初始应力各向异性结构性土的二元介质模型

天然岩土材料具有结构性和各向异性。在岩土破损力学的理论框架下,建立了初始应力各向异性结构性土的二元介质模型。岩土破损力学把结构性岩土材料抽象成由胶结强的胶结块（胶结元）和无胶结的软弱带（摩擦元）组成的二元结构体,变形过程中胶结块逐步破损并向软弱带转化。假定胶结块为横观各向同性的理想弹脆性体,胶结块破损后转化成的软弱带为可用邓肯-张模型描述的非线性弹性体。通过引入考虑各向异性影响的破损率和局部应变系数,建立了初始应力各向异性结构性土的二元介质本构模型,并给出了模型参数的确定方法。最后给出了模型的表现,且通过人工制备初始应力各向异性结构性土的三轴压缩试验结果验证了模型的适用性。计算结果表明,所提出的本构模型可以较好地模拟初始应力各向异性结构性土的应力-应变和体积变形特性。     

结构性土二元介质本构模型及破损率影响因素的研究

岩土类材料是非均质的具有微缺陷的天然材料,岩土破损力学将岩土材料抽象成由结构块和结构带组成的非均质二元结构体。破损率演化方程反映了岩土材料在外部荷载作用下,结构块向结构带动态变化程度的过程。从细观尺度上分析结构性土体变形、破坏过程发展机制,揭示土体在荷载作用下结构块向结构带转化的过程。最后,针对杨陵黄土,通过三轴剪切试验,研究围压、含水率对破损率演化规律的影响。研究结果表明,单参数模型的破损率与围压和含水率没有关系,使从实验上证明参数模型的破损率是大主应变的函数。     

岩土破损力学:结构块破损机制与二元介质模型

沈珠江等在总结岩土材料的基本特性、分析理论和研究方法的基础上,提出了岩土破损力学理论框架和二元介质模型概念。基于岩土二元介质模型思想,近年来在试验、理论和数值模拟方面对结构性岩土材料进行了详细研究。通过对棒状和棱柱状结构块试件的平面试验,探讨了结构性岩土材料的破损机制,并发现了在受荷过程中结构块逐渐破损并转化为软弱带二者共同抵抗外部作用,即验证了二元介质模型对结构性岩土材料力学抽象的正确性;扩展了岩土二元介质模型对岩土材料的脆性变化进行了模拟,并与结构性土和砂岩的三轴试验结果进行了验证;基于二元介质模型概念,发展了一种模拟岩土材料破损过程的细观数值方法,同时提出了适用于结构性岩土材料的强度准则。     

基于黄土结构损伤的地裂缝局部化破裂发展机制

针对西安地裂缝活动条件下黄土覆盖层裂缝的发展与形成,依据黄土的构度和应力比结构性参数变化规律,分析了黄土构度和抗拉强度之间的关系,建立了黄土结构性演变的数学模型,抗拉强度与抗剪强度随结构性参数变化强度准则,以及反映黄土结构性演变的Mohr-Coulomb屈服面弹塑性模型.通过本构模型嵌入FLAC3D软件,数值模拟西安地裂缝活动边界条件,以及结构性黄土地层结构,进行了黄土结构损伤变化和地层破裂带形成发展分析研究.表明地裂缝错动位移作用条件下,黄土地层塑形区域破裂带发展分为初始剪切破坏、初始拉伸破坏、剪切与拉伸破坏发展、破裂带贯通四个阶段;地层破裂带黄土的结构性损伤衰减变化突出,黄土应力比结构性参数等值线与地层塑性破裂带分布一致.揭示的黄土地层局部化破裂发展过程机制,对于认识地裂缝造成地面建筑物与地下工程灾害有重要的理论和实际意义.     

轴对称单轴压缩岩石材料应变局部化剪切带数值模拟研究

利用FLAC3D数值软件中的应变硬化—软化本构模型,模拟轴对称单轴压缩条件下岩石试件应变局部化剪切带的形成过程,同时对不同端面效应下长径比效应对应变局部化剪切带的影响进行分析。结果表明,岩石试件的应变局部化剪切带的启动、发展到最终形成是一个渐进的演化过程。端面效应和长径比效应均影响应变局部化剪切带的形状和岩石强度。光滑边界应变局部化剪切带形成于试件上下端面,摩擦边界形成于试件中部区域,且摩擦边界时试件的峰值强度高于光滑边界,峰值强度后的软化阶段陡峭于光滑边界。随着岩石试件长径比的增加,岩石的峰值强度在逐步降低,达到峰值强度所需的时步却呈增加的趋势。这一研究成果有助于加深理解岩石破坏过程。     

主应力轴旋转对剪切带形成的影响分析

软土的剪切带形成对于研究土的工程性质、土体稳定性评价有重要的意义。 采用可以考虑主应力轴旋转影响的土的弹塑性本构模型———关口-太田模型, 分析主应力轴旋转对剪切带形成的影响, 得出最可能发生局部剪切变形的方向同主应力轴的旋转角有关, 但主轴旋转对激发变形局部化失稳的影响不大的结论。     

粗粒土的破碎耗能计算及影响因素

粗粒土的颗粒破碎直接改变了土体本身结构,对粗粒土的剪胀和内摩擦角都会产生影响。在土体剪切过程中,体积应力和剪切应力在体积应变和剪切应变上做功,这部分能量在剪切过程中转化为颗粒的弹性储能、颗粒间的摩擦耗能、颗粒剪胀时对外做功和颗粒破碎耗能4部分。准确计算剪切过程中粗粒土破碎耗能的目的是：从能量角度分析颗粒破碎对土体本构关系的影响,为建立考虑颗粒破碎的粗粒土本构关系创造条件。通过分析粗粒土的常规三轴试验数据,计算得到了剪切过程中的粗粒土破碎耗能。计算结果表明,常规三轴试验条件下粗粒土破碎耗能主要受固结应力、土体摩擦系数M等因素的影响。     

超固结粘土的剪切带数值模拟

基于中井的子负荷面本构关系模型,采用高精度的隐式应力积分算法,研究了平面应变试验中超固结粘土试样的变形局部化问题。模拟了不同的加载速度和边界约束条件,得到了超固结比为8的藤森粘土土体内部明显可见的X型剪切带和单一型剪切带。结果表明：土体的剪胀特性、孔隙水在土体内的移动规律以及边界约束条件对剪切带的形成和发展起着控制作用。     

结构性海洋黏土损伤模型的二次开发及应用

原状土的结构性作为21世纪土力学的核心问题,一直以来受到学者们的广泛关注。软黏土的结构性损伤这一力学行为会对海洋结构物基础造成不可忽略的影响。以海底原状土的结构性特征为研究对象,推导了考虑黏土结构性的SANICLAY模型的数值实现格式。通过子增量步显式算法和有限元的二次开发,实现了结构性多屈服面本构模型在有限元方法中的应用。通过与不同应力路径下的三轴试验结果对比,验证了开发的子程序可准确模拟海洋黏土所具有的结构性。基于不同应力路径试验的数值模拟结果,研究了不同固结和剪切条件下土体塑性势面和屈服面的演化规律,揭示了土体固结可降低结构性损伤程度以及剪切过程中土体产生结构性损伤的机制。将二次开发的子程序应用到具体的边值问题中,开展了可考虑土体结构性影响的海上风电筒型基础静承载力研究,揭示了土体结构性对筒型基础的地基破坏模式、峰值承载力和残余承载力的影响;引入残余衰减比来表征土体结构性破坏后筒型基础的残余承载力,并建立了残余衰减比与结构损伤因子之间的关系。     

海口红黏土的结构性本构模型研究

土体结构性的数学模型是21世纪土力学的核心问题。由于土体微观结构的变化造成了重塑土与原状土的力学特性上的差异。采用应变型和应力型结构性宏观参数来表征这种微观结构的变化,同时将应变性结构性参数引入到等向固结过程中去,用以描述常规三轴试验中剪切前的等向固结过程以及剪切时球应力对结构性土体的影响。实现应变型和应力型结构性宏观参数对整个三轴剪切过程的描述。修正剑桥模型对正常固结重塑黏土的三轴压缩试验能做出准确地描述,但对超固结黏土及原状土,即具有结构地土体,则不能给出准确地描述。将应变型和应力型结构性宏观参数引入到修正剑桥模型中,实现修正剑桥模型的结构化。该结构性修正剑桥模型参数的确定方法与常规修正剑桥模型参数的确定方法相差不多,只不过多了球应力与土体结构性体应变的关系式、偏应力与土体结构性广义剪应变的关系式。经过数值模拟比较,结构性修正的剑桥模型能较好地反映原状土的结构性演化过程,能描述原状土结构的整个破坏过程,在多种应力路径下具有很好的预测作用。     

结构性黄土的剪切带及强度特性的真三轴试验研究

采用西安理工大学自主研发的真三轴仪,对西安白鹿原黄土进行了不同中主应力比值、不同固结围压的试验研究,探讨了黄土剪切带形成与峰值强度、中主应变与大主应变关系曲线、体应变与大主应变关系曲线特征点之间的联系以及子午平面、 平面上的强度变化规律。分析了真三轴应力条件下黄土强度变形规律和试样剪切带破坏模式和黄土在复杂应力状态下剪切带形成的判断依据和原因,研究表明,真三轴压缩原状黄土具有明显的剪切带,围压和中主应力比值较小时表现为软化,围压和中主应力比值较大时则表现为硬化;中主应变、体应变与大主应变关系曲线较为一致的转折点反映了土变形性状发生变化;与中主应变方向一致的剪切带两侧土结构块体产生相对滑移,剪切带开始形成和发展;土应变曲线的转折点可以作为土固结结构内剪切带形成的判断依据;子午平面上强度线呈线性变化规律, 平面上呈曲边三角形非线性变化规律,并且与 -SMP强度准则较为接近。不同应力条件下剪切带变化复杂的破坏模式与黄土原生的结构特征和加载共同作用的变化有密切联系。     

二元介质模型对重塑黄土的适用性探讨

为了论述二元介质模型对于重塑黄土的适用性,针对重塑黄土开展了三轴压缩试验,结合轴向应力-应变曲线及试样的破坏形态分析了围压对其受力变形的影响规律,将其受力及破坏的特点与二元介质模型的基本假设进行了对比,指出二元介质模型可以模拟重塑黄土的受力变形规律。在此基础上,根据模型各参数特点建议了参数厘定的基本思路,并通过与试验数据对比验证了厘定思路的有效性。本文建议的参数确定顺序为“胶结元弹性模量→破损率分布→摩擦元参数→局部应变系数”。结果表明,重塑黄土在三轴压缩情况下呈现二元受力状态,二元介质模型可以很好地描述重塑土的应力-应变关系。围压越大,结构破损越快。对于软化型曲线,加载后期摩擦元分担了绝大部分轴向荷载。随着曲线向硬化型过渡,加载后期摩擦元分担的荷载逐渐减小。     

考虑应变局部化的粗粒料剪切损伤力学机制

针对粗粒料的应变软化、剪胀等力学特性,通过考虑以剪切带为标志的应变局部化现象,建立了具有广泛适用性的剪切损伤力学模型。损伤模型采用了包体理论中的剪切带数学简化,基于应变等价原理、Weibull分布,推导了粗粒料的应力-应变关系方程。从剪胀作用的机制出发,提出可以描述剪胀弱化的轴向塑性应变和体积塑性应变的非线性函数关系。结合粗粒料三轴压缩试验中的伺服过程,提出了基于遗传算法的损伤模型参数确定方法。通过开展不同围压下的粗粒料三轴压缩试验,对剪切损伤力学模型进行验证,进一步分析了参数演化对粗粒料强度和变形特征的影响。研究结果表明,考虑应变局部化特征的剪切损伤力学模型可以高精度的模拟粗粒料的应变软化和剪胀等特征,有效揭示剪切带内部变形对试样整体宏观变形的影响机制,模型中剪切带参数和围压的关系与粗粒料细观机制一致,计算得到强度组成与颗粒破碎、重组特征较为吻合。     

超固结粘土的二元介质模型

为了分析超固结粘土边坡的变形和稳定的需要,在岩土破损力学的框架内建议了一个适用于这类土的二元介质模型。该模型考虑了土体内在的不均一性,把它看作由结构块和结构带组成的复合体,两者共同分担外荷载,模型包含10参数,并拟定了这些参数的测定方法。通过模拟三轴试验的计算表明,该模型可以反映London粘土的应力-应变特征。     

Changes in permeability of sand during triaxial loading: effect of fine particles production

Various mechanisms can affect the permeability of dense unconsolidated sands: Volumetric dilation can lead to permeability increase, whereas strain localization in shear bands may increase or decrease the permeability depending on the state of compaction and on the level of grains breakage inside the band. To investigate these various mechanisms, an experimental study has been performed to explore the effect of different factors such as grain size and grain shape, confining pressure, level of shear, stress path, and formation of one or several shear bands on the permeability of dense sands under triaxial loading. The experimental results show a reduction of permeability during the consolidation phase and during the volumetric contraction phase of shear loading, which can be related to the decrease of porosity. The experimental results also show that, depending on the confining pressure, the permeability remains stable or decreases during the volumetric dilation phase despite the increase of total porosity. This permeability reduction is attributed to the presence of fine particles, which result from grains attrition during pre-localization and grains breakage inside the shear band during the post-localization phase.     

基于Cosserat连续体的颗粒破碎影响研究

颗粒破碎对颗粒材料宏观力学行为有重要影响。 结合Hardin的破碎经验公式,将表征破碎程度的破碎参量与Cosserat连续体的内部长度参数相关联,形成一个基于Cosserat连续体且能考虑颗粒破碎的弹塑性模型。数值算例主要考察了颗粒破碎对颗粒材料承载能力、塑性应变及局部化行为的影响,数值结果表明,颗粒破碎主要发生在剪切带内,颗粒破碎使得剪切带明显变窄且剪切带内外等效塑性应变梯度明显增大。     

Dynamic analysis of strain localization in water‐saturated clay using a cyclic elasto‐viscoplastic model

A computational framework is presented for dynamic strain localization and deformation analyses of water‐saturated clay by using a cyclic elasto‐viscoplastic constitutive model. In the model, the nonlinear kinematic hardening rule and softening due to the structural degradation of soil particles are considered. In order to appropriately simulate the large deformation phenomenon in strain localization analysis, the dynamic finite element formulation for a two‐phase mixture is derived in the updated Lagrangian framework. The shear band development is shown through the distributions of viscoplastic shear strain, the axial strain, the mean effective stress, and the pore water pressure in a normally consolidated clay specimen. From the local stress–strain relations, more brittleness is found inside the shear bands than outside of them. The effects of partially drained conditions and mesh‐size dependency on the shear banding are also investigated. The effect of a partially drained boundary is found to be insignificant on the dynamic shear band propagation because of the rapid rate of applied loading and low permeability of the clay. Using the finer mesh results in slightly narrower shear bands; nonetheless, the results manifest convergency through the mesh refinement in terms of the overall shape of shear banding and stress–strain relations. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.