基于虚强度参数的塑性硬化模式

 塑性理论中常采用等向硬化、随动硬化和混合硬化的假定来描述硬化函数的演化规律,这需要在屈服函数上增加相应的函数项,但这些关于硬化模式的假定不是必须的。提出了利用虚强度参数来描述介质塑性硬化规律,即在不改变屈服/破坏函数形式的条件下,只将其中的强度参数替换为塑性硬化参量的函数,便可以实现既避免硬化规律的先验假设,又可体现介质的硬化过程。采用一组煤岩的三轴加卸载试验数据研究了基于Coulomb-Mohr准则和基于Drucker-Prager准则及其强度参数的塑性硬化函数。结果表明,这2个函数的塑性硬化面子午线在应力空间中以平移和旋转2种方式体现介质的塑性硬化过程,并与已有煤岩试验数据一致。所提出的虚强度参数的概念为破坏准则中真实强度参数替换后作为硬化函数提供了一个逻辑的桥梁。     

循环加卸载下高脆性黑砂岩强度及损伤试验研究

为研究高应力循环加卸载条件下脆性硬岩强度特性和参数演化规律,开展了不同围压水平下的黑砂岩循环加卸载试验,获得了高脆性硬岩全过程应力应变曲线和破裂特征,并借助塑性内变量来表征岩石损伤程度,研究了变形与强度参数随损伤的演化规律。研究结果表明：(1)循环加卸载试验中黑砂岩应力应变曲线存在屈服平台,峰后应力快速跌落,试样以剪切破坏为主;(2)从初始屈服到残余变形过程中,黑砂岩弹性模量呈先减小后增大的变化特征,在塑性内变量为0.80～0.85左右达到最小值,泊松比则呈先增大后减小的趋势;(3)黏聚力先随塑性内变量不断减小,在接近残余强度时保持稳定,而内摩擦角则呈先增大后减小的特征,强度参数与塑性内变量之间的关系可采用线性分段函数表示。     

循环加卸载下花岗岩强度变形及声发射特征

为了研究花岗岩在循环荷载作用下的强度、变形及声发射特征,采用MTS815岩石力学试验机开展了单轴和三轴循环加卸载试验。结果表明:三轴循环压缩下偏应力-轴向应变曲线的上凹现象和滞回环的迁移现象相比于单轴不太明显;峰值强度和峰值应变与围压间呈现良好的线性增长关系;单轴循环加卸载下,试样表现出柱状劈裂破坏,而在三轴循环加卸载下,试样则具有明显的剪切破坏特征;前5次的循环下加载、卸载段的弹性模量和泊松比都随着循环次数的增大而增大,而在最后一次加载段弹性模量有所降低;三轴循环下试样在最后一次加卸载破坏时产生的声发射振铃计数要明显少于单轴循环。此外,在单轴循环下,每一次加卸载阶段对应的损伤-时间曲线都会出现平台,而三轴下对应的损伤-时间曲线并未出现明显的平台,表明岩样损伤保持平缓增长。     

基于能量法的混凝土循环加卸载动态损伤特性

为了从能量法的角度研究混凝土循环加卸载下的损伤演化特性,利用大型动静力三轴仪对边长为150 mm的立方体混凝土试件,进行不同侧应力、不同应变速率的循环加卸载试验。用改进的Najar能量法,确定了一种新的损伤变量计算方法,对比分析了改进后的混凝土损伤演化曲线与试验所得混凝土应力-应变包络曲线,将修正后的Weibull-Lognormal损伤本构模型对试验数据进行拟合分析。结果表明:新的损伤变量计算方法简单,物理意义明确;改进后的混凝土循环加卸载损伤演化曲线可以分为三个阶段,损伤不变阶段、损伤加速发展阶段、损伤稳定发展阶段;选用的塑性变形公式与试验结果拟合较好;经过修正后的混凝土损伤本构模型能较好地模拟混凝土循环加卸载条件下的应力-应变包络曲线。     

循环加卸载下混凝土滞回环特性研究

通过开展不同侧压下的混凝土循环加卸载试验,分析了侧压、应变速率对应力应变全曲线中滞回环面积的影响,提出了一种基于应力应变全曲线的简便滞回环面积统计法,建立了滞回环面积与循环次数之间的关系。结果发现,混凝土单位体积耗散能随着循环次数的增加先增后减,单位体积耗散能最大值与峰值应变有密切联系;在循环加卸载过程中混凝土的单位体积耗散能具有明显的侧压敏感性。利用Weibull统计分布模型对混凝土在循环加卸载过程中单位体积耗散能随循环次数的变化关系进行了拟合分析。计算结果表明:不同侧压下循环加卸载曲线滞回环面积与循环次数服从双参数Weibull模型分布。     

基于场应变的充填体与围岩组合模型循环加卸载试验研究

为模拟研究充填采场围岩破裂演变机理,设计了充填体与围岩组合模型,采用RLW-3000微机控制剪切蠕变试验机对不同种类岩石模型试样进行了不同侧压力条件下的循环加卸载试验;通过VIC-3D非接触全场应变系统同步监测模型试样损伤破坏过程,基于试验过程中应变场的演变,对组合模型破裂机理进行了分析。研究表明:充填体能够增强围岩的完整性及强度;组合模型的破裂经历了一个扩容的过程;不同侧压下循环加卸载应力-应变曲线形成多塑性滞回环,岩性越软滞回现象越显著;应变场在低循环荷载时近似均匀场,高荷载时在加载非均匀场与卸载均匀场之间变换,渐呈应变局部化特征;张拉应变区首先出现在强度比较低的充填体区域,并随荷载增大逐渐向两侧的围岩移动,充填体与围岩变形具有时空非同步性与破坏形式差异;不同种类围岩破坏形式不同,强度较低的呈剪切破坏,强度较高的则为拉伸破坏。结果表明场应变演变可较好地表征充填采场围岩破裂过程。     

冻融劣化混凝土循环加卸载外包络线及能量演化

对历经不同冻融循环次数的混凝土进行了不同应变速率的单轴循环加卸载试验,分析了试验所得应力-应变曲线外包络线的特征,定义了单轴循环加卸载的耗散能、弹性应变能和塑性应变能,研究了这3种能量与冻融循环次数和循环加卸载次数之间的关系。结果表明:混凝土应力-应变曲线外包络线整体上呈先升后降的趋势;随着冻融循环次数的增多,混凝土的峰值应力逐渐减小而峰值应变逐渐增大;应变速率不影响应力-应变外包络曲线的形状;冻融循环影响混凝土的率敏感性;随循环加卸载次数的增加,混凝土的耗散能、弹性应变能和塑性应变能整体上均呈先增后减的变化规律;冻融循环削弱了混凝土的脆性;外力做功90%的能量用于不可逆转的变化过程。     

3DEC中节理法向循环加卸载模型开发

节理在循环加卸载作用下,其法向变形表现出了很强的非线性,Bandis根据室内试验成果,提出了用双曲线方程来表征节理法向应力与闭合量的非线性关系。鉴于目前3DEC程序在模拟节理非线性变形特征中的不足,结合3DEC提供的接口,对Bandis节理模型进行了二次开发,并给出了运用C++开发3DEC节理模型的步骤。同时,通过内部FISH语言开展了节理在循环加卸载条件下的单轴压缩数值试验,并与室内试验及理论结果进行对比。结果表明：开发的Bandis模型能较好地表征出循环加卸载条件下节理法向应力与法向闭合量之间的非线性关系;数值试验计算结果与理论值完全吻合,验证了所开发模型的正确性。研究成果为循环荷载下岩质边坡的稳定分析提供了基础。     

大理岩球砾循环加卸载接触力学特性试验研究

为研究岩石颗粒在循环加卸载条件下的接触力学性质,采用直径60 mm的大理岩球砾开展系列压缩破碎试验、准静态循环加卸载试验和动态循环加卸载试验。试验结果表明:在压缩荷载作用下大理岩球砾的弹性变形阶段较短,弹塑性变形阶段处于主导地位;随准静态循环加卸载次数增加,大理岩球砾的累计塑性变形、接触刚度-位移曲线斜率以及等效恢复系数都逐步增大,但增幅逐渐减小,最后趋近于稳定值;动态循环加卸载试验中球砾的累积塑性变形随循环次数演化曲线可以划分成初始阶段、等速阶段和加速(破坏)阶段,上限荷载越大、荷载幅值越大,大理岩球砾在初始阶段产生的塑性变形越大,累计塑性变形曲线进入等速阶段所需循环次数也越多;动荷载作用下的阻尼比随循环次数增加而逐渐减小,最后渐趋于稳定,上限荷载越大、荷载幅值越大,大理岩球砾循环加卸载初期的阻尼比越大,随循环加卸载次数增加,上限荷载和荷载幅值对阻尼比的影响逐渐减弱。研究成果可为分析堆石料、铁路道砟等岩石颗粒材料受力变形特征提供理论依据。     

轴向循环加载卸载条件下饱和软土变形特性试验研究

研究循环加卸载条件下软黏土的强度和变形特性具有一定的工程实践价值。利用自行改进和研制的连续加载一维K_0固结仪对饱和软土进行轴向循环加卸载试验。结果表明:各级卸载应力-应变曲线是双曲线,再加载曲线应力-应变关系在上级卸载载荷之前为双曲线,超过卸载载荷为直线,呈现不断硬化的现象,试样产生塑性变形和弹性变形,且塑性变形和弹性变形分别与卸载等级呈线性关系;以原有双曲线本构关系为基础,利用各级加载轴向最大应力和初始切线模量,卸载曲线的轴向最大应变和初始割线模量,引入新的模型参数,从而建立轴向循环加卸载的本构方程,并验证了其可靠性。对各级塑性滞回能进行了计算,随着卸载应力水平的增大,塑性滞回能不断增大,且通过拟合加卸载过程中消耗的塑性滞回能与卸载应力水平呈良好的二次曲线关系。     

混凝土循环加卸载动态损伤演化推移分析及损伤值估计模型

利用多功能三轴仪进行了不同应变速率下的混凝土循环加卸载试验,对声发射信号与应力水平的关系进行了分析,并从声发射撞击数的角度对混凝土损伤演化规律特性进行研究,进一步构建了只含循环次数的单参数损伤值估计模型。研究结果表明在不同的应变速率下,混凝土损伤演化的路径各不相同,当应变较小时,混凝土前期损伤累积程度较大,后期平缓,出现水平段;随着应变速率的提高,混凝土损伤演化路径前移,后一种应变速率相对于前一应变速率所对应的损伤推移值随着累计残余应变的增大呈现出先增大后减小的规律,当累计残余应变一定的情况下,随着应变速率的提高,相邻2种应变速率对应的损伤推移程度在不断减弱;混凝土循环加卸载损伤演化规律具有三阶段损伤模式,统计密度函数能较好地反映循环加卸载损伤演化规律。     

冻融循环条件下岩石加卸荷力学特性研究

为了探究冻融损伤后岩石加卸荷力学特性,以砂岩为研究对象,对经历不同冻融循环次数的2种含水率砂岩进行加卸荷试验。研究结果表明:冻融作用后,砂岩受到损伤,在加卸荷作用下,裂纹的扩展方向改变,发育程度加剧,且在饱和组砂岩中表现明显;从裂纹的扩展方向和破裂面角度来看,加载状态下砂岩以剪切破坏为主,卸载状态下以张拉和剪切破坏为主;加载条件下,冻融作用对砂岩造成的损伤反映出砂岩的峰值强度损失和弹性模量损失逐渐增大,且饱和砂岩较天然砂岩略大;卸荷条件下,各循环次数砂岩卸荷变形模量与卸荷当量之间的变化规律基本一致,当卸荷当量约为80%时,变性模量下降显著,而卸荷当量保持一定时,卸荷变形模量随冻融循环次数增加而减小。另外设计的卸荷速率都较小,对变形模量影响不明显。试验结果可为寒区岩质边坡开挖工程提供借鉴。     

考虑渗流影响的幂强化-理想塑性模型圆形隧洞围岩弹塑性新解

合理的强度准则在幂强化-理想塑性模型圆形隧洞围岩弹塑性分析中十分重要。为了得到适合该模型的强度准则,首先对4种常用岩土材料强度准则进行归纳总结,进而得到平面应变统一线性方程;然后考虑渗流影响,推导了幂强化-理想塑性模型圆形隧洞围岩处于塑性区、幂强化区时的应力、位移及塑性区半径的统一解;最后探讨了强度理论效应、幂强化参数和孔隙水压力对圆形隧洞围岩弹塑性分析的影响。研究结果表明:圆形隧洞围岩强度理论效应显著,经与有限元分析对比,应推荐使用Mogi-Coulomb准则、统一强度理论(b=1/2,c=0)准则、统一强度理论(b=1,c=0)准则;其次可使用内接圆DP2准则、等面积圆DP4准则,不建议使用内切圆DP3准则、Mohr-Coulomb准则,谨慎使用外接圆DP1准则、统一强度理论(b=1,c=1)准则;幂强化参数中幂强化系数m值对塑性区半径无影响,而塑性区位移随m值减小而增大,围岩塑性区半径和位移均随幂强化指数n值增大而增大;塑性区半径、径向应力和切向应力峰值均随孔隙水压力增大而增大。研究结果可为应变强化效应较强的圆形隧洞围岩支护设计提供重要的理论依据。     

循环加卸载下黄砂岩力学特性和能量演化规律

基于三轴压缩循环加卸载试验结果,对黄砂岩峰值强度、变形特征、弹性模量、能量转化和阻尼比变化规律开展了试验研究.结果 表明:随着围压的增大,黄砂岩峰值强度满足线性增长的关系;而循环荷载对黄砂岩峰值强度影响较小.通过弹塑性应变分离,发现弹塑性应变量和弹塑性应变占比在岩石破坏的循环次数里存在陡变情况;在0～ 20 MPa围压...     

循环加卸载条件下煤岩组合体力学响应及能量演化规律

为研究煤岩组合体在外载荷作用下的力学响应及能量演化规律,设计了纯煤、煤岩组合体和纯岩试件单轴循环加卸载试验,分析了不同试件单轴抗压强度和弹性模量等力学响应特征,深入研究了煤岩组合体输入能密度、弹性能密度和耗散能密度演化规律,得到了不同试件的弹性能储存速率及储能能力的特性,建立并探讨了煤岩组合体能量破坏机理。结果表明:①煤岩组合体的力学参数更接近纯煤试件,其力学特性主要受煤体影响;②随外载荷增加,煤岩组合体输入能、弹性能和耗散能呈明显非线性增加趋势,其中弹性能占比远高于耗散能;③煤岩组合体能量破坏机理为外载荷作用使煤体和岩体同时开始储存弹性能,由于煤体弹性能储存速率较快,其内部弹性能率先达到储能极限,导致煤体破坏并向岩体释放弹性能,当达到岩体的储能极限时,岩体发生破坏。     

变幅循环加卸载下硫酸盐侵蚀混凝土力学与变形性能

变幅循环加卸载下的力学及变形性能对硫酸盐服役地区混凝土结构至关重要。将混凝土试件提前浸泡于10%、15%、20%硫酸钠溶液5、7个月形成化学侵蚀损伤,再开展单轴压缩变幅循环加卸载试验,分析该过程中试件力学性能、变形性能以及耗散能演化规律。结果表明随着硫酸钠浓度和侵蚀时间增加,试件强度降低、破坏时完成的变幅循环次数减少。累积残余应变随着加载应变增大呈上升趋势,变化速率不断提高;加载应变差始终大于累积残余应变差,随着循环次数增加逐步接近;动弹性模量和塑性变形率随着循环次数增加整体呈提高趋势;耗散能随着循环次数增加而增大,尤其是在后期耗散能变化速率增快。     

岩体开挖卸荷后边坡失稳判据研究

岩体开挖是一个不断卸荷、变形损伤、质量劣化的动态力学过程.只有考虑岩体开挖卸荷过程才能较真实地模拟实际边坡因开挖而达到的位移场和应力场状态.如何根据有限元计算结果来判别边坡稳定性,是边坡稳定分析的一个关键性问题.强度折减有限元法的失稳判据主要有3种:①以有限元解的收敛性判定失稳状态;②根据计算域内最大节点位移与折减系数之间关系曲线变化特征判定失稳状态;③通过计算域内塑性区是否贯通判定失稳状态.结合岩体开挖卸荷后力学参数变化和3种失稳判据综合判定了实际边坡的稳定性,对一般边坡工程有一定的指导作用.