多孔介质有效应力原理研究

提出了基于多孔介质的一种新的有效应力原理,据此,当饱和土加载后,孔隙度的变化与孔孙水压力之间的关系是非线性的,它们之间的变化关系同样取决于初始孔隙度以及初始孔隙水压力。     

相间交界面对非饱和土应力状态的影响

非饱和土是一种三相多孔介质,不同相之间的交界面尤其是气液交界面的存在直接影响了非饱和土的宏观行为.首先对土中交界面的形式和作用进行了探讨,指出气液交界面对非饱和土的行为有重要影响,并给出了界面功和气液比表面积的表达式.在已有的非饱和土变形功表达式基础上,引入界面能影响,得到了考虑交界面影响的非饱和土自由能方程.利用所得的自由能方程,给出了考虑交界面影响的非饱和土固相和液相相应的应力变量.对考虑交界面面积的液相流动方程进行了探讨,给出了非平衡条件下的土水特征曲线表达式,指出在平衡条件下土水特征曲线中应当考虑交界面面积的影响,传统土水特征曲线是三维关系在吸力-饱和度平面上的投影.将比表面积与土水特征曲线的关系,利用已有试验数据验证了该表达式的合理性.利用界面面积的表达式计算有效应力,将其与已有试验结果进行对比,表明给出的比表面积表达式可很好地反映实际情况.不同于已有现象学研究,本文推导具有严格的理论基础,研究表明完整的有效应力表达式中应考虑土体内部作用力的影响,其不仅包含基质吸力,同时还包含其他形式的作用力,其大小与界面比表面积有关.该表达式为下一步研究界面效应对土体变形、强度和流动特性的研究提供了基础.     

循环荷载作用下饱和粘土中的有效应力原理的实验研究

有效应力原理是土力学中的经典理论,在土动力学中,有效应力原理的应用基本上是沿用土静力学中的方法,即通过建立合理的孔压模式,利用有效应力原理对土体的破坏进行分析。但是通过动三轴试验发现,在动三轴不固结不排水试验中,整个试验过程中孔压不发生变化,土体强度却发生了明显的衰减。这种现象利用有效应力原理无法得到合理的解释。针对这种现象,本文建议引入损伤变量D,作为反映土体结构变化的参数,对有效应力原理进行修正。经过修正后的有效应力原理反映了在循环荷载作用下,循环扰动造成的结构损伤对有效应力的影响,可以合理地解释动力作用下土体中孔压和有效应力相互转换,以及土体强度衰减的原因。     

非饱和土力学理论的研究进展

回顾了非饱和土有效应力的发展,目前普遍认同采用两个应力变量来建立本构模型,且对基质吸力中毛细和粘吸两部分作用进行了阐述。分析了非饱和土强度问题,包括抗剪强度和抗拉强度。讨论了非饱和土的本构模型问题,包括基于净应力和基质吸力的弹塑性模型,基于Bishop有效应力和基质吸力的水力力学耦合弹塑性模型,以及双孔隙结构的模型。最后探讨了热力学方法和多孔介质理论在非饱和土中的应用,基于多孔介质理论在多场耦合条件下土体复杂的行为是当前值得研究的问题。     

基于介观结构的饱和与非饱和多孔介质有效应力

基于描述含液颗粒材料介观结构的Voronoi 胞元模型和离散颗粒集合体与多孔连续体间的介-宏观均匀化过程, 定义饱和与非饱和多孔介质有效应力. 导出了计及孔隙液压引起之颗粒体积变形的饱和多孔介质广义有效应力. 用以定义广义有效应力的Biot 系数不仅依赖于颗粒材料的多孔连续体固体骨架及单个固体颗粒的体积模量(材料参数),同时与固体骨架当前平均广义有效应力及单个固体颗粒的体积应变(状态量) 有关. 提出了描述非饱和多孔介质中非混和固体颗粒、孔隙液体和气体等三相相互作用的具介观结构的Voronoi 胞元模型.具体考虑在低饱和度下双联(binary bond) 模式的摆动(pendular) 液桥系统介观结构. 导出了基于介观水力-力学模型的非饱和多孔介质的各向异性有效应力张量与有效压力张量. 考虑非饱和多孔介质Voronoi 胞元模型介观结构的各向同性情况,得到了与非饱和多孔连续体理论中唯象地假定的标量有效压力相同的有效压力形式.但本文定义的与确定非饱和多孔介质有效应力和有效压力相关联的Bishop 参数由基于三相介观水力-力学模型, 作为饱和度、孔隙度和介观结构参数的函数导出,而非唯象假定.      

工程问题中有效应力原理的应用与理解

有效应力原理对土力学理论发展、工程实际问题的解决起到重要作用,它的提出是土力学发展成为一门独立学科的标志. 准确理解和使用这一原理,是土力学本科课程教学中的一个关键. 基于有效应力原理,从理论角度分析了垂直砂质边坡稳定性、负孔隙水压力问题及"楼歪歪" 工程事故等问题的力学本质;其分析方法及思路,能帮助学生加深对有效应力原理的理解和解决工程问题能力,为土力学课程提供教学参考.     

平行裂纹交替作用对应力强度因子的影响

本文研究了多个平行裂纹之间交替作用对应力强度因子的影响.通过光弹性实验测试和有限元计算,对含有双裂纹和三个裂纹的纯弯曲梁进行了探讨,并与单个裂纹的应力强度因子作了比较,从而阐明了多个平行裂纹应力强度因子的一些性质.     

水平均布荷载作用在地基内部时的土中应力公式

本文根据半无限体内受水平集中力作用的明德林公式，通过积分而首次完整地推导出水平矩形均布荷载作用在地基内部时的土中应力分量的解析表达式，以便工程设计人员在设计时使用。     

疲劳损伤问题中有效应力的一种定义

有效应力是损伤力学中的一个重要概念,这个概念的提出为用无损状态下的本构方程描述有损伤材料的行为提供了有效手段.本文探讨损伤力学中有效应力的定义,通过对损伤演化规律的分析,指出有效应力的一般定义不适用于疲劳损伤问题.本文认为,疲劳问题中的有效应力应该以等效寿命为基础,并根据剩余寿命的概念引入了疲劳损伤问题中有效应力的一种定义.     

非饱和颗粒材料的多孔连续体有效压力与有效广义Biot应力

多孔连续体理论框架下的非饱和多孔介质广义有效压力定义和Bishop参数的定量表达式长期以来存在争议,这也影响了对与其直接相关联的非饱和多孔介质广义Biot有效应力的正确预测.基于随时间演变的离散固体颗粒-双联液桥-液膜体系描述的Voronoi胞元模型,利用由模型获得的非饱和颗粒材料表征元中水力-力学介观结构和响应信息,文章定义了低饱和度多孔介质局部材料点的有效内状态变量:非饱和多孔连续体的广义Biot有效应力和有效压力,导出了其表达式.所导出的有效压力公式表明,非饱和多孔连续体的有效压力张量为各向异性,它不仅对非饱和多孔连续体广义Biot有效应力张量的静水应力分量的影响呈各向异性,同时也对其剪切应力分量有影响.文章表明,非饱和多孔连续体中提出的广义Biot理论和双变量理论的基本缺陷在于它们均假定反映非混和两相孔隙流体对固相骨架水力-力学效应的有效压力张量为各向同性.此外,为定义各向同性有效压力张量和作为加权系数而引入的Bishop参数并不包含对非饱和多孔连续体中局部材料点水力-力学响应具有十分重要效应的基质吸力.所导出的非饱和多孔介质广义Biot有效应力和有效压力公式(包括反映有效压力...     

考虑三轴约束时孔洞的聚合机理及有效能量准则

通过体胞分析方法,对不同状孔洞在从光滑试样到裂纹试样的三轴应力场中的聚合机理进行了较精解的有限元分析,计算结果表明：（１）孔洞的相互靠近和横向扩展是导致相邻孔洞发生内颈缩聚合的两种基本机制,在应力三维度Ｒσ等于１．２５附近,这两种机制发生较明显的变化。（２）单纯以孔洞体积分数ｆＣ概念为基础的材料破坏参数一般敏感于应力三维度,不能很好地预报不同三轴应力场中材料的破坏,在此基础上,提出了描述孔洞聚合的     

成桩后黏性土中超孔压和有效应力试验研究

针对预制桩沉桩挤土效应问题,采用现场原位试验和数值模拟方法,分析了桩土界面超孔压和竖向有效应力随时间的变化规律,并应用水力压裂理论、孔穴扩张理论和修正剑桥(modified Cam-clay, MCC) 模型,揭示了成桩后桩周土体固结过程的超孔压沿桩长的分布形式。结果表明：桩周超孔压大小同孔压与传感器入土深度成正比;在外载荷作用下,黏性土中超孔压和竖向有效应力分别随时间呈“增–减–平”和“平–增–平”的三段式变化趋势;成桩后约25天,超孔压基本消散完毕,竖向有效应力趋于稳定最大值;基于修正理论公式的数值模型得出,不同载荷下,桩侧中下部出现负超孔压,距桩的水平距离和距桩端竖向距离越小,超孔压越大。可为同类静压沉桩挤土效应问题提供参考依据。

     

非饱和土土力学工程应用方法

通过引入文[1]提出的广义朗肯土压力计算公式,本文针对非饱和土主动(被动)土压力计算问题提出了工程应用方法,能够把非饱和土土压力理论应用于实际工程。该方法可以推广到非饱和土地基承载力、边坡稳定等其他领域,从而为非饱和土土力学理论应用于工程实践提供了一个新的思路。     

非饱和土-隧道系统动力响应计算的波函数法

针对非饱和地基土中埋置隧道的三维动力响应计算问题, 提出了波函数法.采用无限长的Flügge薄壁圆柱壳模拟圆形隧道衬砌,采用流、固、气组成的三相介质模拟非饱和地基土体.分别采用分离变量法以及Helmholtz矢量分解定理求解薄壁圆柱壳的振动控制方程与非饱和土的波动方程.根据隧-土交界面与地表面处的应力、位移以及孔隙流体压力等边界条件,利用平面波与柱面波的转换性质,实现了隧道内作用单位简谐载荷时隧道衬砌与土体系统动力响应的耦合求解.通过与既有单相弹性介质2.5维有限元-边界元法、两相饱和多孔介质2.5维有限元-边界元法以及三相非饱和介质Pip in Pip半解析法的计算结果进行对比, 验证了本文计算方法的可靠性. 最后,基于该方法, 通过算例分析了不同饱和度下非饱和土-隧道系统的动力响应特征.结果表明, 饱和度对土体动位移与超孔隙水压力的幅值响应有较大影响.该方法的非饱和地基土参数退化后,也可用来计算和分析饱和地基土或单相弹性地基土与隧道系统的动力响应.      

弹性通解和应力函数研究概况

弹性通解和应力函数的研究已有很长的历史。它们不仅有理论意义,而且有实用价值,因而一直受到人们的重视。本文介绍了它们的研究概况。      

SURFACE STRESS EFFECT IN MECHANICS OF NANOSTRUCTURED MATERIALS

This review article summarizes the advances in the surface stress effect in mechanics of nanostructured elements,including nanoparticles,nanowires,nanobeams,and nanofilms,and heterogeneous materials containing nanoscale inhomogeneities.It begins with the fundamental formulations of surface mechanics of solids,including the definition of surface stress as a surface excess quantity,the surface constitutive relations,and the surface equilibrium equations.Then,it depicts some theoretical and experimental studies of the mechanical properties of nanostructured elements,as well as the static and dynamic behaviour of cantilever sensors caused by the surface stress which is influenced by adsorption.Afterwards,the article gives a summary of the analytical elasto-static and dynamic solutions of a single as well as multiple inhomogeneities embedded in a matrix with the interface stress prevailing.The effect of surface elasticity on the diffraction of elastic waves is elucidated.Due to the difficulties in the analytical solution of inhomogeneities of complex shapes and configurations,finite element approaches have been developed for heterogeneous materials with the surface stress.Surface stress and surface energy are inherently related to crack propagation and the stress field in the vicinity of crack tips.The solutions of crack problems taking into account surface stress effects are also included.Predicting the effective elastic and plastic responses of heterogeneous materials while taking into account surface and interface stresses has received much attention.The advances in this topic are inevitably delineated.Mechanics of rough surfaces appears to deserve special attention due to its theoretical and practical implications.Some most recent work is reviewed.Finally,some challenges are pointed out.They include the characterization of surfaces and interfaces of real nanomaterials,experimental measurements and verification of mechanical parameters of complex surfaces,and the effects of the physical and chemical processes on the surface properties,etc.     

岩土力学试验中的两个问题讨论及其应用

本文根据实验和理论分析, 提出一种单轴、三轴压缩试验的新的破坏判据, 分析其机理是体积或密度连续原则的破坏。指出这一判据有可能应用在这种试验的自动控制上。