UNIAXIAL COMPRESSION TEST AND DAMAGE CONSTITUTIVE MODEL FOR ANALYSIS OF FROZEN CLAY 1)

从冻土微元破坏服从Weibull随机分布的特点出发,将Mohr--Coulomb强度准则作为冻土微元统计分布变量,利用应变等价性假说,建立了单轴应力状态下冻结黏土损伤本构模型;在此基础上,讨论了模型参数和弹性模量与冻结温度的关系,对模型参数和弹性模量进行合理修正,建立了温度影响下的冻结黏土损伤本构模型,并与试验结果进行对比。分析结果表明：考虑温度效应的损伤本构模型能很好地模拟冻结黏土应力--应变全过程曲线,具有很好的适应性。     

含损伤的冻土本构模型及耦合问题数值分析

从复合材料的细观力学机理出发，建立了含损伤的冻土弹性本构模型. 对于在不同冰体积 含量和不同温度下的冻结砂土，由该损伤本构模型计算的结果与实测的应力-应变曲线比较 吻合. 利用自主开发的程序，分别对渠道冻结和冻土路基的水分场、温度场、应力场3场耦 合进行数值模拟，得到了比较准确、详尽的符合实际的温度场与应力场、位移场、应变场耦 合的计算结果，与前人的计算及实测结果相符合，规律一致. 表明该程序能够计算冻土材料 的相关物理量，并能很好地描述这些相关物理量之间的关系.     

基于内时理论的冻土试验研究与数值分析

从内时理论出发,基于考虑了温度和应变率影响的冻土内时流变本构方程,采用Matlab拟合法确定内时材料参数,对冻土在单轴和3轴应力条件下的应变进行了求解、分析与试验验证,并将理论结果与试验所得的应力-应变曲线进行了比较,理论曲线与试验曲线基本吻合. 与传统塑性理论的研究方法相比,内时理论的研究方法可以免去确定屈服面的困难. 基于所使用的内时本构模型,对冻土路基的冻结进行了数值分析,结果表明该理论具有很好的适用性.      

冻融循环冻土的冲击动态力学性能

以典型冻土为研究对象,通过不同冻融循环次数的冻融循环实验、不同温度的冻结实验以及不同应变率的冲击动态实验,综合研究了冻融循环冻土的冲击动态力学性能。结果表明,冻土存在冻融循环效应,随着冻融循环次数的增加,冻土的峰值应力有一定程度的降低,但在达到临界冻融循环次数后,峰值应力将维持稳定;同时,冻土表现出明显的应变率效应和温度效应,其峰值应力随应变率的增加或温度的降低而增加。通过定义冻融损伤因子,推导满足Weibull分布的冲击损伤,提出了一个基于Z-W-T方程的损伤黏弹性本构模型。该模型可较好地描述冻融循环后冻土的冲击动态力学行为,为研究季节性冻土区冻土的冲击动态破坏提供参考。     

冻结黏土力学特性分析及改进S-M蠕变模型

为合理描述人工冻结法施工的矿井土层力学特性,对某矿井土样的重塑土进行单轴抗压强度实验和单轴压缩蠕变实验,得到重塑冻结黏土在不同温度及载荷加载等级下的应力-应变曲线和蠕变曲线。实验结果表明:冻结温度越低,土样的单轴强度越大;相同冻结温度下,土样的蠕变变形随着应力水平的升高而增大。单轴压缩蠕变的等时应力-应变曲线随时间发展向应变轴靠拢;土样经历初始蠕变和等速蠕变两个阶段,在较高应力水平下有进入加速蠕变的趋势;对S--M模型中各参数的意义进行修正并考虑温度的影响,得到人工冻结黏土改进S--M蠕变显式模型,然后采用粒子群算法对人工冻结黏土S--M蠕变模型参数进行优化。改进S--M蠕变显式模型理论计算值与实验值吻合良好,表明改进S--M蠕变显式模型能较好模拟人工冻结黏土的蠕变特性。改进S--M蠕变显式模型为人工冻土蠕变计算提供一种新方法。     

ANALYSIS OF MECHANICAL CHARACTERISTICS OF FROZEN CLAY AND MODIFIED S-M CREEP MODEL1)

为合理描述人工冻结法施工的矿井土层力学特性,对某矿井土样的重塑土进行单轴抗压强度实验和单轴压缩蠕变实验,得到重塑冻结黏土在不同温度及载荷加载等级下的应力-应变曲线和蠕变曲线。实验结果表明：冻结温度越低,土样的单轴强度越大;相同冻结温度下,土样的蠕变变形随着应力水平的升高而增大。单轴压缩蠕变的等时应力-应变曲线随时间发展向应变轴靠拢;土样经历初始蠕变和等速蠕变两个阶段,在较高应力水平下有进入加速蠕变的趋势;对S-M模型中各参数的意义进行修正并考虑温度的影响,得到人工冻结黏土改进S-M蠕变显式模型,然后采用粒子群算法对人工冻结黏土S-M蠕变模型参数进行优化。改进S-M蠕变显式模型理论计算值与实验值吻合良好,表明改进S-M蠕变显式模型能较好模拟人工冻结黏土的蠕变特性。改进S-M蠕变显式模型为人工冻土蠕变计算提供一种新方法。     

考虑围压效应的冻结砂土动态本构模型研究

为描述主动围压作用下冻结砂土的动态力学特性,通过在朱-王-唐模型的非线性体上串联塑性体,建立了能够考虑围压效应的冻结砂土动态损伤本构模型;分析了损伤参数对应力-应变曲线特征、屈服点、峰值应力和峰值应变的影响规律,基于冻结砂土动力学试验数据确定了模型参数;通过将模型和试验数据进行对比,并对不同试验条件下模型的预测误差进行分析,验证了模型的适用性和准确性。结果表明,损伤参数对应力-应变曲线弹性阶段和屈服点无明显影响,而对塑性阶段和破坏阶段的影响较为显著,本构模型预测的应力-应变曲线与试验结果具有较好的一致性。模型能够预测围压引起冻结砂土塑性阶段占比大和屈服点明显的特征,且能够描述围压对冻结砂土动态强度的增强效应;不同负温和主动围压条件下,模型对峰值应力和屈服强度的预测效果优于峰值应变和屈服应变。     

冻土单轴动态加载下的力学性能

研究冻土的动态力学性能对于地下工程人工冻结法施工等具有重要意义。本文应用分离式霍普金森压杆(SHPB),研究了冻土单轴动态加载下的力学性能,涉及-3、-8、-13、-17、-23和-28℃共6个负温的冻土,应变率范围350～1200s-1。获得了相应条件下的冻土应力应变关系。冻土的单轴动态应力应变曲线具有脆性特征。发现冻土具有温度和应变率效应,其强度随温度降低和应变率增大而增大,最终应变随应变率增大而增大。冻土温度越低,应变率敏感性越强;加载应变率越高,冻土的温度效应越显著。文中提出的粘弹性损伤型本构模型能够较好的描述6个温度冻土的应力应变关系。     

人工冻结黏土承载力模型试验及数值模拟分析

在天然冻土地区进行工程建设需研究冻土地基承载力。在人工冻结黏土蠕变试验的基础上建立广义开尔文模型,通过改造人工冻土大型冻结试验平台,进行人工冻结黏土地基承载力试验,发现载荷–沉降曲线可以分为3个阶段,基础呈局部剪切破坏。在ANSYS中将考虑相变的温度场转化为温度载荷施加在三维实体模型上,并将广义开尔文模型应用于软件中,采用增量加载方式分级加载。对比数值模拟与模型试验结果,发现地基载荷–沉降曲线规律一致,极限承载力大小基本相等,基础破坏模式相同。结果表明ANSYS软件可以分析复杂边界、初始条件下冻土材料的性质,且能得到不同载荷下冻土材料的应力、位移、塑性区发展状况。     

冻土的有限变形本构关系的实验研究

根据有限变形理论,给出了冻土三轴蠕变实验数据处理时所需Green应变和Kirchhoff应力的计算公式,并根据冻土三轴蠕变实验结果给出冻土的有限变形本构关系及其蠕变参数。通过对冻土的实验数据对比分析可知:在相同试验条件下,应变较小时,小应变ε1 和Green应变Ez的数值几乎相等,随着应变的增加,两种表征方式的计算结果差别越来越大,可见对于冻土如果不考虑试件变形前后长度的变化,计算得出的应变偏离实际变形情况较大,因此冻土材料的本构关系采用有限变形表征更确切。根据冻土的有限变形本构关系计算得到的冻结壁内侧最大径向位移更接近实测结果,因此冻结壁设计计算依据冻土的有限变形本构关系更为合理。对今后冻结工程的设计具有参考价值。     

基于统计损伤理论的冻土蠕变本构模型研究

假定冻土粘塑性微元损伤符合修进的莫尔-库仑准则,损伤变量服从Weibull随机概型分布;基于热力学原理和统计损伤理论,通过推导得到了相关联流动法则下的蠕变损伤耦合本构方程.为了便于研究冻土蠕变和损伤的耦合作用,将提出的本构模型,通过用户子程序嵌入到有限元程序中.最后,对冻土中桩基承载力模型试验进行了数值模拟,结果表明:基于统计损伤理论的冻土蠕变本构模型能较好的模拟冻土蠕变变形的全过程,并且与实测蠕变变形十分吻合,该模型对冻土结构物长期稳定性分析和工程预测具有重要参考意义.     

真三轴应力状态下岩石损伤本构模型

从岩石微元破坏服从Weibull 随机分布的特点出发,建立了真三轴应力状态下岩石损伤软化统计本构关系;根据应力应变关系的几何条件,建立了本构模型参数与岩石变形过程中应力应变曲线特征参量的理论关系,从而增强了模型的适应性;最后通过试验实测数据验证了模型的合理性.     

陶瓷材料动态压缩损伤本构模型

运用细观损伤力学理论,从动态压缩载荷下陶瓷材料内翼型裂纹的产生和扩展的损伤机理出发,建立了陶瓷材料的弹脆性动态损伤本构模型,给出相应的损伤演化方程.假设裂纹成核满足Weibull分布,讨论了成核分布参数、原始缺陷尺寸对材料动态断裂应力、断裂应变的影响,并用动态损伤演化模型计算了冲击载荷下AD90陶瓷的动态应力应变曲线,计算结果和实验结果符合很好.     

岩石化学腐蚀-围压细观损伤本构模型与离散元模拟研究

基于Lemaitre应变等价性假设理论,假定受水化学-力耦合损伤的岩石微元强度服从Weibull分布,考虑化学腐蚀与围压耦合作用对岩石力学参数的影响,通过核磁共振技术与损伤力学理论,引入细观化学损伤变量与力损伤变量,并认为微元破坏符合SMP准则,建立岩石化学腐蚀-力耦合损伤本构模型,并采用理论推导的方法得出所需的模型参数。同时基于颗粒离散元方法,引入参数半径乘子来改变颗粒间的黏结接触尺寸,从而模拟水化学损伤,采用平直节理模型对水化学作用后的岩石进行三轴压缩模拟,得到了水化学作用和不同围压下的岩石三轴应力-应变模拟曲线。通过对比所构建的岩石化学腐蚀-力耦合损伤本构模型理论曲线、离散元模拟曲线和试验曲线,结果表明三者吻合度较好,能够很好地反映岩石在化学腐蚀和围压耦合作用下的力学特性与破坏特征,并通过离散元方法得到了岩石在三轴压缩过程中裂纹的产生与分布情况。     

沥青混合料的粘弹性疲劳损伤模型研究

从沥青混合料的黏弹性本构模型出发，按应变等效假设 将损伤引进本构模型，推导周期应力条件下含损伤的耗散能表达式，进而得到黏弹性损伤演 化方程和疲劳方程；该模型可以综合反映应力、加载频率和温度的影响，适合用来分析沥青 路面的疲劳损伤问题；利用MTS开展了沥青混合料的疲劳损伤试验，确定了相应的黏弹性疲 劳损伤模型参数，据此开展了模型验证，结果表明模型与实测值之间相关性很好.     

考虑温度效应的层状复合岩石力学损伤试验及模型研究

为研究层状复合岩石高温作用下的力学特性,对相似材料制备的层状复合岩石进行20℃（室温）,100℃,200℃和300℃热处理,并开展单轴压缩试验获取其物理力学参数。结果表明,随着温度升高,层状复合岩石质量变化率与体积膨胀率呈上升趋势,且在100℃时增幅明显。拟合各力学参数的经验公式发现,峰值强度及弹性模量趋于劣化并呈线性降低,峰值应变与温度成正相关。随着温度升高,层状复合岩石呈剪切–滑移型破坏,单一类岩石由剪切破坏向张拉–剪切破坏转化,破坏时微裂纹数量增多,在300℃时延性特征显著。引入考虑温度效应的岩石本构模型并拟合了不同温度下的应力应变曲线,该模型较好地表征了热处理后层状复合岩石的损伤演化规律及破坏特征,合理地揭示了层状复合岩石高温作用后的损伤机理。     

水泥砂浆的一个热粘弹性率型损伤本构模型

利用SHPB实验系统及自行研制的混凝土类材料快速高温加热设备,对水泥砂浆试件进行了不同 温度(20~600℃)和3种冲击速度下的实验,得到了不同温度和冲击速度下水泥砂浆试件的应力应变关系曲 线。基于ZWT粘弹性本构模型,并且考虑高温下水泥砂浆损伤演化规律都服从Weibull分布,提出了一个水 泥砂浆的热粘弹性率型损伤本构模型。通过数据拟合,获得了本构模型的相关参数,结果表明:理论预测和实 验结果吻合良好。     

基于邓肯-张的冻结粉质粘土本构模型试验研究

为研究冻结粉质粘土强度和变形特性,以沈阳地铁DK11+395联络通道处人工冻结粉质粘土为研究对象,通过冻土三轴剪切试验,研究了不同试验条件下冻结粉质粘土的强度和变形特性。试验结果表明：围压、温度和试件初始含水量是影响冻结粉质粘土强度和变形的主要因素。冻结粉质粘土偏应力-应变曲线呈应变硬化型,其破坏强度和切线弹性模量随围压和试件初始含水量的增加而增大,随温度的升高而减小,破坏偏应力比Rf取值在0.79~0.96之间。基于试验数据建立了以上述三因素为影响因子的冻结粉质粘土Duncan-Chang模型。通过回归分析,建立了模型参数a和b与围压、初始含水量和温度之间的线性回归公式。将依据模型计算的偏应力-应变曲线与对比试验曲线相比较,发现两者具有较好的吻合程度,说明建立的模型能够准确反映围压、初始含水量和温度等条件对冻结粉质粘土强度和变形的影响规律。上述研究成果为冻结粉质粘土强度和变形特性的研究提供了参考,为人工冻结法施工提供了指导,具有重要的理论意义和工程应用价值。     

基于级连相关神经网络的人工冻土本构模型1）

为解决BP (back propagation)神经网络收敛速度慢,网络结构需事先定义等缺点,采用了级连相关神经网络模型来建立人工冻土应力和应变之间的关系。基于该模型推导了冻土的一致刚度矩阵形式,利用人工冻土三轴试验数据对神经网络模型进行训练,并用其替换有限元计算中的传统本构模型,将计算结果与性质及含水率相同的冻土的试验结果进行了对比,发现该神经网络本构模型很好地反应了材料的非线性,能够改善数值计算结果,与实测结果吻合地很好,比具有相同隐含层神经元个数的BP模型更接近实测结果。     

基于级连相关神经网络的人工冻土本构模型

为解决BP(back propagation)神经网络收敛速度慢,网络结构需事先定义等缺点,采用了级连相关神经网络模型来建立人工冻土应力和应变之间的关系.基于该模型推导了冻土的一致刚度矩阵形式,利用人工冻土三轴试验数据对神经网络模型进行训练,并用其替换有限元计算中的传统本构模型,将计算结果与性质及含水率相同的冻土的试验结果进行了对比,发现该神经网络本构模型很好地反应了材料的非线性,能够改善数值计算结果,与实测结果吻合地很好,比具有相同隐含层神经元个数的BP模型更接近实测结果.