基于临界状态的砂土本构模型研究

砂土孔隙比及所受压力是其力学特性的重要影响因素. 本文基于砂土临界状态线特性分析,采用以e-(p/p_a)ξ平面内的线性关系描述其等向压缩线. 通过对比分析两种不同压缩线函数 与临界状态线函数之间的关系提出更适合描述砂土在等向压缩下的参考压缩线,并给出了基于参考压缩线的等向硬化规律. 建议了适用于 描述砂土剪切特性的屈服面函数,并给出利用等向压缩和等p路径确定屈服面形状参数μ的方法. 将不同应力比对应的压缩线作为砂土状态参量参考线,以获取潜在强度M_f与特征状态应力比M_c,进而描述砂土压缩与剪切特性;基于等向压缩与等p路径建立了当前应力比与状态参量参考线之间的相关关系,从而实现了砂土状 态参量参考线由参考压缩线向临界状态线平稳过渡. 建立的砂土本构模型共11个参数,均能够通过常规土工试验或经验获取. 基于模型预测与Toyoura砂的等向压缩、三轴不排水剪切试验及排水剪切试验的对比结果,本文建立的砂土本构模型很好地描述了Toyoura 砂在不同孔隙比和不同压力下的压缩与剪切特性.      

基于细观力学分析的砂土弹塑性本构模型

利用细观力学分析中的自洽理论建立了在固结排水条件下的砂土弹塑性本构模型,在该模型中考虑了部分砂土颗粒因剪切作用在颗粒接触面滑移而引起的整体剪切模量的降低,给出了求解整体剪切模量的解析方法,并将模型预测与不同应力路径的试验结果作了比较,证明该模型是合理的.     

考虑空间变异性的框架结构可靠度分析方法

空间变异性是结构参数的固有属性,对于工程结构的随机响应和可靠度分析具有重要影响。结合随机场离散的局部平均理论和随机响应分析的摄动随机有限元法,提出一种考虑参数空间变异性的平面框架结构可靠度分析方法,并定量分析了参数空间变异性对结构可靠度的影响规律。首先,考虑随机因素的空间变异性,采用二维线性随机场离散的局部平均理论将平面框架结构的连续随机场离散为一组随机变量,并通过理论推导建立了随机场局部平均间协方差矩阵的二重积分表达式;然后,采用摄动随机有限元法分析结构随机响应及其对基本随机变量的梯度向量,并利用可靠度分析的梯度优化法计算结构可靠指标,从而提出了一种考虑参数空间变异性的平面框架结构可靠度分析方法。分析表明,该方法具有较高的计算精度和计算效率;随机场离散的局部平均理论对相关结构类型不敏感;随着随机场相关偏度和变异性的增大,框架结构的可靠指标逐渐减小,说明结构参数的空间变异性对结构可靠度的影响不容忽视。     

砂土统一模型的显式计算及加载速度影响研究

以砂土体渐进破坏问题为背景,采用显式方法进行高、低压下砂土统一模型的二次开发以克服隐式算法在软化计算中的强非线性不收敛问题,实现具有剪胀软化、剪缩硬化特性材料的模拟计算．在此基础上开展三个压力等级、不同位移加载速度条件下的平面应变压缩试验,分析位移加载速度对显式计算结果的影响效应．通过分析得到结论：(1)采用动力学显式算法对常压至高压范围的砂土统一模型进行计算是可行的,受荷响应随加载速度的降低逐渐趋于稳定并最终得到静力学计算结果,能够反映砂土在低压下的剪胀软化以及高压下的剪缩硬化特性;(2)砂土统一模型的显式计算结果受加载速度的影响呈双折线趋势,并存在加载速度界限值,试样在加载速度界限值前后呈现不同的受荷变形破坏形态;(3)采用显式计算方法开展砂土统一模型的准静态模拟过程中,须结合计算结果偏差面积比随加载速度的关系曲线,来确定满足一定偏差面积比并且小于界限值的准静态位移加载速度．     

砂土的应力空间特征面及物态模型

依据饱和砂土的剪缩剪胀性在往返荷载下的反应性状 ,揭示了饱和砂土具有初剪缩、次剪缩、剪胀、反向剪缩和弹性剪切等不同物态 ,它们在有效应力空间具有不同的路径变化。进而 ,在状态边界面和物态转换面的基础上 ,又引入了应力历史边界面和初始屈服面 ,通过有效应力状态点及应力历史边界面和初始屈服面的运动规律 ,建立了饱和砂土物态变化的数学描述 ,可区分不同的物态变化     

沉积方向和粒径组成对砂土力学特性的影响

运用砂土毛细效应所形成的假凝聚力制备具有不同沉积方向的试样,开展三轴固结排水剪切试验,研究粒径组成对初始各向异性砂土力学特性的影响,分析了粒径组成、沉积方向、强度特性和体积变化之间的相互关系.研究结论表明,试样剪切带的形成受到颗粒级配的影响,它是应力应变关系中陡降阶段的产生原因.沉积方向对粗砂和细砂的偏应力峰值强度均有...     

一种初始各向异性砂土本构模型的数值应用及试验验证

基于砂土颗粒的毛细效应特性制备砂土试样,在0°～90°范围内选取若干沉积方向,在中围压条件下进行三轴固结排水剪切试验。试验表明:沉积方向对试样强度和变形特性有显著影响。通过对试验数据进行拟合得到沉积方向和偏应力的关系,结合试验结果对Mohr-Coulomb屈服准则进行修正,建立一种密砂初始各向异性本构模型;对本构模型进行数值积分,并对密砂固结排水剪切试验进行数值模拟,分析偏应力、体积变化以及主应力方向的变化。将数值分析结果与试验结果进行对比,结果表明:二者相吻合,本构模型能够合理地预测试验结果。所建立的本构模型可用于砂土初始各向异性的研究工作中。     

等p路径十砂土本构关系的归一化特性及数值建模方法

用神经网络对土体进行建模能反映应力路径相关性、反映土的剪胀剪缩以及反映体应力、剪应力对体应变、剪应变的交互影响,因而成为一种比较理想的建模方式.能否在样本有限的情况下获得精度比较高的本构模型正是主要的研究目的.通过研究中密砂在等p路径下的三轴试验曲线,发现其应力-应变关系曲线在常规应力范围内具有归一化特性.选择合适的归一化指标对砂土三轴试验数据进行归一化,以归一化的试验数据为训练样本进行神经网络训练,得到了比较理想的砂土的神经网络本构模型.本构模型仿真值与试验值符合较好,表明所给出的建模方法是合理的.提出的建模方法可以在所有试验数据的基础上自动实现概率寻优,能有效降低噪声信号的干扰、减小试验数据的分散造成的影响.     

骨料类型对再生混凝土力学特性的影响研究

为了研究骨料类型对再生混凝土力学性能的影响,以再生粗骨料种类和取代率为变化参数,设计了198个再生混凝土试块,分别进行了立方体抗压强度、棱柱体抗压强度、抗折强度、弹性模量、泊松比等力学性能试验,获取了试件受力破坏全过程的应力-应变曲线以及峰值应力、峰值应变、弹性模量、泊松比等特征参数。基于试验数据,从位移延性、能量耗散、损伤过程、本构关系等方面分析了骨料类型对其破坏机理和力学性能的影响。试验结果表明:再生卵石混凝土的延性系数与耗能系数均值都比再生碎石混凝土大5%,前者的力学性能指标略好,变形性能更优,损伤过程也更为缓慢,而骨料类型对再生混凝土的能量耗散能力无明显影响。最后提出了不同骨料类型再生混凝土应力-应变本构方程,研究结果可供再生混凝土的进一步科学研究和工程应用提供参考。     

制样方法对初始各向异性砂土三轴剪切力学特性的影响研究

基于砂土颗粒的毛细效应特性和冻融试验原理,提出一种砂土试样制备方法,能够在0°~90°范围内任意选取沉积方向,且适用于不同颗粒级配的试样。在中围压条件下进行三轴固结排水剪切试验,研究结果表明,毛细效应、冻融相结合的制样方法能够减缓压缩剪切试验的应力–应变关系增长速度,降低试样的抗剪峰值强度,对残余强度的影响相对较弱。在其他应力路径条件下,例如拉伸、减压压缩、等应力压缩等试验中,可以不考虑装样方法的影响。建议的制样方法能够合理应用到砂土初始各向异性的研究工作中。     

基于PFC~(3D)的砂土直剪模拟及宏细观分析

为能更好地分析砂土在剪切过程中的体积变化及力学行为,通过PFC~(3D)颗粒流程序,按照室内实际级配建立数值试样,进行了不同垂直压力下的砂土直剪试验模拟,并将模拟结果与室内试验结果进行了对比;研究了砂土在剪切过程中的体积变化,并用两种方法分析了砂土剪切带的演变过程;从细观角度对试样颗粒的速度场及力链网络的发展变化进行了分析研究。结果表明,数值模拟结果与室内试验结果基本一致,砂土的体积变化表现为先剪缩后剪胀,剪胀量与垂直压力成反比;剪切带厚度约为11～12倍d_(50),在剪切带内颗粒的位移和欧拉角变化较大;试样内部强力链的演变较为明显,力链网络对外荷载变化的敏感性很高;剪切过程中上盒颗粒速度场方向的变化能够较好地解释砂土产生的剪胀现象。     

Distinct element method investigation on mechanical behavior within shear bands in granulates under the Earth and the Moon conditions

This letter mainly aims to investigate the mechanical behavior within shear bands in regolith both under the Earth and the Moon conditions via the distinct element method, in which a novel contact model considering interparticle van der Waals forces and rolling resistance is employed. The results show that for regolith under both conditions the stress paths are almost identical inside and outside the shear bands but void ratio, average pure rotation rate, and strain paths are rather distinct with dilation, particle rotation and the second invariant of strain tensor mainly occurring within the bands. However, the regolith under the Moon condition has higher peak strength and more significant strain localization than those under the Earth condition.     

考虑颗粒形状和破碎的胶结钙质砂力学行为离散元模拟研究

质砂作为一种建筑材料,近年来广泛应用于我国南海岛礁工程建设中。本文通过建立考虑钙质砂真实颗粒形状和颗粒破碎的胶结钙质砂离散元模型,研究了二维剪切条件下试样的宏微观力学行为,包括应力-应变行为、颗粒破碎、胶结破坏、位移场和裂纹随剪应变的演化规律,讨论了颗粒形状、颗粒粒径范围、颗粒强度和水泥胶结强度对胶结钙质砂力学行为的影响规律。结果表明,钙质砂颗粒粒径区间越宽,胶结钙质砂的强度越高。同一级配条件下,考虑真实颗粒形状的胶结钙质砂试样比圆颗粒试样的强度更高,试样总体颗粒破碎率也更高。钙质砂颗粒的强度越高,胶结钙质砂的性能越好。但是提高水泥的强度对胶结钙质砂力学性能的影响并不显著。本文的研究结果可为实际工程中钙质砂的加固提供理论依据。     

结构多点随机地震响应分析及拟静位移计算

给出了大跨度结构多点随机地震响应虚拟激励算法的若干实施细节,并讨论了将拟静位移项用自振振型和广义坐标来表达的做法。表明将拟静位移用自振振型和广义坐标来表达时,可能导致结构位移和内力响应非常大的误差,在实际应用时应予重视。     

Influence of particle shape on the microstructure evolution and the mechanical properties of granular materials

In order to study the influence of particle shape on the microstructure evolution and the mechanical properties of granular materials, a two-dimensional DEM analysis of samples with three particle shapes, including circular particles, triangular particles, and elongated particles, is proposed here to simulate the direct shear tests of coarse-grained soils. For the numerical test results, analyses are conducted in terms of particle rotations, fabric evolution, and average path length evolution. A modified Rowe's stress–dilatancy equation is also proposed and successfully fitted onto simulation data.     

Influence of nonlinear spatial distribution of stress and strain on solving problems of solid mechanics

Applied Mathematics and Mechanics - The stress and the strain should be defined as statistical variables averaged over the representative volume elements for any real continuum system. It is shown...     

钢筋混凝土梁冲击动力响应和破坏模式转化试验研究

随着结构配置和冲击能量等主要影响因素的变化,钢筋混凝土梁的冲击动力响应和破坏模式会发生转化。开展不同配置的钢筋混凝土梁的落锤冲击试验,综合测量获得冲击力、支座反力、钢筋与混凝土应变、冲击局部与结构整体变形等参数,重点分析不同混凝土强度、不同纵筋/箍筋配置以及不同冲击速度对钢筋混凝土梁的动力响应以及破坏模式的影响规律。试验表明：低速撞击下钢筋混凝土梁的位移峰值、残余位移随冲击速度的提高而增大,均与冲击动能与极限静承载力之比存在近似线性关系;混凝土强度越高、纵筋配筋率越高,相同冲击条件下梁所受的撞击力峰值越大,但整体位移响应越小;配箍率的变化对结构的局部响应和整体响应的影响均较小;结构受到撞击时剪切效应在前,弯曲效应在后,斜裂缝先于垂直裂缝出现;依据结构的破坏极限状态,判断梁在冲击作用下存在的弯曲破坏、弯剪破坏、剪切破坏和冲切破坏等4种破坏模式,结果表明：相同结构配置条件下,随冲击速度的不断提高,钢筋混凝土梁由弯曲破坏向弯剪破坏、剪切破坏和冲切破坏转化;冲击速度相同时,提高混凝土强度、配箍率或降低纵向钢筋配筋率,梁的破坏模式逐步由冲切、剪切破坏向弯曲破坏模式转化。结构的冲击破坏模式及其转化规律能够为结构的抗撞设计与防护提供参考。

     

基于降阶均匀化理论的混凝土双尺度力学性能分析

混凝土材料细观特性对宏观力学性能有着重要影响。为进一步分析混凝土细观特性对宏观力学行为的影响规律,将混凝土材料简化为由骨料、砂浆和界面三相组成,编制了随机凸多面体骨料生成、投放和网格剖分算法,建立可用于有限元计算的满足级配要求的随机细观模型。针对直接使用细观力学模型计算量较大的问题,采用降阶均匀化理论,对混凝土细观胞元模型进行预处理并编制了相应的双尺度计算程序。对不同强度混凝土进行了单轴静态压缩双尺度计算,与实验数据和细观力学模拟结果符合较好。研究表明,降阶均匀化理论在加快求解速度的同时具有较高的精度,可以用于混凝土的多尺度力学性能分析。