基于扰动状态概念的砂土-混凝土桩接触面荷载传递模型研究

基于扰动状态概念理论,考虑砂土密实度对扰动函数的影响,建立混凝土桩-砂土接触面荷载传递模型。用混凝土板表征桩侧粗糙度效应,采用大型直剪仪开展不同密实度的砂土-混凝土桩接触面力学行为的试验模拟,研究砂土密实度对混凝土桩-砂土接触面的力学特性的影响规律,分析接触面模型初始剪切系数、模型扰动参数(A和Z)对桩-砂土接触面荷载传递模型的作用机制。研究结果表明:1)混凝土桩-砂土接触面易呈现应变软化,在低法向应力条件下,混凝土桩-密砂接触面的应变软化程度最大。2)模型扰动参数Z在数值上近似等于孔隙比。模型扰动参数A越大,砂土与混凝土桩接触面的软化显著程度越大。参数A随着密实度增大而增大。随着法向应力增大,密砂的扰动参数A呈近似线性衰减,松砂和中密砂的扰动参数A近似呈双折线衰减。3)初始剪切系数k_s随着法向应力增大而增大,密实度越大,增速越快。4)基于扰动状态概念的桩-砂土接触面荷载传递模型可靠、参数的物理意义明确且易确定,能很好地表征桩-砂土接触面的应变软化及硬化等力学特征。

基于Rayleigh分布扰动状态概念的单桩承载特性研究

基于扰动状态概念(Disturbed State Concept,DSC),结合Rayleigh分布从微观角度描述桩-土界面荷载渐进性传递特性,建立了基于DSC理论的桩侧及桩端荷载传递模型,给出了模型参数确定方法,并验证了模型的合理性.同时结合桩侧及桩端荷载传递模型,提出了一种分析单桩承载特性的迭代算法并验证其合理性.通过算法计算得到的单桩承载特性与案例实测值有较好的一致性,且可较好地反映侧阻及端阻硬化、软化等特性.变参数分析结果表明,基于DSC理论的桩侧及桩端荷载传递模型对不同土层、不同桩基施工工艺都有好的适用性,可较准确地描述桩-土界面荷载传递特性.

基于扰动状态概念水泥土桩-土界面强度演化规律研究

通过设计并制作不同养护龄期(7、14、28、35及60 d)的水泥土桩-土单元体试样,开展水泥土桩-土界面的力学性能试验,测得了各龄期下水泥土桩-土界面的剪应力-剪切位移全过程曲线,并以此建立了水泥土桩-土界面峰值抗剪强度及残余抗剪强度随龄期变化的双曲线型演化模型.同时,开展了与单元体试样同龄期的水泥土桩体材料的单轴和三轴压缩试验以及土体的三轴压缩试验,得到了水泥土桩体的单轴抗压强度和抗剪强度指标(即黏聚力c和内摩擦角φ)随养护龄期的演化规律和演化模型,且试验结果表明水泥土桩-土界面抗剪强度与水泥土桩体单轴抗压强度之间呈线性关系.最后,引入扰动状态概念理论,基于试验结果建立了水泥土桩-土界面的剪应力-剪切位移关系随试样养护龄期的演化模型,该模型计算结果与实测值吻合良好,可为水泥土类桩的荷载传递规律的理论分析和数值模拟提供可靠的计算模型.

基于扰动状态概念模型的饱和软粘土力学特性

基于扰动状态概念(DSC)理论,定义饱和软粘土的相对完整状态、完全调整状态及扰动函数,建立了饱和软粘土应力—应变关系的DSC模型.通过三轴固结不排水剪切试验,对上海地区典型软粘土的力学特性进行了分析,得到了软粘土在不同围压下的轴向应力、应变和孔压等参数之间的关系,并应用试验结果验证了饱和软粘土的DSC本构模型.结果表明,理论与试验结果较为吻合.

基于扰动状态概念的结构性土压缩特性分析

由于土结构性的影响天然沉积土的结构是亚稳定的,屈服后的压缩变形阶段必然伴随着结构的破损。将附加孔隙比Δe作为表征原状土的一个结构状态参数,基于扰动状态概念,引入定量分析附加孔隙比Δe随固结压力变化关系的方法,得到一维扰动状态概念(DSC)压缩模型,以描述结构性土压缩损伤现象,并通过结构破损指数b来刻画压缩过程中的结构破损速率。根据该模型,对太湖湖沼相典型的天然沉积软黏土、粉质黏土和硬黏土不扰动试样的一维压缩试验结果进行模拟和分析,并结合试验数据提出了模型参数的测定方法。分析结果验证了该模型能够描述具有不同结构形式土样的压缩特性及其实际变形过程中表现出的非线性,这给结构性土非线性固结与沉降计算提供了一定的理论基础。

扰动状态概念方法的参数标定及应用初探

扰动状态概念为工程材料提供统一的本构关系模拟方法.当材料受荷时,其响应是由处于相对完整状态下和处于完全调节状态下的材料响应以一个加权函数组合起来,构成材料的真实响应.响应和扰动因子是相互关联的,需要用直接迭代法求解.解决工程问题时,可以选择简单的参考状态,并用拟合岩石单轴受压的全过程应力应变关系曲线确定扰动因子的参数.该方法在描述材料软化阶段时效果会更好.

单轴压缩下岩石破坏后区的扰动状态概念分析

岩石的应力-应变全过程曲线以峰值应力为界,通常分为破坏前区和破坏后区两个部分。岩石的破坏后区一般处于非稳定状态,其力学响应难以用经典强度理论来描述。由于岩石破坏后区的力学特性对诸多岩石工程,如地下巷道、矿柱和岩爆等具有重要的工程意义,因此,此方面的研究已受到理论界和工程界的重视。基于扰动状态概念理论,通过定义相对完整状态、完全调整状态和扰动函数,建立了能反映岩石材料破坏后区特性的本构模型。采用RMT-150B型岩石力学试验系统,对5种岩石试样(湖北大悟的红花岗岩、四川雅安的大理岩、江西贵溪的红砂岩、河南焦作的砂岩和花岗岩)进行了单轴压缩破坏试验,得到了各种岩石的应力-应变全过程曲线;利用扰动状态概念分析了各岩样变形和破坏的力学机理。在提出的岩石材料扰动状态本构模型的基础上,对上述几种岩石破坏后区的应力-应变关系进行了数值计算,计算结果与试验结果较为一致。因此,建立的本构模型在一定程度上能描述岩石破坏后区的力学特性。

基于扰动状态概念的结构性软黏土本构模型

在扰动状态概念基础上,建立了一个考虑土结构性影响的软黏土应力应变本构模型。模型尝试运用电阻率不规则因子来表征和测定土样的扰动变量,从而克服了传统扰动变量获取方法的不足,使之简便、快捷、经济、实用。另外,模型中,增加了土体体应变对土体扰动影响,且以试验和理论为依据建立扰动函数,从而使得模型更加符合土体实际工程力学特性。模型形式相对简单,参数易于确定。三轴排水剪切试验的验证结果表明,所构建的模型能较为合理地模拟结构性软黏土受荷扰动下的变形过程。

基于扰动状态概念模型的刚性挡土墙土压力理论

基于扰动状态概念(DSC),结合库伦土压力理论研究平动位移模式下刚性挡土墙的土压力计算方法.以挡墙平动位移量为扰动参量,建立扰动度函数表达式.提出扰动摩擦角概念,建立扰动摩擦角与扰动度之间的关系公式.参照库仑土压力理论,分析任意扰动状态下土楔的最不利受力情况,得到平动位移模式下基于DSC理论刚性挡土墙土压力计算公式.算例分析表明:在任意扰动状态下,基于DSC理论的刚性挡墙土压力计算公式所预测的土压力大小、分布以及土压力系数均与模型试验结果比较吻合.

基于扰动状态概念与E-B模型的粗粒料力学行为模拟

考虑到基于复杂弹塑性模型与扰动状态概念的本构模型在数值积分时的困难,以Duncan-Chang(E-B)模型描述材料在相对完整状态(RI)下的响应,用临界状态模型描述材料在完全调整状态(FA)下的力学行为。依据常规三轴试验曲线判断材料状态的转变并建议了相应的扰动因子计算方法。利用Abaqus软件实现了相应的程序代码,数值算例模拟了堆石料的三轴试验,结果表明邓肯-张模型与扰动状态概念的结合在模拟应变软化、剪缩与剪胀方面具有良好能力。在此基础上进一步模拟了某混凝土面板堆石坝的施工、蓄水、退水的过程,数值结果表明变形分布符合一般规律,且在定量上与原型观测吻合较好。

基于扰动状态概念的桩–土相互作用的新荷载渐进性传递模型

结合扰动状态理论(DSC),详细地分析了桩–土相互作用的荷载渐进性传递机制,提出基于DSC的荷载传递函数及其参数辨识方法。基于Matlab编程,重点分析了模型参数对τ-s曲线的影响规律。分析结果表明,参数η对桩土界面的强度特性的影响具有决定性作用,反映了桩土界面单元强度分布的集中程度,合理地选取参数η可以较好地描述桩–土界面的硬化、软化及弹塑性特性;参数ξ、τ-f对界面的强度特性影响较小,参数的改变只对最大侧摩阻力值产生影响,ξ、τ-f越大,侧阻力的极值也越大,但对τ_s曲线的线形几乎无影响;参数k对界面强度特性和τ-s曲线的线形都有一定的影响,k越大峰值强度越大,界面强度越高,达到侧摩阻力峰值所对应的界面位移越小。结合依托工程,理论模型计算结果与现场试桩实测值吻合较好,检验了该模型的正确与可靠性,对工程实际具有重要指导意义。

工程材料的扰动状态本构模型(Ⅰ)——扰动状态概念及其理论基础

现在,弹性、塑性、热塑性、热粘塑性、连续介质损伤理论等常常被用来建立工程材料的本构模型。现介绍一种比上述理论更好的、统一的建模方法──基于扰动状态概念的本构模拟方法。扰动状态概念(DSC)是基于这样一种思想:变形材料单元可被看成是一种由处于相对完整状态和完全调整状态(即所谓的基准状态)的两种基本部分所组成的混合物。在外部荷载的作用下,材料经历由自调整过程而产生的内部的微结构变化。结果使初始的相对完整(RI)状态逐渐转变为完全调整(FA)状态。这种自调整过程可能包含能导致材料微裂纹产生、损伤或强化的颗粒的相对运动,它能引起观测响应的扰动,特别是在两种基准状态下的响应。材料单元可观测的平均响应是根据材料在两种基准状态(相对完整状态和完全扰动状态)下的响应通过扰动函数来表达的。研究成果表明:扰动状态概念为工程材料提供了一种统一的本构模拟方法,它包括其他早先的连续介质和损伤模型体系,并把它们作为特例。

基于扰动状态概念的非饱和原状Q_2黄土本构模型

Q_2黄土是典型的非饱和土,具有明显的结构性和一定的湿陷性。在扰动状态概念基础上,建立了一个考虑细观结构演化的非饱和原状Q_2黄土本构模型,并通过试验建立了细观试验数据与土体宏观现象的联系,即通过CT-三轴试验过程中的CT数据表征和测定土样的扰动变量,从而得到结构性土体的扰动函数(结构演化规律)。模型中,以陈正汉等提出的非饱和土增量非线性弹性模型和修正Barcelona非饱和土弹塑性本构模型描述相对完整状态和完全调整状态,以CT-三轴试验为依据建立的扰动函数较为客观真实,从而使模型能更好地描述非饱和原状Q_2黄土的力学特性。模型包括土骨架变形与水量变化两个方面,可对加载过程和湿陷过程进行描述。模型参数均可由试验确定,且通过试验资料初步验证了模型的合理性。

基于扰动状态概念的煤蠕变本构模型

针对煤矿井下条带法开采留设的煤柱在覆岩压力作用下随着时间推移易发生蠕变现象,考虑到传统蠕变模型难以描述煤体蠕变各个阶段的损伤特性,基于扰动状态概念的理论,选用Kelvin模型描述材料的相对完整状态,将Burgers模型中的黏壶元件用非线性黏壶元件代替描述材料的完全调整状态,引入Weibull分布函数,选取以时间为自变量的扰动因子函数,建立了以扰动因子为权函数的煤体蠕变全过程的本构模型.同时,利用煤样室内蠕变试验数据对基于扰动状态概念下煤体的蠕变模型参数进行了辨识,验证了该模型的合理性,且相对于传统模型有较好的协调性,能够更有效地描述煤体的初始、稳定和加速蠕变阶段的蠕变规律.

工程材料的扰动状态本构模型(Ⅱ)——基于扰动状态概念的有限元数值模拟

介绍利用扰动状态概念进行的有限元数值模拟方法。阐述基于扰动状态概念有限元法的应变平均化方法、解的收敛性和单值性、解对局部化问题的适宜性及其具有避免虚假网格相关性的特点。通过实验对该有限元法的计算结果进行了验证。研究结果表明,基于扰动状态概念的有限元方法具有传统方法所无法比拟的优势。

扰动状态概念模型在三峡大坝3^#坝段稳定性分析中的应用

采用扰动状态概念模型分析三峡大坝3#坝段的稳定性。材料的本构模型采用扰动状态概念本构模型,其中岩石和混凝土的模型参数可根据所提供的材料基本参数及单向压缩试验和常规三轴压缩试验求得;而断层的扰动状态概念模型参数则根据位移反分析法反演,反演时采用遗传算法进行优化。分析大坝稳定性时,采用强度储备法进行追踪计算,采用VC++与Matlab混合编程的方法编制了三维有限元程序进行数值计算,把控制点位移出现拐点确定为坝段的抗滑安全系数,以此得到合理的安全系数。

基于扰动状态概念的含水合物土弹塑性模型

含水合物土是由水合物赋存在土体中形成的特殊土,其力学特性不仅与饱和度有关,和赋存模式也有很大的关系。不同赋存模式的水合物胶结结构不同,其力学特点也不尽相同。考虑含水合物土在荷载作用下胶结结构会发生破坏,采用扰动状态概念,建立含水合物土的应力-应变模型来描述胶结结构受载破坏的全过程。同时,采用水合物的有效饱和度表示的伤变量来描述含水合物土的内部结构的在受载条件下的发展规律。根据含水合物土的力学行为,采用理想弹塑性模型和摩尔-库仑模型来描述两个参考状态,形式相对简单,参数易于确定。最后通过三轴剪切试验对模型进行了检验,结果表明该模型能较为合理的模拟含水合物土在扰动过程中的变形特点。

基于扰动状态概念的颗粒材料应变局部化行为模拟

基于经典连续体的Duncan-Chang模型缺少用于表征材料破坏程度的参数及与应变局部化带宽相关的特征长度,且无法反映材料的软化特性.为此,基于扰动状态概念,引入Cosserat连续体理论作为正则化机制,以Duncan-Chang模型描述相对完整状态下材料的响应,以临界状态模型描述完全调整状态下材料的力学行为,并分别基于常规三轴试验曲线与体积应变阈值、形状改变能极限状态概念提出两种扰动因子演化方式.利用数值算例考察了扰动对材料承载力、应变局部化行为的影响.模拟结果表明:两种演化方式均能描述材料的软化特性,第二种方式在预测剪破角变化规律方面更为合理;所发展的扰动状态模型在模拟应变局部化问题时可以在一定程度上消除对有限元网格密度的敏感性.

基于扰动状态概念理论的固化淤泥一维压缩模型

采用低碳、环保的镁质水泥对淤泥进行固化处理,研究了不同龄期下固化淤泥一维压缩特性。采用新型环刀制样方法,开展了镁质水泥固化淤泥的一维压缩实验研究。结果表明:固化淤泥的压缩曲线与结构性土变化趋势类似,固化淤泥的ln(1+e)–lgσ′v曲线存在一个明显的拐点(结构屈服应力),且随着龄期的增长,固化淤泥的结构屈服应力逐渐增大。基于扰动状态概念理论,提出了能反应固化淤泥强化与弱化并存的一维压缩模型,试验验证了该模型可以较好预测任意龄期下固化淤泥的一维压缩特性。

基于扰动状态概念的饱和黏土热弹塑性本构模型

在浅层地热能开发、核废料处置和能源地下结构等工程建设过程中,温度变化对土体强度和变形的影响不容忽视。为了能够较为全面地反映土体的热力学特性,在扰动状态概念的基础上,建立了一种考虑温度效应的饱和黏土热弹塑性本构模型。考虑土体体积变形和临界状态的热依赖行为,通过引入扰动函数来反映超固结比(OCR)对饱和黏土强度、剪胀和变形的影响,并将其嵌入剪胀应力比、潜在破坏应力比和塑性模量。通过等向升温-冷却试验和温度控制的三轴排水/不排水压缩试验对模型进行了验证。计算结果表明,模型能够合理地反映饱和黏土的热硬化和热软化行为。在排水条件下,正常固结黏土的应变硬化和体积收缩以及超固结黏土的应变软化和体积膨胀特性得到较好的预测。同时,模型能够描述饱和黏土在不排水条件下强度和应力路径的演化。