体的密度具有良好的相关性;剪切波速随含水量(大于20%)的减小而增大;当应力≤300 kPa时,剪切波速随压力的增大而大幅增值;应力>300kPa时,剪切波速增长缓慢.     

横波预测技术在延川南地区储层预测中的应用

在延川南地区,通过开展测井横波模拟研究,获得测井的横波速度;采用叠前弹性参数反演技术计算纵、横波阻抗;利用砂泥岩在纵横波阻抗交汇图上的差异进行石盒子组砂岩储层预测,利用煤层与围岩在密度和阻抗方面的差异预测煤层的分布空间。通过横波资料可以有效地获得其它弹性参数,提高叠前反演的可靠性,降低叠后储层预测的多解性,提高储层预测精度。     

Effect of pore pressure on deformation and unstable snap-back for shear band and elastic rock system

Fast Lagrangian analysis of continua（FLAC） was used to study the influence of pore pressure on the mechanical behavior of rock specimen in plane strain direct shear, the distribution of yielded elements, the distribution of displacement and velocity across shear band as well as the snap-back （elastic rebound） instability. The effective stress law was used to represent the weakening of rock containing pore fluid under pressure. Numerical results show that rock specimen becomes soft （lower strength and hardening modulus） as pore pressure increases, leading to higher displacement skip across shear band. Higher pore pressure results in larger area of plastic zone, higher concentration of shear strain, more apparent precursor to snap-back （unstable failure） and slower snap-back. For higher pore pressure, the formation of shear band-elastic body system and the snap-back are earlier; the distance of snap-back decreases; the capacity of snap-back decreases, leading to lower elastic strain energy liberated beyond the instability and lower earthquake or rockburst magnitude. In the process of snap-back, the velocity skip across shear band is lower for rock specimen at higher pore pressure, showing the slower velocity of snap-back.     

基于热力学方法的土体能量保守的弹性模型

目的建立服从热力学第一定律通用的吉布斯自由能函数,解决循环荷载作用下的应变累积问题.方法采用数学软件Mathematic来解非线性最小二乘法拟合不排水3轴试验点,得到模型计算参数.建立压力相关的剪切模量的能量势函数的推导框架,采用热力学方法对柔度矩阵进行修正.结果产生了弹性体积与弹性剪切反应的耦合,耦合的幅值反应了材料各向异性的程度,由应力比确定;剪切模量对压力的依赖性在体积模量中产生了弹性剪胀部分.结论对不同闭合应力路径的计算结果表明,修正后的模型满足能量守恒.