平面应变条件下砂土局部化剪切带的有限元模拟

 根据饱和砂土的排水平面应变压缩试验的应变场,分析研究砂土的应变局部化现象以及剪切带的形成。在平面应变压缩条件下,砂土在峰值应力状态附近出现应变局部化现象,在残余状态最终形成一条V型剪切带。剪切带的形成是一个渐进过程,砂土呈现出渐进性破坏特性。这种由软化特性引起的应变局部化剪切带是砂土材料非常重要的变形和强度特性之一。基于砂土的三要素弹黏塑性本构模型和动态松弛有限元求解技术,对砂土的应变局部化现象和剪切带的形成进行有限元模拟。其中,砂土本构模型中引入应变局部化参数S来表示砂土峰值以后的软化和剪切带效果,剪切带在单元内未考虑其方向性,而是假设剪切带方向与最大剪切应变的方向一致。分析结果表明,动态松弛有限元法及砂土三要素模型能合理地模拟砂土的应变局部化现象,剪切带附近的最大剪应变值也非常接近,从而实现对砂土材料从硬化→峰值→软化→残余的全过程模拟以及对砂土应变局部化剪切带的定量化分析。     

等应变增量比试验控制功能的开发与实现

研究砂土在沿着应变增量比(侧向应变增量与轴向应变增量的比值)为常数的路径加载时的力学响应具有十分重要的意义。对常规三轴试验设备进行了改造,增加量测试样体变的传感器,通过改变围压的大小来控制试样加载过程中的应变增量比,使其保持为常数。研制开发的试验设备可用于研究砂土在等应变增量比加载条件下的应力应变响应。针对砂土进行了等应变增量比的三轴试验,对试验结果的分析与比较表明系统具有足够的控制精度,从而验证了设备的有效性。     

冻结砂土的应力–应变关系及非线性莫尔强度准则

对于－6 ℃的冻结砂土进行一系列的试验，结果表明，当围压小于3.0 MPa时，其应力–应变关系具有明显的应变软化现象；当围压大于3.0 MPa时，其应力–应变关系则具有明显的应变硬化现象。针对广义的双曲线模型并不能很好地描述－6 ℃冻结砂土在围压大于3.0 MPa时的应力–应变关系，邓肯–张模型也不能理想地反映围压小于3.0 MPa时－6 ℃冻结砂土的应变软化特性，提出既能描述应变软化现象又能描述应变硬化现象的改进的邓肯–张模型。研究表明，其结果和试验结果吻合良好。由于压融现象的存在，当围压大于一定值后，冻结砂土的剪切强度随围压的增大而减小。如果用莫尔–库仑准则来描述冻结砂土的剪切强度，会产生较大的误差。为解决这一问题，提出非线性莫尔强度准则。研究结果表明，其精度较高，比莫尔–库仑强度准则能更好地描述冻结砂土的剪切强度。     

应力历史对砂土应力应变关系的影响

本文从应力历史和应力路径的观点出发。在大量的砂土排水试验的基础上,建立了一种描述砂土应力应变和体积变化的方法。根据一种应力应变双曲线关系的改进形式,对等围压条件下轴向压缩和轴向拉伸两类试验的应力应变双曲线关系随固结路径的变化规律进行了讨论。所建立的侧向应变与轴向应变间的关系能够对三轴试验中的体积变化进行符合试验情况的描述。     

冻结砂土的应力-应变关系及非线性莫尔强度准则

对于-6℃的冻结砂土进行一系列的试验,结果表明,当围压小于3.0MPa时,其应力–应变关系具有明显的应变软化现象;当围压大于3.0MPa时,其应力–应变关系则具有明显的应变硬化现象。针对广义的双曲线模型并不能很好地描述-6℃冻结砂土在围压大于3.0MPa时的应力–应变关系,邓肯–张模型也不能理想地反映围压小于3.0MPa时-6℃冻结砂土的应变软化特性,提出既能描述应变软化现象又能描述应变硬化现象的改进的邓肯–张模型。研究表明,其结果和试验结果吻合良好。由于压融现象的存在,当围压大于一定值后,冻结砂土的剪切强度随围压的增大而减小。如果用莫尔–库仑准则来描述冻结砂土的剪切强度,会产生较大的误差。为解决这一问题,提出非线性莫尔强度准则。研究结果表明,其精度较高,比莫尔–库仑强度准则能更好地描述冻结砂土的剪切强度。     

砂土在小应变下考虑应力路径影响的本构模型的试验研究

以标准砂为试样,利用GDS数字控制应力路径三轴仪进行了K0初始应力条件下8条特殊应力路径试验。在小应变区域内,通过刻画在应力空间的等应变应力线的变化规律,推导了可以考虑任意应力路径和应力路径方向变化的杨氏模量计算方法,并对泊松比进行了研究,建立了砂土在小应变区域内可以考虑复杂应力条件的本构模型。模型可以反映小应变时砂土的高模量、非线性以及模量急剧变化等主要特征;也可以模拟一般模型所不能考虑的应力路径方向变化引起的模量变化。     

饱和黄土应力-应变特性及K-G模型适用性研究

对饱和重塑黄土进行了各向等压及等P应力路径试验,分析可知应力应变关系具有非线性,且不符合双曲线型。分别确定了成都科大修正K-G模型及考虑剪胀和应变软化的K-G模型的模量参数并进行了预测值与实测值的比较,结果显示,成都科大修正K-G模型能较好的预测等压固结试验的体积改变量,但不能完全反映软化和应力路径的影响,其仅在低应力比时是适用的;考虑应变软化的K-G模型能很好的反映饱和重塑黄土软化的特性。在预测体应变与剪应变时,在低应力水平时吻合度较高,在高应力水平时不能准确的反映剪胀的影响,更完善的K-G模型修正方法有待提出。     

地震液化后砂土应力应变关系的预测模型研究

针对目前有关砂土地震液化后应力应变关系预测模型存在的问题，经过对有关试验曲线特征的分析，提出了利用幂函数曲线对砂土地震液化后应力应变关系曲线进行预测的基本模型。通过与试验成果对比分析证明，该预测模型与其他模型比较，不但结构形式更加简单，而且具有较高的应变预测精度。     

砂土应力路径试验的数值模拟

在一组应力路径试验的基础上,利用砂土的状态相关本构模型,对不同应力路径下饱和砂土在三轴固结排水剪切过程中的变形特性进行模拟。将模拟结果与试验结果进行比较,发现这种状态相关本构模型不仅能够较好地模拟出不同应力路径下砂土固结排水试验的应力–应变关系和紧砂的应变软化现象,而且能够反映出砂土的剪缩和剪胀等变形特性,但是在模拟拉伸应力路径下砂土的体积应变变化趋势方面有待于进一步的研究和改进。     

动荷载作用下土工格栅应变软化特性

土工格栅的强度衰减特性对加筋路堤和加筋挡墙的稳定性有重要影响。对塑料土工格栅进行了应力控制式单向循环拉伸试验,研究了循环拉力、预拉力、加载频率等对格栅应变软化及变形的影响。试验结果表明,随着循环拉力、预拉力的增加,格栅的累积应变增大,软化指数增大,强度减弱;荷载振动频率的减小也会产生类似的结果。通过对试验数据的分析,总结了格栅应变软化的规律,并将其引入改进的Iwan模型中,建立了能描述循环拉伸荷载作用下土工格栅的拉力应变关系的模型,通过将模型计算结果与试验结果的对比,验证了模型的正确性。     

Pre-Failure Instability Behavior of Sand in Strain Path Testing Under Plane-Strain Conditions

Experimental data are presented in this paper to study the instability behavior of sand in strain path testing under plane-strain conditions. K₀ consolidated strain path tests were conducted on Changi sand using a plane-strain apparatus. The test results show that the occurrence of pre-failure instability under plane-strain conditions is affected by the void ratio and the strain increment ratio. This is consistent with previous findings established under axisymmetric conditions. However, instability behavior of medium dense sand in strain path-controlled plane-strain tests can also be affected by shear band formation. In this case, on-failure instability takes place and failure is likely caused by shear band development. This observation is different from that in triaxial strain path-controlled tests where shear bands do not normally occur.     

应力路径对砂土应力应变关系的影响

本文在试验的基础上，对平面应变状态下风化砂不同应力路径的应力变关系进行了分析。表明等应力比路径上的应力应变符合幂函数关系；Ｋ＿０固结后不同应力路径可用双曲线关系表示文中还探讨了模型参数的变化规律。本文所得的结果可用于非线性分析。     

循环荷载下滨海风积砂孔压发展规律试验研究

利用GDS动三轴试验系统,在不同的基准应变下对福建漳浦滨海风积砂施加不同幅值的等幅循环应变荷载,分析了滨海风积砂在循环应变作用下的孔压发展规律。试验结果表明:滨海风积砂的孔压在初始段迅速增长,之后循环应变幅值不同,孔压有不同的动力响应。小幅值作用下,过渡段大致为“S”发展趋势,后期试样结构崩溃,孔压值迅速达到围压值。密实砂抗液化能力随着基准应变的增大和循环应变幅值的减小而增大,但是中密砂受基准应变的影响很小。根据实验数据建立孔压增长对数模型,模拟结果与试验结果一致性较好。     

高应变单桩承载力动测分析方法的改进

从高应变动测的特点出发，提出了一种分析桩基承载力的拟合模型。该模型在分析桩单元中的上行波和下行波时，既考虑单元周边土阻力的影响，又考虑单元惯性力和单元沉降的影响，使计算结果更接近实际情况。为验证模型的正确性，最后给出了一个工程实例     

Strain Energy-Based Elasto-Viscoplastic Constitutive Modelling of Sand for Numerical Simulation

It is shown that the use of visco-plastic shear or volumetric strain as the stress history-independent hardening parameter in an elasto-viscoplastic model for sand may result in inaccurate numerical simulations of geotechnical boundary value problems. A new elasto-viscoplastic constitutive model for sand is proposed, formulated based on a stress path-independent irreversible (or visco-plastic) strain energy-based hardening function. The function was derived based on results from drained plane strain compression (PSC) tests on saturated dense Toyoura sand along a wide variety of stress path. The model is coupled with an existing isotropically work-hardening and -softening, non-associated, elasto-plastic model for sand. The constitutive model takes into account the effects of loading rate due to viscous properties on the stress-strain behaviour as well as those of pressure level, inherent anisotropy and void ratio and work softening associated with strain localization into a shear band. It is shown that the proposed model can much better simulate the effects of stress history on the deformation characteristics of sand than many previous models. The FEM code incorporating the model is validated by simulating physical PSC tests and bearing capacity model tests of a strip footing on sand performed by previous studies.     

慢速往复荷载下饱和砂土变形特性试验研究

慢速往复荷载作用下土变形特性的研究不多见 ,但实际工程中土受到慢速往复荷载作用的例子很多。本文在先进的GDS应力路径三轴仪上对饱和砂土进行等围压不同周期的慢速往复荷载排水三轴试验。根据试验结果分析了饱和砂土在慢速往复荷载下的应力应变特性 ,并对饱和砂土的新特性 -卸载体缩特性进行了探讨 ,得到一些有益的结论     

Development of high-pressure low-temperature plane strain testing apparatus for methane hydrate-bearing sand

A high-pressure low-temperature plane strain testing apparatus was developed for visualizing the deformation of methane hydrate-bearing sand due to methane hydrate production. Using this testing apparatus, plane strain compression tests were performed on pure Toyoura sand and methane hydrate-bearing sand with localized deformation measurements. From the results, it was observed that the methane hydrate-free specimens, despite their relatively high density, showed changes in compressive volume. Marked increases in the initial stiffness and strength of the methane hydrate-bearing sand were observed (methane hydrate saturation of S_MH=60%). Moreover, the volumetric strain changed from compressive to dilative. For the specimens with methane hydrate, a dilative behavior above S_MH=0% was observed. An image analysis showed that the shear bands of the methane hydrate-bearing sand were thinner and steeper than those of the host sand. In addition, the dilative volumetric strain in the shear band increased markedly when methane hydrate existed in the pore spaces.     

砂土液化分析的散粒体模型(英文)

在归纳砂土组构张量研究成果的基础上提出一个与已有弹塑性模型不同的新的增量非线性模型。该模型全面地考虑了平均压应力、归一化剪应力、Ｌｏｄｅ 角和主应力轴变化所引起的可逆和不可逆的变形,成功地模拟了单调荷载下密砂的剪胀软化和松砂的不排水剪切失稳现象,往复荷载下的残余变形和孔隙压力积累以及Ｌｏｄｅ 角和主应力轴变化下的液化现象。