ONE-DIMENSIONAL NONLINEAR CONSOLIDATION THEORY FOR SOFT GROUND WITH CONSIDERATION OF SECONDARY CONSOLIDATION1)

将软黏土变形分为有效应力变化引起的变形和次固结引起的变形,推导了软土新型应力应变关系。然后结合Davis固结理论,建立了考虑次固结的一维非线性固结控制方程,并对其进行解析求解。通过与数值方法对比,验证了解析解的可靠性。在此基础上,分析了次固结对软土地基固结沉降的影响。结果表明：考虑次固结的孔压消散速度与固结速度较不考虑次固结的慢;忽略次固结将低估软黏土地基的工后沉降。     

IMPROVED BINGHAM RHEOLOGICAL MODEL AND ITS PARAMETER IDENTIFICATION

传统宾汉姆流变模型不适于描述岩石蠕变的非线性衰减和加速阶段.本文提出一种非线性的改进模型,引入作用函数表征衰减蠕变阶段,引入非线性黏性元件与传统模型串联表征岩石的加速蠕变阶段.通过对绿片岩和砂岩蠕变实验数据进行非线性拟合得到模型参数,与实验曲线的对比分析表明了改进的效果及改进模型的合理性.     

ANALYSIS OF MECHANICAL CHARACTERISTICS OF FROZEN CLAY AND MODIFIED S-M CREEP MODEL1)

为合理描述人工冻结法施工的矿井土层力学特性,对某矿井土样的重塑土进行单轴抗压强度实验和单轴压缩蠕变实验,得到重塑冻结黏土在不同温度及载荷加载等级下的应力-应变曲线和蠕变曲线。实验结果表明：冻结温度越低,土样的单轴强度越大;相同冻结温度下,土样的蠕变变形随着应力水平的升高而增大。单轴压缩蠕变的等时应力-应变曲线随时间发展向应变轴靠拢;土样经历初始蠕变和等速蠕变两个阶段,在较高应力水平下有进入加速蠕变的趋势;对S-M模型中各参数的意义进行修正并考虑温度的影响,得到人工冻结黏土改进S-M蠕变显式模型,然后采用粒子群算法对人工冻结黏土S-M蠕变模型参数进行优化。改进S-M蠕变显式模型理论计算值与实验值吻合良好,表明改进S-M蠕变显式模型能较好模拟人工冻结黏土的蠕变特性。改进S-M蠕变显式模型为人工冻土蠕变计算提供一种新方法。     

BIOT’S CONSOLIDATION ANALYSIS FOR CYLINDRICAL SOIL-SAMPLE BASED ON HANSBO’S FLOW1)

诸多黏性土渗流试验表明,在低水力梯度下渗流会出现明显偏离Darcy定律的现象. 为了分析渗流的非Darcy特性对固结过程 的影响,引入Hansbo渗流方程描述圆柱土样内的渗流,重新推导轴对称条件下的Biot固结方程,并给出方程的Crank--Nicolson有限 差分格式. 通过与Darcy渗流条件下轴对称Biot固结方程解析解的对比,验证计算方法的有效性. 然后分析Hansbo模型参数对圆柱 土样固结过程的影响. 计算结果表明：与Darcy渗流相比,Hansbo渗流会延缓圆柱土样的固结过程. 随着Hansbo渗流参数m或I¹的增大,在固结前期,Mandel--Cryer效应会更加显著,即孔隙水压力峰值将提高,且达到该峰值的时间 会延迟;在固结中后期,孔压消散滞后的现象也更加明显. 不过,Hansbo渗流对位移的影响很小.     

海相沉积软土蠕变BP神经网络本构模型

海相沉积软土具有很强的蠕变特性,传统分级构建蠕变本构模型方法不实用,且很难真正反映岩土流变的非线性特性。为此,本文引入具有超强非线性映射和容错能力的BP神经网络模型,通过改进BP算法,根据江门软土的室内直剪蠕变试验结果,建立了海相沉积软土BP神经网络蠕变本构模型,避免了传统方法为满足试验曲线变化规律和蠕变特性而需要建立复杂的本构数学表达式。最后,利用上海地区软土蠕变实验结果对本文提出的方法进行了验证,并对BP神经网络蠕变模型在描述软土流变方面的特点进行了讨论。结果表明,本文建模方法简单,并能很好地描述软土的非线性蠕变问题。     

某软土深基坑工程时间效应有限元分析

软土地区的深基坑因土体的固结作用和流变性而具有了时间效应。本文以Biot固结有限元法为基础,用三元件模型中的第一个线性弹簧模拟固结作用,弹性模量考虑了开挖应力路径和应力历史的影响;另外一部分(KELVIN模型)来模拟土体的流变性,以实际变形的反演来得到两个参数的大致取值,再对基坑的变形情况以及进一步开挖进行分析。假定为正常固结饱和粘土,平面应变问题。通过对某饱和软粘土地基深基坑开挖工程实例的分析,得到的挡墙水平位移曲线与实测曲线很吻合,表明程序较好地反映出基坑的时间效应。     

尼龙粉末在SLS预热温度下的离散元模型参数确定及其流动特性分析

尼龙粉末是增材制造中常用的粉体材料,温度对其流动性有重要影响. 探索尼龙粉末增材制造预热温度下的流动性是研究选择性激光烧结(selective laser sintering, SLS)工艺中粉体铺展成形的基础. 选取SLS技术中的尼龙粉末为原材料,采用离散元数值方法,研究尼龙粉末的流动行为,是增材制造工艺数值模拟和铺粉工艺优化的研究热点. 以Hertz-Mindlin模型为基础,基于Hamaker理论模型和库伦定律,在尼龙粉末的接触动力学模型中引入范德华力和静电力,建立预热温度下尼龙粉末流动的离散元模型(discrete element method, DEM),通过对比相应实验结果,标定了该模型的参数. 对加热旋转圆筒中尼龙粉末流动过程进行了DEM数值模拟,校核了所建模型的正确性,并研究了粉体粒径分布对尼龙粉末流动特性的影响规律. 研究表明,尼龙粉末黏附力是静电力与范德华力的共同作用结果;随着粉体粒径的增大,尼龙粉末崩塌角增大,流动性增强;相对于高斯粒径分布,粒径均匀分布的尼龙粉末颗粒流动性更强. 研究结果可指导SLS中铺粉工艺的优化.      

饱和砂土中泥浆渗透的变形-渗流-扩散耦合计算模型

传统的泥浆渗透计算中没有考虑土体变形和浆液流速的影响.根据泥浆颗粒的质量守恒定律推导了耦合流速的浓度扩散方程,并通过在浓度方程中引入沉积系数进一步计算得到沉积颗粒的质量;同时,以沉积量作为耦合项对毕奥固结方程中的水量连续方程进行了修正,在此基础上建立了变形-渗流-扩散耦合的控制方程及其变分原理. 采用有限单元法求解基本方程,运用了时间增量法与直接迭代法,并利用一维试验验证计算方法的可靠性,并与赫齐格的经典模型的计算结果进行了比较,结果表明,本文建立的模型的计算结果可以较好地预测各组试验中颗粒的沉积规律,且吻合程度优于仅考虑颗粒对流和扩散的传统计算方法. 最后,将泥浆在槽壁中的渗透简化为二维问题并进行了计算,计算结果与工程认识相符合,泥浆的沉积填充效应随深度的增加而增大,施工时需要严格控制浅层作业段的机械垂直度;成槽机的下斗抓挖时机可以根据地层填充的致密程度进行计算,对现场施工具有一定的指导意义.      

砂井地基的一个简化计算模型

基于三维有限元方法,提出了一个预测和评价砂井地基的简化计算模型。该计算模型采用块体单元模拟砂井周围的土体,用砂井单元模拟砂井的竖向排水和水平排水过程,并且推导了反映土体单元和砂井单元之间排水过程的连续性方程。克服了以往有限元法计算砂井地基时,需要将砂井和周围土体作均质化等价的缺点,并可用弹塑性模型反映砂井周围土体的非线性变形和强度特性。计算了单个砂井地基固结排水过程。通过和理论解的比较表明,用本文简化计算模型得到的结果和理论解比较接近。同时,还计算了日本某高速公路路基用砂井 堆载预压法处理的过程,通过分析表明,该简化模型能反映砂井地基的固结排水过程,可以应用于实际工程。     

CRACK INTERACTING WITH AN INDIVIDUAL INCLUSION BY THE FRACTURE CRITERION OF CONFIGURATIONAL FORCE

基于构型力概念提出一种可判断裂纹起裂以及裂纹扩展方向的新断裂准则.该准则假设当构型合力值达到一个临界值时裂纹开始扩展,而裂纹扩展的方向则为构型合力的矢量方向.基于此断裂准则,本文开发构型力的有限元计算方法,实现对裂纹扩展的数值模拟,并着重对工程中常见的含孔洞/夹杂结构的裂纹扩展问题展开研究.研究结果表明,基于构型力的裂纹扩展准则可以很好地预测裂纹与孔/夹杂的干涉作用,其数值模拟结果与实验结果相符,从而验证了该裂纹扩展模拟方法的有效性.通过对裂纹和夹杂（圆孔、软夹杂、硬夹杂）干涉问题的数值模拟表明,裂纹前端夹杂对裂纹的扩展具有重要影响.裂纹的扩展方向与裂纹和夹杂的相对位置、以及夹杂类型密切相关.软夹杂和圆孔会吸引裂纹向其扩展,而硬夹杂会排斥裂纹扩展,裂纹在扩展过程中会绕开硬夹杂.当裂纹与夹杂夹角较小时,夹杂对裂纹扩展的影响作用明显,当夹角较大时,夹杂对裂纹扩展的影响较小;特别当裂纹与夹杂夹角为45°时,软夹杂和圆孔可能会抑制裂纹的扩展,使裂纹扩展发生止裂.研究结果有助于认清含孔洞/夹杂结构中的裂纹扩展或止裂问题,对于工程中的断裂问题具有重要指导意义.     

考虑热渗效应的有限长圆柱热固结解

在作者已建立的饱和多孔介质耦合非线性热弹性理论基础上,考虑热渗效应,建立了饱和多孔介质耦合热弹性固结方程,并推导了有限长圆柱热固结问题的解析解,进而以温控三轴试验的试样为例进行了算例分析,同时利用COMSOL软件进行了数值模拟,并将解析结果和数值结果进行对比．结果表明：在不排水条件下,影响试样最终孔压大小的参数是：土的泊松比>弹性模量>水的体膨胀系数,渗透系数对孔压变化影响不大,考虑与不考虑水土压缩性不影响孔压的计算;相对线弹性情况,考虑非线弹性膨胀系数随温度变化时的孔压有所下降,轴向应变变化很小．     

智能软材料热-电-化-力学耦合问题的研究进展

本文重点评述了自然界中的典型智能软材料:聚合物胶体和水凝胶以及关节软骨的多场耦合力学问题的国内外研究现状。基于唯象热力学理论和哈密顿原理,建立了一般性的热-电-化-力学多场耦合理论。重点针对等温过程的化学-力学耦合本构关系和控制方程,通过哈密顿原理,建立了化力耦合系统的有限元列式。证明了化学-力学耦合理论架构的封闭性。通过数值算例分析了水凝胶和关节软骨的多场耦合作用。最后展望了智能软材料多场耦合研究的未来发展趋势。      

主应力轴旋转下黏土累积变形的分数阶元件模型

在长期交通载荷作用下土体塑性累积变形本构模型对路基沉降计算至为关键.元件组合模型可以计算岩土体循环累积应变,但现有的各类元件模型未能反映饱和软黏土的主应力轴循环旋转现象.在对饱和软黏土进行等向固结条件下的主应力轴循环旋转加载试验及非等向固结下的循环扭剪试验基础上,将Abel黏壶代替Burgers模型中的Newton黏壶,得到分数阶Burgers模型;利用遗传算法优化循环塑性累积应变的Burgers模型和分数阶Burgers模型的参数,通过对比两组模型的计算值与试验值,发现分数阶模型更适合模拟计算循环载荷下饱和软黏土的累积变形.     

比奥固结有限元中参数正交敏感性分析

用邓肯-张模型求解比奥平面固结有限元涉及到的参数较多,本文通过正交试验研究参数共同随机变化对软土地基固结沉降的影响,发现其中的k、c、G、φ和F对整个固结沉降过程的影响是高度显著的; Pc在固结的初期影响是显著的;在其他参数变异较大时,Rf对固结沉降的影响相对较小,常渗透系数Kz在固结初期影响显著。本文结果对模型参数的取值、反演、随机分析以及固结沉降的估计具有参考价值。     

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.     

NONLINEAR LARGE DEFORMATION BENDING PROPERTIES OF THE TRACHEA1)

研究了人工气管和生物气管拉伸和弯曲的力学性能及仿真方法。根据气管拉伸实验数据,拟合建立了人工气管的线弹性和生物气管的非线性幂函数本构模型,其与实验的最大误差为18.8%。根据非线性弯曲理论,建立了气管大变形的弯曲变形方程,并得到了其解析解,计算的弯曲载荷与实验的最大误差为8.7%。基于显式有限元法提出了气管弯曲变形的有限元仿真方法,犬气管的弯曲角度的有限元计算结果与实验的误差为3%。     

AN ENERGY APPROACH TO RAPIDLY ESTIMATE FATIGUE BEHAVIOR BASED ON INTRINSIC DISSIPATION

材料疲劳损伤的累积过程是一个伴随着温度变化的能量耗散过程. 相比于疲劳过程中试件的局部温升,固有耗散是材料能量变化的直接反映,与材料微观结构演化联系也更为紧密,因此以材料的固有耗散作为疲劳损伤指标具有更加明确的物理意义. 基于对试件表面温升的一维双指数回归,构建了一种材料固有耗散的计算模型,并在此基础上提出了一种快速评估材料疲劳性能的能量方法. 利用该能量方法,对FV520B 钢的疲劳性能进行了实验研究,并对实验结果进行了分析与对比,从而证明了该能量方法及计算模型的可行性和有效性.     

Use of ram extruder as a combined rheo-tribometer to study the behaviour of high yield stress fluids at low strain rate

We propose in this work to provide an efficient and simple extruder device able to evaluate the rheological and tribological behaviour of high yield stress fluids, such as extrudible materials. An extruder able to measure simultaneously both the friction force acting on the extruder wall and the total extrusion force is developed. Based on previous studies, an efficient and accurate method of data analysis is then proposed and applied in order to obtain both a flow curve and a tribological law. Experimental tests are performed on soft modelling clay, kaolin paste and cement-based materials. Results are compared to conventional rheometry measurements. This comparison helps to evaluate the accuracy of the proposed experimental device and procedure.     

Rheological influences on the consolidation process of soils

Summary Consolidation of soils occurs when the imposed loading produces strains accompanied by the slow escape of pore-water from the voids between the particles. This straining is accompanied by rolling and sliding of the particles into a more dense packing.Terzaghi realized that the plastic resistance to deformation, in the case of clay consolidation, was so small that the consolidation process could be considered as a hydrodynamic problem; in this way, he used simplifying assumptions which led to the development of a time-settlement relationship for clays based entirely on the escape of pore-water; this is a linear equation.Consolidation theory gives a unique stress-strain-time relationship — provided that the strains are not sufficiently large to overcome the shear strength of the soil, with the consequence that rheological considerations govern the deformation process.In the case of soft soils, especially organic soils, the volume of water expelled during consolidation is very large and the shear strength of the soils small. The experimental results indicated that, at low stresses, the strain rates were low indicating plastic deformation of the material with the process governed by the hydrodynamic theory — while at higher stresses, the strain rates increased causing the soil to flow in viscous form and the rheological behaviour predominated over the hydrodynamic process.A further complication to theTerzaghi theory arises with soft soils having high water contents; during the consolidation process, the permeability is reduced as the particles assume a more dense packing.A Flow-Loading parameter was obtained for the soils which incorporated the changes in permeability as a function of loading. This parameter was incorporated in the consolidation theory and provided a non-linear second-order differential equation which can predict the settlement-time behaviour as a function of both loading and changing soil properties.With 6 figures     

排水固结法加固软基变形简化计算分析

插板和砂井堆载预压是处理软基有效方法之一,现有的沉降变形计算方法大部分采用轴对称理论的解析解和以太 沙基或比奥固结理论为基础的数值解,仍较为复杂。根据软基排水固结机理,采用固结度等效原理,对渗透系数进行调整,把 砂井(插板)地基简化为均质成层地基。运用有限元对某软土路基处理工程进行简化计算,并和监测结果进行对比分析,对简 化计算方法进行验证。发现具有较好的准确性,为实际软基处理工程的沉降变形分析提供了一种简单实用的方法。