饱和砂性土流变模型的试验研究

正确合理的土体本构模型确定是地面沉降模拟的关键之一。上海和江苏地区多年来野外分层标的实际观测资料表明该区含水层系统砂层变形具有流变特征,表现出变形滞后于含水层水位变化的现象。本文基于粘弹性理论,选取了常州含水层系统原状砂性土样进行单轴压缩试验,分析了砂性土流变荷载曲线,并选择现有的相关本构模型进行识别,从而确定能更好反映研究区土体变形规律的流变模型。结果表明,研究区砂性土可采用Burgers模型进行描述,反演获得的4个流变参数随荷载的增加表现出一定的规律性。     

岩石三轴蠕变试验黏弹性解析及参数识别

基于岩石三轴蠕变试验,推导了相应的黏弹性解析解,并对三参量H-K流变模型给出 了黏弹性解析解的显式以及流变参数的识别方法. 在此基础上,针对花岗岩及片岩两种岩石 的室内蠕变分级加载试验曲线进行了流变参数的识别与反演. 分析表明,同一岩样在不同加 载级别下的弹性及黏弹性参数在量值上均有所不同,其中黏弹性模量和黏滞系数的量值随 载荷的增加出现损伤衰减,基于试验反演所获参数的解析蠕变曲线与试验蠕变曲线吻合较好.     

基于压缩蠕变试验的流变参数理论解析反演

大坝坝基的长期稳定性是大坝运营安全的重要保障, 而坝基岩体中的软弱夹层是影响其变形和稳定的重要因素. 为研究大岗山水电站坝基中辉绿岩脉软弱夹层在长期载荷作用下的变形机制, 在坝基边坡的试验平硐内垂直于软弱夹层进行了现场大型圆形刚性承压板压缩蠕变试验. 辨识得到可较准确表示其蠕变特性的5参量广义Kelvin模型, 克服了3 参量广义Kelvin模型收敛过快的缺陷. 基于弹性力学中的布辛涅斯克问题, 通过黏弹性理论中的拉普拉斯变换及逆变换, 推导出了刚性承压板下部岩体的5参量广义Kelvin模型表示的黏弹性变形公式, 并以此为基础反演得到流变参数.     

竖向力作用在粘弹性土体内部时的解答与应用

选择三参量固体模型描述土体的粘弹性本构关系,利用半空间体内部受竖向集中力的Mindlin弹性解,根据粘弹性理论中的准静态弹性-弹粘性对应原理,推导了竖向力作用在粘弹性半无限土体内部的理论解。通过对应力和位移解答进行Laplace逆变换,给出了应力与位移的时域解。作为解答的应用,建立了粘弹性半无限体内部矩形面积上作用有三角形分布、均匀分布荷载时的粘弹性沉降计算公式。为了便于计算与工程应用,根据粘弹性理论解编制了计算程序。结果验证和实例分析表明,文中理论解是正确的,并为工程实际应用提供了理论依据。     

均匀化方法在粘弹性多层复合材料中的应用

主要研究了由各向同性线弹性加强体和各向同性线粘弹性基体组成的多层复合材料的问题,在已有的线弹性多层材料的均匀化方法的基础上,应用弹性一粘弹性对应原理,在Carson域中求解粘弹性多层材料的问题。通过Burgers模型表示线粘弹性基体材料,反演得到了多层材料的有效松弛模量和有效泊松比在时间域中的表达式,并且与实验结果和其他结果进行了比较。     

应用自洽方法预测沥青混合料的蠕变行为

将沥青混合料看作是由沥青砂和粗骨料组成的两相复合材料,提出了应用自洽方法预测沥青混合料粘弹性性能的一般思路.采用四参量流变模型描述沥青砂的粘弹性能,通过 Laplace 变换将时间域的粘弹性问题转化为变换域的线弹性问题,然后经 Laplace 逆变换将变换域的解转化到时间域.利用不同温度、不同应力水平下沥青砂的单轴压缩蠕变实验,拟合四参量流变模型参数,预测了沥青混合料在不同温度和不同应力水平下的蠕变曲线,并与实验结果进行了比较,发现蠕变的早期阶段预测值与实验值基本符合.最后进一步分析了温度、应力水平对沥青混合料蠕变行为的影响.     

不同拉压模量厚壁球壳弹塑性分析

对具有不同拉压模量的厚壁球壳,采用双剪统一强度理论推导了其扩张问题的应力及位移的统一解.分析了不同模量、不同模型控制参数对厚壁球壳扩张时的扩张压力和应力场的影响.结果表明:厚壁球壳弹性极限压力、应力场、位移场等均随着模量控制参数、模型参数的变化而变化,在α1的情况下(即E~+E~-),可以明显提高球壳的弹性极限压力p_e;厚壁球壳塑性极限压力与材料的拉压模量无关,与模型参数η有关,且随η的增加,先增大后减小.因此若采用经典的弹性理论和单一的模型参数对厚壁球壳进行设计计算,会带来较大的误差.     

基于刚度系数折减率的软岩蠕变变形规律研究

为了研究软岩蠕变变形过程中岩体抵抗变形能力降低的程度,将岩石变形破坏过程中切线模量相对于初始模量的改变量与初始模量的比值定义为刚度系数折减率,分析了软岩单轴压缩荷载及软岩蠕变变形过程中刚度系数折减率的变化规律。软岩单轴压缩荷载下,切线模量随着应变的增大而逐渐降低,刚度系数折减率随着应变的增加而逐渐增大,即随着变形的增大,软岩试件抵抗变形的能力逐渐降低。软岩蠕变过程中刚度系数折减率曲线也可以划分为三个阶段:在初始蠕变阶段瞬时弹性变形使得软岩刚度系数折减率迅速降低;在等速蠕变阶段平稳下降之后进入加速蠕变阶段,下降速率迅速增大。软岩刚度系数折减率的分析可为岩体蠕变过程中变形特性及变形控制分析提供理论依据。     

多孔介质的流变模型研究

多孔介质在应力作用下具有弹性变形和黏性变形两种完全不同的变形机制，多孔介质的弹性变形是由介质的本体有效力所致，而黏性变表则是由介质的结构有效应力所致。多孔介质的总变形为弹性变形和黏性变形的叠加，计算多孔介质总应变量的流变模型必须同时采用本体有效应力和结构有效应力（双重有效应力），而传统的流变模型仅采用Terzaghi有效应力是不妥当的，它无法正确描述多孔的应变行为，采用了双重有效应力之后的流变模型，通过调节介质特性参数，可以拟合介质的实际应变行为，并且把多孔介质与普通固体联系了起来。     

双层球壳结构准静态线性化学弹性问题的位移势函数解

本文研究了各向同性固体的化学-力学耦合问题,在传统化学弹性理论描述的扩散-变形耦合关系基础上,进一步考虑了化学反应与固体变形的相互作用关系,发展了等温状态下固体-扩散-反应-变形耦合的线性化学弹性理论,拓展了化学弹性力学的应用范围．该理论能够同时描述固体内介质扩散和固体与介质之间化学反应两个不同时间尺度的化学过程,并给出由此引起的弹性范围内的应变和应力．为应用该模型求解具体化学弹性问题,本文通过构造扩散-反应位移势函数来获得位移特解形式,再与齐次Lamé方程通解叠加获得完整解;针对反应控制问题,引入化学弹性准静态假设,将反应-扩散-变形全耦合的瞬态过程分解为两个可解耦的相继过程,从而获得相应位移解．基于此解法,本文获得了反应控制的双层球壳结构化学弹性问题的解析解,并分析了化学反应、几何结构和弹性模量对应力分布的影响．     

粘弹性岩体中支护圆形洞室施工过程的解析分析

地下洞室的开挖与支护是逐步的连续过程。对具有流变效应的粘弹性岩体,流变时效与施工效应发生耦合,变形与时间相关。针对深埋圆形洞室的施工,用半径时变函数模拟断面开挖过程。当岩体模拟为任一粘弹性材料时,将方程进行拉普拉斯变换求得位移通解,逆变换后代入边界条件确定待定函数,最终得到用洞周面力表达的围岩应力、位移统一解。区分开挖与支护时段,将半径时变函数、洞周面力不同表达式代入,利用支护后围岩与弹性支护接触条件建立关于支护力的Volterra积分方程。当岩石模拟为Boltzmann粘弹模型时,代入材料参数可求解积分方程得到支护力的确切表达,并进一步求得开挖过程及任意时刻支护后应力、位移分段解析表达式。表达式和算例分析表明:加支护后的径向位移增长呈指数形式变化且最终稳定于某一数值。最终洞型相同时,采用不同断面开挖速度且挖完立即支护时,开挖较快的情况位移变化较剧烈,而支护后最终稳定位移较小;但是,相应支护阶段产生的位移较大,支护力也较大。文中给出的方法可用于计算圆形洞室半径任意开挖并加支护后的应力、位移,适用于任一粘弹模型岩体的施工分析。     

Identification of viscoelastic properties by means of nanoindentation taking the real tip geometry into account

Motivated by recent progress in viscoelastic indentation analysis, the identification of viscoelastic properties from nanoindentation test data taking the real tip geometry into account is presented in this paper. Based on the elastic solution of the indentation problem, the corresponding viscoelastic solution is obtained by the application of the method of functional equations. This general solution, which accounts for the real geometric properties of the indenter tip, is specialized for the case of a trapezoidal load history, commonly employed in nanoindentation testing. Three deviatoric creep models, the single dash-pot, the Maxwell, and the three-parameter model are considered. The so-obtained expressions allow us to determine viscoelastic model parameters via back calculation from the measured load–penetration history. The presented approach is illustrated by the identification of short-term viscoelastic properties of bitumen. Hereby, the influence of loading rate, maximum load, and temperature on the model parameters is investigated.     

黏弹性界面断裂分析的增量“加料”有限元法

提出了一种适用于黏弹性界面裂纹问题的增量“加料” 有限元方法. 利用弹性界面裂纹尖端位移场的解答,通过对应原理和拉普拉斯逆变换近似方法,得到了黏弹性界面裂纹的尖端位移场. 用该位移场构造了黏弹性界面裂纹“加料” 单元和过渡单元位移模式,推导了增量“加料” 有限元方程,求解有限元方程可获得应力强度因子和应变能释放率等断裂参量. 建立了典型黏弹性界面裂纹平面问题“加料” 有限元模型,计算结果表明,对于弹性/黏弹性界面裂纹和黏弹性/黏弹性界面裂纹,该方法都能得到相当精确地断裂参量,并能很好地反映蠕变和松弛特性,可推广应用于黏弹性界面断裂问题的计算分析.      

石质构件风化层内力学性能变化规律研究

石质构件风化层内力学参数随深度变化的规律是石质古建筑稳定性、耐久性和保护方案研究中重要的内容。本文针对古建筑石质构件风化层不便取样,风化岩样加工易破坏和室内试验只能得出试件整体的力学参数,不能反映风化层内力学参数由表及里逐渐变化的不足,综合运用现场声波测试和室内试验对义乌宋代古月桥(建于1213年)风化条石的抗压强度、弹性模量与深度的关系进行了研究。研究表明,风化层内岩石弹性模量、抗压强度与未风化区域的比值随深度呈较好的负指数关系。     

基于塑性体积应变的岩石损伤变形特性实验研究

为分析岩石塑性变形与损伤的关系,在定义岩石的初始损伤和临界损伤,提出塑性体积应变分析方法,从而以塑性体积应变为损伤变量,采用归一化方法建立岩石的损伤本构模型。采用递增循环加载实验确定岩石损伤本构模型中的弹性卸载模量和弹性应变比例系数两个参数。通过实验和理论分析得出:当荷载较小时,普通单轴压缩状态下岩石损伤随荷载的增加具有减小趋势,荷载超过一定数值后,岩石损伤才开始增加;单轴递增循环压缩状态下当循环荷载大于约35%峰值强度后,卸载后岩石的损伤具有增加的趋势,小于该荷载之前具有减小的趋势。整个加载过程的理论应力-应变曲线能很好地与实验结果相吻合,在循环加载区间理论结果还能体现出岩石实验结果中的回滞环。     

循环荷载下岩石阻尼行为的试验研究

为了深入地了解岩石的阻尼特性,利用WDT–1500多功能材料试验机,对砂岩、砾岩和砂砾岩进行了循环荷载试验,研究了岩石的动剪切模量和阻尼参数对应力、应变幅值和应力水平的响应特性,得到了动弹性模量和阻尼参数随应力幅值、应力水平及含水率的变化规律,讨论了其变化机理。证实了双曲线关系能够描述分级循环荷载作用下岩石的应力-应变关系,得到了动剪切模量和阻尼比与动应力、动应变之间的关系,建立了不同应力水平和不同应力幅值条件下岩石的动剪切模量与阻尼比关系模型,结果表明该模型能够描述分级循环荷载过程中阻尼行为。     

偏压条件下大型地下厂房围岩变形稳定性分析

根据下坂地水库协力波斯电站工程建设实际,在现场调查和电站区勘探、测试资料基础上深入分析地下厂房地质条件,建立了能够反映厂区地形地貌、岩体结构和地应力状态的三维数值模型。根据地应力实测资料反演拟合初始地应力场背景值,采用三维弹塑性有限差分法模拟了在偏压条件下地下厂房、主变室开挖过程中围岩变形和稳定性状况,揭示了各开挖阶段应力的集中部位和围岩潜在破坏部位,这对于工程具有重要的指导意义。     

循环加卸载损伤大理岩的动力学特性

利用MTS 815电液伺服岩石实验系统进行上限应力为80%、85%、90%、95%单轴抗压强度的大理岩单轴压缩循环加卸载实验，每种上限应力条件分别设置20、40、60、80次循环。再利用分离式Hopkinson压杆对损伤岩样进行动力学实验。分析了循环加卸载上限应力及循环次数对大理岩塑性应变的影响，揭示了大理岩动态力学参数和破碎吸收能随损伤变量的演化规律。实验结果表明:塑性应变与循环次数呈正相关，且上限应力越大，塑性应变趋于稳定所需的循环次数也会增大；动态单轴抗压强度、动态弹性模量随损伤变量增加呈指数衰减；破碎吸能占比以损伤变量D=0.343为临界点分为两个阶段，D＜0.343时，破碎吸能占比稳定在10%左右，数值约为13 J，当D＞0.343时破碎吸能占比随损伤变量增加不断增大。研究结果可为岩体工程的设计、施工及支护参数的选取提供参考。