基于t准则的各向异性强度准则及变换应力法

岩土材料通常呈现出成层水平分布特点, 即可将其视为横观各向同性材料, 横观各向同性对于岩土材料的变形以及强度值都会产生显著的影响. 基于已提出的t强度准则, t强度准则是基于各向同性单元体中存在有效滑移面来构建的, 并根据该空间有效滑移面上主剪应力与主法向应力的比值达到一定阈值为破坏条件. 在空间中存在有效滑移面与物理沉积面, 基于上述两个面在空间的位置关系, 用两面夹角作为表征横观各向同性对剪切强度影响程度的参量, 并假定当该夹角值越大, 则各向异性对强度贡献程度越大, 对应更大的应力比强度值, 反之, 则对应更小的应力比强度值. 基于上述思路并类比将其推广为正交三维各向异性准则, 基于三维各向异性材料的三维沉积面, 提出了三维特征沉积面的概念, 并基于空间滑移面与三维特征沉积面之间的夹角作为度量各向异性程度的变量, 提出了基于两面角作为参量考虑原生各向异性的应力比强度公式, 并利用该应力比强度公式来修正已提出的t强度准则, 最终建立了考虑各向异性影响的t准则公式. 在上述准则基础上, 考虑将各向异性应力空间转换为各向同性应力空间的思路, 在各向异性t准则基础上, 推导得到了基于各向异性强度t准则的变换应力公式, 利用变换应力公式可以将传统的以p, q为变量的各向同性本构模型转变为可考虑各向异性的三维本构模型. 通过对岩土材料的强度以及真三轴条件下的应力应变关系试验数据预测, 验证了所提的各向异性t准则及其变换应力公式的有效性及适用性.      

ANISOTROPIC STRENGTH CRITERION BASED ON T CRITERION AND THE TRANSFORMATION STRESS METHOD 1)

岩土材料通常呈现出成层水平分布特点, 即可将其视为横观各向同性材料, 横观各向同性对于岩土材料的变形以及强度值都会产生显著的影响. 基于已提出的t强度准则, t强度准则是基于各向同性单元体中存在有效滑移面来构建的, 并根据该空间有效滑移面上主剪应力与主法向应力的比值达到一定阈值为破坏条件. 在空间中存在有效滑移面与物理沉积面, 基于上述两个面在空间的位置关系, 用两面夹角作为表征横观各向同性对剪切强度影响程度的参量, 并假定当该夹角值越大, 则各向异性对强度贡献程度越大, 对应更大的应力比强度值, 反之, 则对应更小的应力比强度值. 基于上述思路并类比将其推广为正交三维各向异性准则, 基于三维各向异性材料的三维沉积面, 提出了三维特征沉积面的概念, 并基于空间滑移面与三维特征沉积面之间的夹角作为度量各向异性程度的变量, 提出了基于两面角作为参量考虑原生各向异性的应力比强度公式, 并利用该应力比强度公式来修正已提出的t强度准则, 最终建立了考虑各向异性影响的t准则公式. 在上述准则基础上, 考虑将各向异性应力空间转换为各向同性应力空间的思路, 在各向异性t准则基础上, 推导得到了基于各向异性强度t准则的变换应力公式, 利用变换应力公式可以将传统的以p, q为变量的各向同性本构模型转变为可考虑各向异性的三维本构模型. 通过对岩土材料的强度以及真三轴条件下的应力应变关系试验数据预测, 验证了所提的各向异性t准则及其变换应力公式的有效性及适用性.     

一种横观各向同性强度准则及变换应力空间

考虑岩土介质在自然形成过程中产生的原生各向异性性质,将其简化为一种横观各向同性岩土材料.基于已提出的a强度准则,根据沉积面与有效滑移面在物理空间中位置的相互关系,采用两面的空间夹角作为度量岩土材料原生各向异性在加载条件下发挥强度作用的影响变量.并根据有效滑移面的物理概念,当沉积面与有效滑移面夹角越大,则摩擦特性潜力发挥的越充分,此时对应更高的强度应力比,反之则对应越小的强度应力比.基于上述思想,建立了考虑原生各向异性的强度应力比公式,将其用于修正a准则,进而得到了横观各向同性a准则公式.采用上述横观各向同性a准则公式向各向同性Von-Mises准则公式转换的变换思路,在横观各向同性a准则公式基础上,推导得到了变换应力公式,该公式可由横观各向同性应力空间转变为各向同性应力空间,利用所提出的变换应力方法,可方便的将传统的在偏平面上以Von-Mises准则为基础的二维模型转换为可考虑原生各向异性的三维模型.通过对岩土材料的强度以及真三轴条件下的应力应变关系试验数据预测,验证了所提的横观各向同性a准则及其变换应力公式的有效性及适用性.      

一种横观各向同性强度准则及变换应力空间

考虑岩土介质在自然形成过程中产生的原生各向异性性质,将其简化为一种横观各向同性岩土材料.基于已提出的a强度准则,根据沉积面与有效滑移面在物理空间中位置的相互关系,采用两面的空间夹角作为度量岩土材料原生各向异性在加载条件下发挥强度作用的影响变量.并根据有效滑移面的物理概念,当沉积面与有效滑移面夹角越大,则摩擦特性潜力发挥的越充分,此时对应更高的强度应力比,反之则对应越小的强度应力比.基于上述思想,建立了考虑原生各向异性的强度应力比公式,将其用于修正a准则,进而得到了横观各向同性a准则公式.采用上述横观各向同性a准则公式向各向同性Von-Mises准则公式转换的变换思路,在横观各向同性a准则公式基础上,推导得到了变换应力公式,该公式可由横观各向同性应力空间转变为各向同性应力空间,利用所提出的变换应力方法,可方便的将传统的在偏平面上以Von-Mises准则为基础的二维模型转换为可考虑原生各向异性的三维模型.通过对岩土材料的强度以及真三轴条件下的应力应变关系试验数据预测,验证了所提的横观各向同性a准则及其变换应力公式的有效性及适用性.     

单轴压缩下页岩类脆性材料细观损伤演化的离散元分析

了解广泛存在的类似页岩的脆性材料各向异性对工程安全具有重要意义。本研究将页岩视为粘结颗粒材料,基于离散单元方法研究了横观各向同性脆性页岩的损伤演化。再现了不同层理角的页岩试样的破坏模式,并对比了实验和数值模拟的抗压强度和弹性模量。引入微裂纹的概念,通过定义裂纹密度函数,系统地研究了单轴压缩条件下,页岩层理角对细观结构的影响。此外基于平均配位数建立了配位数变化与细观损伤的联系,并根据配位数的变化与裂纹数量将加载过程分为三个阶段,分析了不同阶段配位数与裂纹数量的对应变化关系。研究表明,页岩的裂纹密度随着层理角的增加而增加,而试样的平均配位数在加载过程中先上升后剧烈下降,颗粒集合体在单轴压缩条件下的应力应变及裂纹数量曲线与平均配位数曲线有良好的一致性。该研究揭示了横观各向同性脆性岩石的破坏过程和内在机理,将为页岩类脆性材料的工程应用提供理论指导。     

航空用芳纶纸蜂窝各向异性行为研究

采用Arcan加载装置对航空用芳纶纸蜂窝试件进行一系列面外压剪复合加载实验,以此研究材料各向异性行为。实验结果表明:随着面内方向角增加,芳纶纸蜂窝面内等效剪切模量、等效剪切强度显著减小,实验屈服面显著扩张,材料表现出明显的各向异性。基于实验结果,确定了测试蜂窝面内等效剪切模量、等效剪切强度上下限值及其比值关系,并与理论值进行比较。一个适用于各向异性材料的屈服准则与实验屈服面进行比较,比较结果表明:屈服准则能大致描述蜂窝各向异性屈服行为。     

砂质泥岩各向异性特征试验研究

为研究砂质泥岩各向异性特征,取长轴与层面不同夹角的圆柱试样,在岩石试验机上做了三轴剪切试验,得到应力-应变曲线,分析了围压和夹角对砂质泥岩强度及破坏模式的影响。结果表明,砂质泥岩在相同围压下,峰值强度及残余强度的关系随夹角呈U型曲线,且其各向异性程度随着围压的增加而降低。根据莫尔-库伦强度准则,砂质泥岩的内摩擦角与粘聚力随夹角呈凹型曲线。其破坏模式表现出明显的各向异性,可分为三类,即张拉剪切复合破坏、沿层面剪切破坏和贯穿层面剪切破坏。其中90°为张拉剪切复合破坏,60°和45°为沿层面剪切破坏,30°和0°为贯穿层面剪切破坏。试验结果可为砂质泥岩地区相关工程稳定性分析提供参考。     

各向同性材料在纯剪切下的各向异性损伤

本文从各向同性材料的各向异性损伤理论出发,导出了在纯剪切下的损伤因子表达式,并对45号钢作了薄壁圆筒扭转试验,证实各向同性材料确实存在各向异性损伤,其损伤因子D_1和D_2的实验值随剪应力τ和扭转角φ的增加而增大。     

Matsuoka—Nakai与Lade-Duncan两破坏准则之间的相互关系

Matsuoka-Nakai和Lade-Duncan两种破坏准则在三维主应力空间中均满足外凸、连续、光滑等条件,能正确描述中间主应力对岩土类材料的区间强度效应.本文首先从理论上探讨了Lade-Duncan和Matsuoka-Nakai两个破坏准则之间的相互联系,证明了Lade-Duncan 破坏准则的kL合理范围应在[kMinL,kMaxL]之间,指出了其在e平面上的投影形状是多样的.其次结合砂土的真三轴强度破坏的实验资料,验证了Lade-Duncan和Matsuoka-Nakai两个破坏准则之间的相互关系,认为Lade-Duncan破坏准则的kL在[kMinL,kAveL]范围内能对岩土类材料的抗剪强度给出良好地描述.     

复杂应力状态下GCr15轴承钢的动态剪切及熔融特性研究

本文探究了GCr15轴承钢压剪试样在冲击载荷下的绝热剪切和熔融破坏特性．首先,实验研究发现GCr15轴承钢的力学性能具有拉-压不对称性、应力状态及应变率敏感性．因此,通过引入应力三轴度、洛德角、应变率和绝热剪切温升机制扩展了经典J-C本构模型,并对GCr15轴承钢的动态单轴压缩和压剪试验结果进行了数值实现．研究结果表明,应力三轴度和洛德角是影响动态冲击下压剪试样的绝热剪切产生和熔融特性的重要因素．     

粒料固有各向异性的离散元模拟与细观分析

料在摊铺后形成的颗粒定向排列将导致其力学性质的固有各向异性. 依据粒料的实际不规则形状, 构建了可模拟粒间咬合嵌挤作用的三维离散元复杂形状颗粒; 生成了5 种不同沉积方向的各向异性试件和1种各向同性试件, 对比了各试件在三轴压缩试验中的宏观力学特性差异; 引入组构张量以量化各向异性程度, 利用玫瑰图表达接触法向与接触力的分布特征, 探究了粒料各向异性的细观发展规律. 结果表明: 颗粒长轴愈趋向水平排布, 峰值应力比愈大, 剪缩与剪胀程度愈明显; 相较于各向同性试件, 沉积角$\theta$为料在摊铺后形成的颗粒定向排列将导致其力学性质的固有各向异性. 依据粒料的实际不规则形状, 构建了可模拟粒间咬合嵌挤作用的三维离散元复杂形状颗粒; 生成了5 种不同沉积方向的各向异性试件和1种各向同性试件, 对比了各试件在三轴压缩试验中的宏观力学特性差异; 引入组构张量以量化各向异性程度, 利用玫瑰图表达接触法向与接触力的分布特征, 探究了粒料各向异性的细观发展规律. 结果表明: 颗粒长轴愈趋向水平排布, 峰值应力比愈大, 剪缩与剪胀程度愈明显; 相较于各向同性试件, 沉积角$\theta$为$0^\circ$时, 峰值应力比和最大体积压缩应变分别提高了12.6\%和18.8\%, 其原因在于加载过程中颗粒旋转和滑动百分比更小, 内部调整时间更短、更易被剪密; 固有各向异性对颗粒法向接触力分布的影响不大, 但显著影响接触法向分布特征; 剪切过程中, $\theta$为$90^\circ$时的接触法向各向异性系数先快速减小后逐渐增大, 而$\theta$为$0^\circ$到$60^\circ$时则呈现出增大后稍有回落或趋于稳定的趋势, 且$\theta$ 愈小的试件各向异性系数增大愈快.     

一种适合于岩石材料的双剪模型

岩土类材料强度理论分为单剪强度理论、三剪强度理论和双剪强度理论。三类强度理论的典型代表是Mohr -Coulomb强度理论、Drucker-Prager准则和双剪强度理论。单剪强度理论、三剪强度理论和双剪强度理论都有其相应的单元模型 ,分析单元体上对单元体破坏起主要作用的应力 ,建立各应力分量之间的数学关系 ,形成岩土类材料的强度理论。本文分析岩石围压试验和真三轴试验下的破坏及强度特征 ,提出一种适合于岩石材料的双剪模型 ,与三类强度理论建模方法相同 ,可以得出一系列新的强度理论     

不同加载速度下脆性颗粒的破坏特性

对直径为8mm的K9玻璃球进行了加载速度为2×10-7和2×10-6m/s的准静态单轴压缩实验以及加载速度为3.4、7.1和10.6m/s的动态单轴压缩实验,研究了K9玻璃单颗粒破碎强度的Weibull分布特性,结合破碎产物的形貌特征,分析了不同加载速度下脆性材料拉伸破坏机制和剪切破坏机制的转变过程,提出了一种拉剪耦合的时序破坏模型,由此揭示了加载速度与3个破坏区的关系。考虑拉伸和剪切失效准则,应用ABAQUS软件进行数值模拟,并初步验证了该破坏模型的冲击过程。研究结果对于认识脆性颗粒材料的动态破坏具有很好的参考意义。     

直剪实验剪切面积的修正及误差分析

针对现行直剪实验没有考虑剪切面积不断减小对实验结果的影响,本文从理论上推导了计算有效剪切面积的公式,然后通过实验并采用最小二乘法对数据进行处理.结果表明,土体的抗剪强度误差随着环刀面积的增大而减小,当环刀面积为30 cm~2时,随着剪切位移的增大,土体的抗剪强度误差增大;当剪切位移达到4 mm和6 mm时,抗剪强度误差可达8.2%和12.38%.现行方法测得的黏聚力和内摩擦角均比真实值小,低估了土体的抗剪强度,因而需要修正.     

压入实验界面端奇异性研究

纤维压入实验是复合材料界面剪切强度细观实验方法之一,其试件通常由复合材料中切割下来制备而成,从中选取单根纤维,进行压入试验,所以被选中的纤维可看成是被纤维和纯基本材料构成的横观各向同性复合材料所包裹。本文以此为依据,建立了横观各向同性复合材料基体包裹各向同性纤维的轴对称模型,采用逐次渐近等求解方法,得到了求解该模型界面端应力奇异性指数的特征方程,并计算了碳纤维／环氧树脂、碳纤维／铝和碳纤维／Al2O3压入试件界面端奇异性随碳纤维体积百分含量的变化情况。     

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...     

准脆性材料的弹塑性各向异性损伤耦合本构模型研究

针对准脆性材料的非线性特征：强度软化和刚度退化、单边效应、侧限强化和拉压软化、不可恢复变形、剪胀及非弹性体胀,在热动力学框架内,建立了准脆性材料的弹塑性与各向异性损伤耦合的本构关系。对准脆性材料的变形机理和损伤诱发的各向异性进行了诠释,并给出了损伤构形和有效构形中各物理量之间的关系。在有效应力空间内,建立了塑性屈服准则、拉压不同的塑性随动强化法则和各向同性强化法则。在损伤构形中,采用应变能释放率,建立了拉压损伤准则、拉压不同的损伤随动强化法则和各向同性强化法则。基于塑性屈服准则和损伤准则,构建了塑性势泛函和损伤势泛函,并由正交性法则,给出了塑性和损伤强化效应内变量的演化规律,同时,联立塑性屈服面和损伤加载面,给出了塑性流动和损伤演化内变量的演化法则。将损伤力学和塑性力学结合起来,建立了应变驱动的应力-应变增量本构关系,给出了本构数值积分的要点。以单轴加载-卸载往复试验识别和校准了本构材料常数,并对单轴单调试验、单轴加载-卸载往复试验、二轴受压、二轴拉压试验和三轴受压试验进行了预测,并与试验结果作了比较,结果表明,所建本构模型对准脆性材料的非线性材料性能有良好的预测能力。     

考虑颗粒转矩的接触网络诱发各向异性分析

颗粒材料的宏观力学行为与接触网络的组构各向异性密切相关, 根据接触点的滑动与否、转动与否和强弱力情况, 可以将颗粒间的接触系统分为不同的子接触网络. 一般而言, 不同的子接触网络在颗粒体系中的传力机制不同, 对宏观力学响应的贡献也有不同. 采用离散单元法(discrete element method, DEM)模拟了不同抗转动系数$\mu_r$下颗粒材料三轴剪切试验, 分析了剪切过程中不同子接触网络的组构张量的演变规律, 并探究了颗粒抗转动效应对子接触网络各向异性指标演变规律的影响. 研究发现: 剪切过程中转动、非转动接触的组构张量变化不是独立的, 受到颗粒间滑动与否的影响; 非滑动、强接触网络是颗粒间的主要传力结构, 非滑动接触网络的接触法向和法向接触力各向异性均随$\mu_r$的增大而增大, 其对宏观应力的贡献程度随$\mu_r$的增大而减小;强接触网络的接触法向各向异性随$\mu_r$的增大而增大, 但法向接触力各向异性随$\mu_r$的增大无明显变化, 强接触网络对宏观应力的贡献程度在不同$\mu_r$情况下均相同.      

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。     

浙东大运河非饱和粉质黏土抗剪强度特性的试验研究

浙东大运河绍兴段的土体整体上受河流相和海相沉积的影响,地质条件非常复杂.其中粉质黏土作为浅表层土体,受雨水影响较大,其状态经常处于饱和状态与非饱和状态之间.为了进一步探究绍兴段典型非饱和粉质黏土的稳定性差异,以及本构关系和强度指标的变化规律,通过全自动非饱和土应力路径三轴仪,对试验土样进行了三轴剪切试验.试验结果表明,初始干密度从1.4 g/cm³增加到1.6 g/cm³时,土体的抗剪强度、总黏聚力、有效内摩擦角和吸附内摩擦角均增大,应力-应变关系曲线由应变硬化型向应变软化型转变,并且基质吸力和净围压越大,区别越明显;基质吸力从0增加到300 kPa时,土体的抵抗变形能力提高,抗剪强度和总黏聚力增大,有效内摩擦角基本无明显变化,吸附内摩擦角逐渐减小.研究结果揭示了浙东大运河绍兴段非饱和粉质黏土的抗剪强度特性的变化规律,为该地域土质边坡、基坑等工程提供理论依据.