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1.
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基于三维离散元堆积碎石土细-宏观力学参数相关性研究 被引次数：1
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马石城 胡军霞 马一跃 董辉《计算力学学报》,2016年第33卷第1期
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以室内三轴压缩试验为基础,运用PFC3D离散元软件生成含有不同形状碎石块的1∶1堆积碎石土数值模型,标定得到相应的细观参数(相对误差控制在10%以内)。改变细观参数,定量探讨其与宏观力学参数(粘聚力和内摩擦角)关系,得到细观参数与粘聚力、内摩擦角的细-宏观参数关系式,并对其可靠性进行了验证。研究发现,(1)粘聚力与接触粘结力、颗粒摩擦系数呈线性正相关;同时受粘结力比值M=σc/τc的影响,当M1时,粘聚力随着M的增加而线性增加;M≥4时,粘聚力趋于稳定。(2)内摩擦角与颗粒摩擦系数呈对数关系,与接触粘结力呈抛物线关系。(3)细-宏观参数关系式是在含水率为7%室内试验结果基础上研究得出,将关系式运用到含水率为9%和11%的室内试验结果进行标定验证:依据含水率为9%和11%室内试验得到的c和φ值,运用细-宏观参数关系式计算得到细观参数,经验证其数值-室内试验结果相对误差在10%以内,说明通过细-宏观力学关系式得到的细观参数符合精度要求,关系式可靠。为后续土石混合体数值试验研究者进行细观参数标定工作提供了参考依据。
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2.
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颗粒离散元模拟堆积碎石土变形的参数灵敏度分析
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董辉 马一跃 傅鹤林 王智超 陈铖《计算力学学报》,2015年第32卷第2期
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采用颗粒离散单元方法,实现任意形状块石的模拟,基于室内试验数据标定滑坡坡体物质的堆(残、坡)积碎石土的细观参数,并考虑试样尺度效应,对影响堆积碎石土宏观变形特征的细观参数进行虚拟试验敏感度分析。研究表明,1以三轴剪切试验获得测试数据并标定颗粒离散元细观参数具有相对误差在5%以内的可靠性;2虚拟模型1(101mm×200mm)与模型2(300mm×600mm)对标定的细观参数具有尺度效应,但其相对误差控制在9%以内;3离散元颗粒间的摩擦系数与碎石土的内摩擦角、抗剪强度及残余强度为非线性正相关,摩擦系数每增加0.1,峰值主应力差平均增加118.85kPa,残余强度平均增加90.44kPa;4围压越大,材料的剪胀性越弱,围压在100kPa~500kPa时,剪胀特征值K在3~6之间变化,随着围压增加,模型破坏时的粘结力以近线性增加;5杨氏模量越大,碎石土的抗剪强度越大,但两者之间并不成线性关系,且不同杨氏模量对材料的残余强度没有显著影响。
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3.
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基于神经网络和平直节理接触模型的细观参数标定方法
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《力学与实践》,2021年第3期
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近年来,颗粒流程序离散元分析方法在岩石工程领域广泛应用,它从细观角度最大限度地还原了岩石等材料力学行为的本源,但颗粒流模型的细观参数与岩石材料的宏观参数并不相同,其标定过程复杂、耗时。为此,基于平直节理接触模型,以单轴压缩、直接拉伸和双轴压缩等数值模拟试验测试岩石材料宏观力学参数;对模型细观参数进行正交设计,并通过多因素方差分析研究宏细观参数之间的关系;采用BP (back propagation)神经网络建模对细观参数进行标定并校核标定结果,校核结果表明细观参数标定精度普遍高于90%,且总体误差较小,证明了标定方法的可行性。结合花岗岩在室内常规试验下的应力-应变曲线和破坏特征,验证了神经网络的反演方法在标定岩石材料细观力学参数工作中的有效性。
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4.
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基于细观拓扑结构演化的颗粒材料剪胀性分析
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刘嘉英 周伟 姬翔 魏纲 袁思莹 李欣骏《力学学报》,2022年第3期
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剪胀性是包括岩土材料在内的摩擦性颗粒材料的重要特征之一,其形成机制与颗粒体系内部拓扑结构的演化有关.基于颗粒体系细观数据,可对颗粒体系内部的拓扑结构特征及演化进行分析,进而建立拓扑演化与宏观剪胀变形之间的联系.采用离散单元法,根据密实、中密和松散摩擦性颗粒材料双轴试验的宏微观数据,从拓扑参量演化及接触网络拓扑变化所引起的3类细观结构几何特征等方面研究了颗粒材料宏观剪胀变形的拓扑机制.研究表明:密实和中密颗粒体系双轴试验过程存在应变软化和剪胀现象,与细观结构的拓扑演化与几何各向异性相关,而松散颗粒体系剪胀效应不明显;将接触网络剖分成多边形力环结构并根据拓扑演化定义新生、消失和不变3类细观结构,在加载过程中不同拓扑属性细观结构所占比例及各向异性存在较大差异,且较大尺寸的力环可承担较大的几何各向异性;新生力环结构在双轴加载过程中能够表现出更加明显的剪胀特性,颗粒体系整体的剪胀变形受到新生结构拓扑变化及恒定结构几何变化的综合影响.
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5.
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PFC2D平节理模型细观参数标定方法
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张宝玉 张昌锁 王晨龙 郝保钦《计算力学学报》,2021年第38卷第5期
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细观参数的快速准确确定对PFC正确模拟岩石力学性能非常重要.目前,平节理模型细观参数的标定研究均未考虑对泊松比和压拉比有很大影响的黏结比例φb和影响岩石强度及裂纹产生难易程度的黏结强度变异系数Rsd这两个细观参数,且未考虑作为判断围岩损伤范围重要指标的宏观参数起裂强度σci在参数中新增φb,Rsd和σci,采用正交数值试验方法研究了平节理模型8个细观参数与岩石6个宏观参数之间的相关性,确定了各宏观参数与主要细观参数之间的拟合关系,并分析了宏细观参数间的趋势关系.在此基础上,提出了平节理模型细观参数的标定流程,然后根据片麻花岗岩物理试验的宏观力学参数确定了模型的细观参数并进行数值试验,模拟结果与物理试验结果基本吻合,说明标定流程可行.
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6.
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红砂岩单轴压缩宏细观参数映射关系研究
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《力学与实践》,2020年第2期
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颗粒流离散元软件PFC2D在岩土工程中的应用十分广泛,存在的主要问题是如何标定其细观参数,目前大多使用"试凑法",此方法的缺点在于工作量大、效率低等,本文提出以反向传播算法(back propagation,BP)神经网络的方式代替此方法,利用PFC2D内置的FISH以及Python语言对其进行二次开发,使之自动运行并获取40组宏细观参数样本。结果表明:BP神经网络可以快速准确地建立宏细观参数映射关系,误差均保持在0.01以内,模拟得到的应力–应变曲线与室内试验曲线高度吻合,且无需大量的数据样本便可创建网络,效率较高;另外,经验证本文选用的平直节理模型,可以有效地解决平行粘结模型UCS/TS值偏小问题,确定平直节理模型可以更好地模拟岩石。
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7.
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岩土材料细观、宏观强度参数的关系研究 被引次数：2
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尹小涛 李春光 王水林 邓琴《固体力学学报》,2011年第Z1期
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岩土材料细观与宏观概念的界定有个相对尺度的区别.当前对于岩土体宏观与细观参数间规律的探索主要集中在本构关系和计算分析两个方面.论文利用颗粒流,设计了无摩擦作用下3个颗粒间黏结强度增加、弱黏结和强黏结作用下19个内摩擦角在0-90度单调增加等共计41组单轴压缩数值试验.分析发现:(1)颗粒间黏结强度的增加,使得粒间较难破裂,微裂纹数量急剧减少.(2)黏结强度一定时,45度前后破坏模式截然不同,与剪切破坏角有关.(3)强黏结峰后曲线跌落明显,脆性破坏特征明显.(4)颗粒间强度参数的变化,不改变能量转移模式,黏结强度的改变使得应变能占输入能量的比例提高,即材料破坏的塑性渐变减小.弱黏结时,随着内摩擦角的增加应变能占输入能量比例逐步减小.强黏结时,应变能占输入能量比例近似,减小不明显.
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8.
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砂土地基锚板基础抗拔承载力PFC数值分析
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刘君 胡宏《计算力学学报》,2013年第30卷第5期
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在模型试验的基础上,采用PFC离散单元法对条形锚板基础在中密砂土地基中的抗拔性能进行了数值分析。数值模拟采用簇颗粒单元来模拟砂粒的不规则形状,颗粒级配根据模型试验福建标准砂的级配按照相似级配法生成,细观参数根据数值双轴试验确定。水平锚板数值模拟结果与模型试验结果基本一致。与模型试验结果相比,颗粒流数值模拟能得到颗粒间接触力链的分布及其演化规律,能从细观角度来探明宏观抗拔承载力特性的演化机理。在此基础上对倾斜锚板上拔过程进行了模拟,分析了锚板前后砂粒的运动趋势以及接触力链的演化规律,并与已有承载力结果进行了对比分析。
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9.
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无胶结材料的离散元微观参数交互作用研究
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王智超 旷杜敏 赵涛《计算力学学报》,2017年第34卷第6期
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为研究无胶结材料离散元参数之间的交互影响,采用抗转动模型进行三轴排水试验模拟。首先,采用完全试验设计方法和析因试验设计方法,分别对宏微观参数相依规律以及参数之间的交互作用进行定性分析;然后,采用多元非线性回归分析方法对其进行定量分析,并提出了考虑交互作用的宏微观参数换算理论公式。着重探讨了无胶结材料微观参数中的刚度比α=k_s/k_n(0.3~0.9)、滚动刚度系数β(0.1~3)、颗粒内摩擦角θ(10~40)、法向接触刚度k_n(1×10~7~7×10~7)以及塑性弯矩系数η(0.1~3)与材料宏观力学性质峰值应力σ_p、残余强度σ_r、弹性模量E、泊松比ν以及内摩擦角φ之间的相关关系。研究结果表明,(1)颗粒材料的宏观强度参数主要受颗粒内摩擦角以及抗转动参数影响,而其变形参数主要由颗粒接触刚度及接触刚度比控制;(2)各个微观参数之间就存在不同程度的交互作用,且交互作用对试样宏观性质将产生一定影响;(3)对峰值强度、残余强度和宏观内摩擦角而言,两抗转动参数之间以及抗转动参数与颗粒内摩擦角之间存在较强交互作用。对于宏观弹性模量和泊松比而言,颗粒接触刚度和颗粒接触刚度比与其他微观参数产生较强的交互作用。研究成果对合理科学地确定离散元模型的微观参数具有一定的指导意义。
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10.
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用于模拟颗粒增强复合材料破坏过程的梁—颗粒细观模型的实验验证 被引次数：2
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邢纪波 俞良群《实验力学》,1998年第13卷第3期
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本文的主要目的是验证梁－颗粒细观模型在模拟混凝土和砂岩类颗粒增强复合材料连续破坏过程的有效性，文中首先介绍了梁－颗粒细数值模型的基本原理，然后给出了由细钢丝粘结成的正方体试验的单轴抗压实验结果，最后用梁－颗粒细观模型对物理实验进行了数值模拟，研究结果表明，物理实验和数值模拟所得到的试件破坏模式和荷载－位移曲线，两者基本一致，从而初步证明了梁－颗粒细观数值模型及模拟颗粒增强复合材料破坏过程，以及解释
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11.
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颗粒介质尺度效应的抗剪试验及物理机理分析
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房营光《物理学报》,2014年第63卷第3期
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针对颗粒介质力学特性的颗粒尺度效应研究，选用土矿物颗粒制备不同颗粒尺度的抗剪试样，进行一系列直剪快剪和三轴抗剪试验，测得了不同颗粒粒径和体分比试样的变形曲线及剪应力强度；基于颗粒间微观作用力与重力比值和胞元体模型，首次从微观和细观角度解释颗粒尺度效应的物理机理. 结果表明，随着介质中粗颗粒的比例增加和粒径减小，介质变形特性增强，剪应力强度也随之提高；体分比对变形和强度特性的影响比粒径的影响更加显著. 基于介质特性尺度效应物理机理分析，提出衡量介质颗粒聚集和摩擦效应的微重比判别参数以及应变梯度和变形协调微裂纹引起颗粒尺度效应的细观机理解释；文中提出的胞元体模型大大减少了颗粒物质体系的计算自由度，为工业和工程设计的计算建模提供一种可行途径. 关键词： 颗粒介质 颗粒尺度效应 抗剪试验 物理机理
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12.
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土体含水率与滑坡风险相关性实验研究
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《实验力学》,2020年第2期
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降雨入渗容易造成边坡滑坡自然灾害,含水率是影响土体抗剪强度的关键因素之一。本文以滑坡区红黏土为研究对象,制作了5组不同含水率的土样,并在不同垂直压力下进行快速剪切实验,得到每组对应的剪切强度参数,研究了含水率与剪切强度参数之间的关系。利用实验所得到的土工参数进行高地下水位边坡稳定性数值模拟,拟合得到边坡坡顶含水率与边坡安全系数的关系。结果表明:含水率从10%增加到25%,红黏土强度指标粘聚力、内摩擦角约分别下降50%和30%;含水率与粘聚力和内摩擦角间均呈半对数关系;边坡坡顶含水率增加导致边坡安全系数近似成二次曲线下降趋势。
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颗粒摩擦对颗粒材料剪切行为影响的试验研究 被引次数：2
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戴北冰 杨峻 周翠英《力学学报》,2013年第45卷第3期
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通过对一种类似于土的颗粒材料--玻璃珠开展一系列室内直剪试验,研究颗粒间摩擦对颗粒材料剪切行为的影响. 试验一共考虑了4种不同的摩擦情况:干燥状态、用水浸润状态、完全淹没在水中和用油浸润状态. 分析试验结果发现,与干燥状态试样相比,用油浸润能明显降低试样的剪胀性和抗剪强度,而用水浸润和淹没在水中的方法没有产生显著的影响. 此外,通过在剪胀关系式中引入可变剪胀系数来考虑颗粒摩擦对颗粒材料剪胀性的影响,并从颗粒滑动与滚动的细观机理上初步解释了颗粒滑动摩擦角对临界状态摩擦角的影响规律.
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14.
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岩土类颗粒物质宏–细观力学研究进展 被引次数：6
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孙其诚 程晓辉 季顺迎 金峰《力学进展》,2011年第41卷第3期
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岩土类颗粒物质在自然界、工程建设以及日常生活中普遍存在, 其运动特性的研究在力学界已经开展了几十年. 在近20年开展的一系列小尺寸物理实验中, 颗粒物质表现出许多新奇现象, 人们从物理角度开展了系统研究, 在统计力学中, 颗粒固体的流体动力学等理论研究以及实验检测技术等方面都取得突破性进展, 深刻地揭示了颗粒材料的物理机制, 促使力学界对颗粒物质研究中原有的概念、假设、模型和理论进行重新认识. 本文主要介绍颗粒物质的细观结构特点, 以 Rowe应力剪胀关系为例的宏--细观研究思路, 非线性、非弹性本构关系的细观推导, 宏观强度与颗粒摩擦系数的关系, 尺寸效应和相似关系等基础问题, 介绍了岩土颗粒力学的新进展, 介绍了常用的实验量测手段. 基于我们的经验, 提出了今后需要加强的几个方面：如分析颗粒离散元理论和计算细节; 开展理想实验来验证理论和计算结果; 结合迅速发展的高性能计算能力, 开展高科学置信度大规模计算. 目前, 岩土类颗粒物质的宏--细观研究尚处于起步阶段, 到达实际工程应用还有很长的路要走; 相关的工程技术要取得实质进展, 还需依赖颗粒物质等基础研究的突破.
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含随机参数的非线性黏弹性有限元计算 被引次数：1
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张海联 周建平《力学学报》,2004年第36卷第3期
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进行了粗粒土与结构接触面单调和循环加载试验，基于宏细观测量结果, 扩展了损伤概念以描述该类接触面在受载过程中的物态演化, 及由于物态演化导致的力学特性从初始状态到最终稳定状态的连续变化过程. 揭示了接触面损伤的细观物理基础主要是接触面内土的颗粒破碎和剪切压密这两种物态演化；指出接触面的剪胀体应变可以划分为可逆性和不可逆性剪胀体应变两部分，其中不可逆性剪胀体应变可作为接触面损伤发展的宏观量度，因此其归一化形式可作为一种损伤因子的定义；提出了建立粗粒土与结构接触面一种损伤本构关系的基本思路.
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振动摩擦机理及其非线性动力学特性 被引次数：1
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滕云楠 曾庆辉 姚红良 闻邦椿《摩擦学学报》,2010年第30卷第2期
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揭示了振动工况下散体物料的振动摩擦机理，给出了振动参数与土壤内摩擦力的关系曲线，并用数值试验方法模拟了复杂的振动摩擦压实过程，分别给出了振频和振幅对土壤孔隙比和轴向应力均值的关系曲线，验证了振动压实减摩机理的正确性。结果表明：松散物料在振动工况下，其颗粒间的摩擦力由静摩擦力转变为动摩擦力，随着振频和振幅的增加，摩擦阻力减小，从而土的内摩擦力减小，并且存在最优的振动强度使土壤在振动压实过程中的内摩擦力最小。建立了基于振动压路机的振动摩擦系统非线性动力学模型，利用渐进法得到了振动压实过程的共振响应和非共振响应。
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基于离散元模型的土石混合体直剪试验分析 被引次数：1
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赵金凤 严颖 季顺迎《固体力学学报》,2014年第35卷第2期
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土石混合体是由高强度块石和低强度土体组成的一类特殊工程地质材料，其力学性质可通过直剪试验进行确定。本文针对土石混合体的细观材料特性，分别采用球形颗粒单元和非规则组合颗粒单元模拟土体和块石材料，对其在不同含石量和颗粒粘结强度下的直剪试验过程进行离散元分析。计算结果表明，土石混合体的抗剪强度随着含石量和粘结强度的增加而增加；通过不同法向应力下直剪试验的离散元分析，确定了不同含石量下土石混合体材料的内摩擦角和粘聚力。本文研究结果有助于进一步揭示土石混合体的抗剪强度特性。
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18.
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基于van Genuchten模型的非饱和土非线性抗剪强度研究
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《应用力学学报》,2019年第5期
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为了更直观和全面地揭示非饱和土的抗剪强度变化规律,针对土体剪切破坏面上抗剪强度与法向应力呈非线性关系以及基质吸力关联摩擦角随基质吸力改变呈非线性变化这两种实验现象,结合vanGenuchten土水特征曲线模型,提出了非饱和土的非线性抗剪强度包络壳模型,进而推导得出了基于土水特征曲线(SWCC)相关参数的非饱和土非线性抗剪强度计算公式。研究表明:模型中各参数较易获取且无须增加额外的试验;与Fredlund包络(平)面模型相比,本文模型参数获取过程更为客观,可有效保证计算的唯一性和准确性;通过与已有文献所给试验结果进行对比分析,本文模型的适用性与可靠性得到了验证,相较于著名的Fredlund非饱和土抗剪强度计算公式,由本文方法给出的非线性抗剪强度与土体真实抗剪强度更为接近。
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19.
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近源堆沉积土石体细观结构与抗剪强度指标关联分析
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董辉 赵征 蒋秀姿《计算力学学报》,2019年第2期
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细观结构是认知土石体力学行为本质的关键科学问题。本文通过引入物理学和数学等方法,借助颗粒物质力学理论,从几何排列与接触力的空间分布来定量刻画水平固结与山前坡地堆积两种典型环境下土石体的细观结构特征,并建立其与抗剪强度指标的关联。研究表明,(1)两种环境的土石体在细观结构上存在较大差异。在几何排列上,水平固结环境下的土石体具有长程无序和短程有序的特点,坡地堆沉积环境下的土石体表现出了无序的无定形结构;在接触力与单位接触向量的空间分布上,两者较为相似,绝大多数接触力以小于均值接触力的形式存在,其概率密度曲线P(f)呈幂函数衰减;90%以上接触方位角集中在40°～160°和220°～340°范围内。(2)基于径向分布函数、接触力概率密度和单位接触向量分别定义细观结构的特征量K_a,K_s和K_o,发现三个特征量的增大对内摩擦角呈线性促进作用,对黏聚力呈非线性削弱作用。
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20.
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基于多尺度方法的三维编织C/C复合材料弯曲失效特性分析
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赵雪尧 魏坤龙 史宏斌 任全彬 王健儒 白彦军 郭运强《应用力学学报》,2022年第4期
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为了预测三维编织C/C复合材料的弯曲失效行为，基于多尺度渐进展开理论，结合细观渐进损伤模型，建立了三维编织C/C复合材料宏细观多尺度分析模型。通过商业有限元软件ABAQUS用户子程序UMAT的二次开发，在宏观结构有限元分析中实时调用细观单胞模型进行细观渐进损伤分析，实现了宏细观尺度之间交互式信息传递和多尺度损伤模拟。利用上述模型对三点弯曲载荷下三维编织C/C复合材料梁的渐进损伤和失效过程进行了模拟，预测了梁的载荷-挠度曲线和弯曲强度，并与实验结果进行了对比分析，验证了基于多尺度方法的三维编织C/C复合材料弯曲强度预测模型的有效性，为此类材料及结构失效分析提供了一种手段。
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