德州地区土体固结过程微观结构的显微观测分析

土体的宏观工程力学性质受土体微细结构状态和变化规律的影响,其复杂的物理力学特性是微细结构特性的本质体现。为探明宏观土体沉降现象背后的本质机理,对德州地区沉降中心附近土体进行钻孔取芯,对五组不同深度土体试样进行不同荷载下的固结试验与SEM电镜扫描试验,探讨不同深度粘性土随着固结压力变化,土体压缩性及其微观结构的变化规律,总结土体微结构特征与微观参数变化特征,以期从细观本质机理上解释德州地区地面沉降的宏观现象。结果表明,随着固结压力的变化,土体的平均颗粒面积呈增大趋势,土体颗粒扁圆度提高。单元体排列概率熵均呈明显下降趋势,土体颗粒与土内孔隙分布定向性提高。不同深度的五组土体孔隙分布分维数均呈下降趋势且最终趋于稳定,颗粒分布分维数则明显上升,土体密实程度提高。     

考虑土体结构扰动的三维柱孔扩张模型研究

基于考虑土体结构扰动的三维柱孔扩张模型分析沉桩挤土效应,提出对数式的土体原位强度扰动函数,引入土体灵敏度参数描述扰动的影响,推导出饱和土不排水条件下柱孔扩张的应力场、应变场及超孔隙水压力的解析解。参数分析结果显示:考虑土体结构扰动下的应力场及超孔隙水压力均高于不考虑扰动情况;应力在径向方向呈非线性变化,在深度方向呈线性变化;极限扩张压力随深度呈非线性变化,且受土体内摩擦角影响较大;一定深度时,扩张产生的相对超孔隙水压力恒定不变。通过案例比较,验证了所提出的三维柱孔扩张模型在挤土效应分析上具有更高的适用性,将传统理论由平面应变问题扩展到三维空间分析上,可以为沉桩施工提供更加科学的理论指导。     

固结条件下黏性土微观孔隙结构试验研究

土体微观结构状态是控制土体稳定的重要因素,工程土体在宏观上表现出的复杂特性根本上取决于微结构的复杂性和不确定性。本文以德州市沉降区钻孔中黏性土层为研究对象,基于对电镜扫描图像的分析处理,从微观角度对不同深度黏性土的孔隙结构演化机制进行研究,并探讨土体初始结构状态对压缩性的制约关系。微观试验分析表明:固结荷载改变土体微结构类型,随着固结荷载增加,结构单元体由松散状态转变为团聚状态,土体密实度提高,孔隙面积减小。定量分析表明:固结压力将改变土体微结构要素,随着固结荷载增加,平均孔径减小、微小孔隙所占比例增加、孔隙形状不断调整最终趋于圆滑、集团化程度变高、土体定向性增强。上述试验为深入理解土体微观结构非线性问题,以及微观结构与宏观工程特性的相互作用机制提供了依据。     

沉桩挤土位移应力变分解和积分泛函收敛性分析

静压桩是一种挤土桩,沉桩挤土作用将引发很多工程问题. 实际的贯桩过程发生在半无限成层土体中,且单桩具有空间轴对称性,桩的形状和长度也各不相同,因此需要研究半无限土体中一般桩孔扩张的特性和解. 通过对沉桩挤土的研究现状和实际存在问题的分析,建立沉桩挤土三维模型、设定符合变分约束条件的位移函数. 根据研究区域的积分泛函得到问题的位移和应力解. 由于能量泛函涉及三维广义积分问题,所以重点对积分和解的收敛性进行了分析,并应用经典土压力理论、小孔扩张理论和Ansys计算结果对计算和分析结果进行验证.      

饱和黏土中考虑土塞效应的柱孔扩张分析

为研究静压开口管桩的挤土效应,在考虑土塞效应的前提下,采用柱孔扩张理论对管桩压入饱和软黏土时的扩孔过程进行了分析。基于可以合理描述黏性土强度特性的拓展Lade-Duncan屈服准则,对柱孔扩张过程中的桩周土体进行了弹塑性理论推导,得到了桩周土体应力场、位移场、塑性区半径、极限扩孔压力和塑性区外侧边界径向位移的解析解。在此基础上,通过室内模型实验获得了软土中开口管桩的土塞高度,且运用等效替代法验证了理论解答的合理性;并通过引入土塞长度比对参数进行了分析。结果表明:在沉桩过程中随着土塞长度比的增大,塑性区半径、极限扩孔压力和塑性区外侧边界径向位移均逐渐减小;土体的剪切模量和黏聚力对沉桩挤土效应有显著的影响,挤土效应始终随着土塞效应的增强而减弱。该研究成果对开口管桩工程的实际应用具有一定理论指导意义。     

冻土力学的研究进展与思考

从冻结土的宏观力学性质,正冻土中的水、热迁移理论,正 冻土的水热力耦合模型四个方面分析综述了国内外冻土力学的发展 历史、研究现状与我国冻土力学研究中存在的问题,指出：（1）当 前冻土力学的研究内容应该从对冻结土的宏观强度与变形性质向更 切合实际工程需要的正冻土、正融土微、细观热、力学耦合性质方 面深化;（2）冻土力学的研究思路应该从对土样纯力学量的试验研 究向土样组构、级配、含水量、饱和度等土性指标在不同负温下对 土样颗粒排列与胶结特性的强度、变形影响机理方面转移;（3）冻 土力学的研究对象也应该从室内冻结试验的研究向具有各种不同水 热交换边界条件与水热迁移内在规律的冻土体发展。     

考虑非饱和粘性土含水量变化的地铁隧道围岩土体稳定性分析

含水量是非饱和土力学性质的重要控制因素,非饱和粘性土是北京地铁苏州街车站隧道的主要围岩土体类型,应用钻孔取样的方法取得隧道周边区域内的土体系统样本,通过三轴试验和含水量测试建立了非饱和粘性土围岩的变形和强度参数与含水量的相关性,进而明确了该工程场地非饱和粘性土的主要参数与含水量的关系,以此为基础确定了工程场地不同区域的土体力学参数,通过有限元数值分析方法研究了施工过程中的围岩土体稳定性与地表沉降量,明确了考虑土体含水量变化条件下的隧道开挖施工过程中的围岩土体稳定性状况。     

上海软粘土微观特性及在土体变形与地面沉降中的作用研究

对上海软粘土的颗粒及集合体成分、孔径分布、微结构、孔隙溶液与阳离子交换性作了分析 ,对固结前后的孔径变化与人工回灌对土体性质可能带来的影响作了探讨 ,从物理化学角度阐述了软粘土微观特性对土体固结变形及地面沉降的影响.     

土体结构系统层次划分及其意义

土体结构系统研究是一项综合性、跨学科、具有重要理论和实践意义的基础性工作,它在尺度上涵盖了从宏观土区到微观粒子的整个土体系统。本文依据土体性质随尺度变化的原则,将土体结构系统从宏观到微观划分为7个层次,对每个层次的含义、研究内容和研究方法作了阐述。在分析了土体结构系统层次划分的意义后,进一步介绍了土体结构系统研究中面临的几个重要课题。土体结构系统的层次划分厘清了土体工程性质研究中的一些模糊认识,使土力学和工程地质学紧密结合在一起,为全面系统地研究土体结构系统打下了坚实基础。     

静压沉桩挤土机理探讨及有限元分析

针对预制桩在静压沉桩过程中出现的挤土现象,从土体小主应力方向加载的角度考虑,视浅层土体的隆起为小主应力方向(水平向)加载引起大主应力(垂直向应力)增加所致.在已有的柱形小孔扩张理论基础上,通过引入考虑位移的土压力计算方法提出了桩周土体隆起分界面表达式.利用该表达式分析浅层土体的隆起量,并利用Randolph提出的深层土体径向位移解析公式给出深层土体的变形量.最后运用有限元数值模拟计算与本文的数值解答进行对比分析,结果相近.     

Influence of the Flame Straightening Process on Microstructural, Mechanical and Fracture Properties of S235 JR, S460 ML and S690 QL Structural Steels

The flame straightening of steel components is based on heating a local region of the part by means of a torch in order to induce a permanent deformation through a field of residual stresses. Although this is a very common practice, it is not devoid of serious drawbacks. In this paper, the influence of the flame bending procedure on the microstructure of three very different structural steels (S235 JR, S460 ML and S690 QL, respectively), widely used for the construction of metallic structures, is analysed. The consequences of the heat treatment on the mechanical and fracture properties were characterised through micro-hardness Vickers and Charpy impact tests; in addition, some elastic-plastic fracture tests were performed on precracked Charpy specimens manufactured with the S235 JR steel. The relationship between the microstructural features and the material mechanical and fracture behaviour was studied in depth in all cases, correlating the changes induced by the flame heat treatment on the microstructure with the macroscopic mechanical and fracture response. For a proper understanding of the microstructural consequences of this straightening heat treatment, it was necessary to develop a Finite Element numerical model. Based on the experimental results, this study has revealed that the consequences of the flame straightening on the microstructure, mechanical or fracture behaviour strongly depend on the nature of the material; for this reason, it is not possible to establish general recommendations. Nevertheless, the paper proposes a series of guidelines for good practice for steels similar to those characterised here.     

橡胶材料弹性的一种新的螺旋管模型

建立统计力学模型正确描述材料微观结构与宏观力学特性之间的关系是软物质类材料的最大挑战之一,已有的橡胶材料统计模型尚存在一些不足.文章根据橡胶类材料宏观各向同性、连续均匀和不可压缩特性,结合分子链的非高斯统计模型,提出一种橡胶材料网络结构的力学特性模型.该模型将代表体元上对应点之间的传力路径用一个类螺旋管区域约束的分子链子网络来描述,螺旋管的表面随材料的宏观变形做仿射变形,分子链子网络由方向和长度随机的分子链或链段首尾链接而成,在此基础上由分子链的熵推导出描述材料宏观力学特性的本构关系.通过大量的材料测试数据对本构模型进行拟合验证,拟合结果表明该模型具有非常好的精度,并且在采用两个参数时模型具有非常高的可靠性,仅用单轴拉伸实验数据拟合模型就能准确预测全部3类实验数据.该模型使用了仿射的弯曲管假设,能从微观结构尺度上说明材料的不可压缩特性,避免了直管模型的近似性,为微观尺度的随机性和宏观的均匀性的联系提出一个新的模型.     

Discrete element analysis of the mechanical properties of deep-sea methane hydrate-bearing soils considering interparticle bond thickness

Due to increasing global energy demands, research is being conducted on the mechanical properties of methane hydrate-bearing soils (MHBSs), from which methane hydrate (MH) will be explored. This paper presents a numerical approach to study the mechanical properties of MHBSs. The relationship between the level of MH saturation and the interparticle bond thickness is first obtained by analyzing the scanning electron microscope images of MHBS samples, in which is the bridge connecting the micromechanical behavior captured by the DEM with the macroscopic properties of MHBSs. A simplified thermal-hydromechanical (THM) bond model that considers the different bond thicknesses is then proposed to describe the contact behavior between the soil particles and those incorporated into the discrete element method (DEM). Finally, a series of biaxial compression tests are carried out with different MH saturations under different effective confining pressures to analyze the mechanical properties of deep-sea MHBSs. The results of the DEM numerical simulation are also compared with the findings from triaxial compression tests. The results show that the macromechanical properties of deep-sea MHBSs can be qualitatively captured by the proposed DEM. The shear strength, cohesion, and volumetric contraction of deep-sea MHBSs increase with increasing MH saturation, although its influence on the internal friction angle is obscure. The shear strength and volumetric contraction increase with increasing effective confining pressure. The peak shear strength and the dilation of MHBSs increase as the critical bond thickness increases, while the residual deviator stress largely remains the same at a larger axial strain. With increasing the axial strain, the percentage of broken bonds increases, along with the expansion of the shear band.     

W-Ni-Fe合金静动态力学性能及数值模拟研究

采用MTS材料实验机和旋转盘式间接杆--杆型冲击拉伸试验装置对质量百分数为91%的钨合金材料力学性能进行了研究. 基于试验结果, 建立了具有钨合金典型细观结构的单胞有限元模型, 采用不动点迭代方法给出了该有限元模型的真实位移条件, 分析了不同颗粒度形状以及钨颗粒体积含量等细观参量对钨合金材料在不同载荷作用下力学性能的影响, 给出了钨合金材料在不同载荷作用下的应力--应变曲线, 并与试验结果进行了对比, 二者具有较好的一致性. 通过数值模拟发现不同颗粒度的钨合金材料均为应变率敏感材料; 钨颗粒长径比对材料力学性能的影响不大; 随着钨颗粒质量分数的增加, 钨合金材料的屈服应力有所提高.      

复合材料组分性能随机性识别的克里金随机分析方法

建立非均匀材料宏观力学性能与微结构参数之间的定量关系一直是人们所关心的问题,利用材料微结构参数和组分性能预报复合材料宏观力学性能,已经取得了很大的进展,然而已知复合材料宏观性能,如何开展组分性能的随机识别,目前的研究工作还不多见.论文考虑了复合材料的随机性,在已知复合材料宏观有效性能的随机性条件下,采用克里金随机分析方法,对复合材料组分性能的随机性进行识别,通过单向纤维复合材料的宏观有效性能的随机性,计算得到了纤维弹性模量的均值与方差,证明了该方法的有效性.     

Elasticity and strength of partially sintered ceramics

A discrete element model for the elastic and fracture behavior of partially sintered ceramics is presented. It accounts for the granular character of the material when a large amount of porosity (typically >0.2-0.4) is left after sintering. The model uses elastic force-displacement laws to represent the bond formed between particles during sintering. Bond fracture in tension and shearing is accounted for in the model. Realistic numerical microstructures are generated using a sintering model on random particle packings. In particular, packings with fugitive pore formers are used to create partially sintered microstructures with large pores. The effective elastic response and the strength of these microstructures are calculated in tension and compression. The link between important microstructural features such as bond size or coordination number and macroscopic behavior is investigated. In particular, it is shown that porosity alone is not sufficient to account for the mechanical properties of a partially sintered material.     

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。     

基于有限元强度折减法的复式抗滑桩内力计算及桩土作用机理分析

在边坡、滑坡防治工程中已得到广泛应用的“П”形、“h”形等复合式抗滑桩,由于其多属于复杂的超静定结构,受力形式或荷载分配方式仍存在较大争议,桩土相互作用关系复杂,传统方法在求解其内力时往往面临较大困难。有限单元法和强度折减法的结合为解决这类问题提供了一条可行的途径,该方法求解这一类问题时不需要假定抗滑桩系统的结构类型以及岩土体作用在抗滑桩上的荷载分布形式,因此获得的计算结果往往更符合实际情况。本文以某隧道进口岸坡的“П”形抗滑桩为例,在详细分析岸坡稳定性状况以及可能失稳模式的基础上,采用有限元强度折减法对桩身内力、桩土作用关系以及治理效果进行计算和分析,结果表明利用有限元强度折减法求解这类具有复杂超静定结构抗滑桩系统的内力是一条有效的途径,计算结果对该治理工程的设计具有一定的应用参考意义。     

沿指定应力路径加载的有限元RVE模型研究

在细观尺度上建立能反映材料微观组织结构又能反映统计意义上宏观力学性能的代表性体积单元（Representative Volume Element, RVE）,对其进行复杂加载下的数值研究,是目前预测材料宏观力学性能较有效的方法。本文从理论上分析并提供了对正六面体RVE在任意应力状态及任意应力路径下加载及宏观应力、应变计算的方法,用有限元软件ABAQUS实现了数值计算过程,并用此方法对循环加载下缺口圆棒颈部中心和边缘位置进行了RVE分析。结果表明：（1）此方法能准确的控制并实现正六面体RVE在任意应力状态及应力状态路径下加载;（2）通过RVE分析,可用于复杂加载下试样局部细观结构变化的研究。