填土应力路径下珊瑚砂幂律应力-应变模型的适用性研究

岛礁工程建设常用珊瑚砂吹填地基或作为土工构筑物的填料。珊瑚砂在填筑期的应力路径具有静止土压力系数K_(0)固结和等应力比路径的特点,为了准确预估填筑期的填土变形量,需要建立能够反映填土应力路径影响的变形计算模型。根据广义虎克定律,建立了幂律形式的非线性弹性模型来描述土体的应力-应变关系,提出了变形参数的表达式。对珊瑚砂开展了K_(0)固结试验和等应力比路径下的排水三轴压缩试验,分析了珊瑚砂的应力-应变曲线和颗粒破碎状况,研究了幂律应力-应变模型的适用性,并将模型计算结果与试验曲线进行了对比。结果表明:填土路径下的应力-应变曲线具有幂函数曲线形式,可以用幂律非线性弹性模型来描述。模型的切线模量和切线泊松比均可以表示为轴向有效应力的函数,并通过与主应力比或系数K_(0)相关的参数得到表达。等应力比路径下的切线泊松比和切线模量随着轴向有效应力的增加而增大。在相同的轴向有效应力条件下,主应力比越大,切线模量越大,切线泊松比越小。随着轴向有效应力的增加,K_(0)固结珊瑚砂的静止土压力系数和切线泊松比减小,切线模量增大。在试验应力范围内,填土路径下珊瑚砂的颗粒破碎量都很小,对应力-应变特性的影响不大。幂律模型合理地预测了一定主应力比值范围内等应力比路径下珊瑚砂的应力-应变曲线,并能够考虑应力路径对应力-应变关系的影响。

颗粒破碎对于珊瑚砂液化特性的影响

利用GDS动三轴试验系统,对南海珊瑚砂进行了不同破碎度和不同动剪循环应力比下的等幅循环荷载试验,研究了破碎度,动剪循环应力比对南海珊瑚砂的液化特性的影响。试验结果表明:在一维固结试验条件下,随着固结围压的增大,珊瑚砂破碎度逐渐增大;对不同破碎度的珊瑚砂试样进行GDS动三轴试验,随着振动周次增加,在相同的破碎度下,随着动剪循环应力比的增加,试验孔压的发展速度逐渐加快,在相同的动剪循环应力比下,随着破碎度的增加,试样的孔压发展速度逐渐加快;饱和珊瑚砂动孔压的发展在动剪循环应力比为0.2的条件下的运用改进Booker模型拟合有较好的效果。

复杂应力路径下堆石料本构关系研究

已有研究表明,土石坝内堆石料在坝体填筑过程的应力路径可近似为等应力比的路径(q/p=常数),水库蓄水时应力路径将发生转折,呈复杂的应力路径形态(dq/dp=常数)。在大型三轴仪上进行了两种应力路径的排水试验,即等应力比路径下的偏压试验和复杂应力路径下的剪切试验。根据试验结果提出了一个堆石料应力路径增量非线性弹性模型,模型采用三模量形式除可以描述堆石料等应力比路径的应力-应变特征外,通过转折后的路径特征构造合适的柔度矩阵,能够表达转折应力路径下的本构关系。对试验曲线进行拟合表明,应力路径模型能够较好地反映堆石料在复杂应力路径下的应力与变形特性。

堆石料等应力比路径三模量增量非线性模型

已有研究表明,土石坝内堆石料在填筑期的应力路径可近似为等应力比的路径。根据等应力比三轴排水剪切试验,介绍了一个三模量增量非线性模型,即模型除给出堆石体积模量K和剪切模量G的表达式外,对剪应力产生的体变和平均主应力产生的剪切应变也采用了交叉模量J表达。采用粒子群优化算法通过全量本构关系曲线确定增量模型参数。通过对试验数据的拟合发现,三模量模型可以较好地反映堆石料的应力与变形特性。

等应力比应力路径下饱和原状黄土的孔压特性

对杨凌饱和原状黄土在轴向加载且径向卸载以及轴向卸载且径向加载二种类型的等应力比应力路径下,进行了K0固结不排水三轴剪切试验,探讨了应力路径、固结围压等对饱和原状黄土孔压发展特性的影响。研究表明:(1)当忽略被动压缩应力路径在较小围压开始阶段所产生的极小负孔压值时,在两种类型的等应力比应力路径下孔压随轴向应变(压缩或挤伸)的增大,先快速增大后缓慢变化且均为正值;(2)固结应力条件相同时,应力路径对孔压发展特性有很大的影响,对于轴向加载且径向卸载类型的等应力比应力路径,孔压随加载应力比的增大而增大;而对于轴向卸载且径向加载类型的等应力比应力路径,孔压却随加载应力比的增大而减小;(3)在有效球应力和偏应力坐标系上,在轴向加载且径向卸载类型的各种等应力比应力路径下近似地具有唯一的有效应力路径;而在轴向卸荷且径向加载类型的各种等应力比应力路径下具有不同的有效应力路径,且随着加载应力比的增大,其有效应力路径由右向左按顺时针方向依次排列;(4)在不同应力路径下,孔压是由平均正应力增量和剪应力增量两部分共同引起的,由平均正应力增量引起的孔压与土的非线性变形特性无关,由剪应力引起的孔压与剪应力间呈显著的非线性关系。

等应力比路径下堆石料双屈服面弹塑性模型研究

已有研究及实测资料表明,土石坝内堆石料在填筑期应力路径接近等应力比关系,且这种关系并不因材料混杂、施工分期复杂而发生本质性改变。应力路径较大程度上影响了堆石料的受力变形特性,以往按室内常规三轴试验路径建立的本构模型及标定的参数直接推广至实际坝体路径的计算可能存在较大的误差。通过分析糯扎渡、水布垭及三板溪等堆石料等应力比三轴试验应力-应变曲线特点,认为体积应力-体积应变(p-v)及偏应力与广义剪应变(q-s)曲线具有幂函数规律。以常规南水双屈服面模型(沈珠江模型)为基础,将等应力比应力-应变规律引入模型中,在p-q平面内推导适合等应力比应力路径的双屈服面弹塑性模型,通过对试样在等应力比三轴试验中塑性应变增量方向的分析,探讨适合等应力比路径变形特性的f1屈服面的合理形态。以糯扎渡水电站主堆料等应力比三轴试验为例确定模型参数标定方法,且对模型适应性进行初步分析。

等应力比平面应变试验中主应力转换的研究

土的平面应变是岩土工程中常见的状态,其中零应变方向的主应力是十分复杂的。承德中密砂等应力比平面应变试验结果表明,平面应变状态下零应变方向的主应力在不同条件下可能是大主应力、中主应力或者小主应力。利用由等应力比三轴压缩试验确定的切线泊松比,可以合理地预测等应力比平面应变试验中零应变方向主应力的转换过程,这一认识对于一些实际工程问题的分析具有一定的意义。

等应力比加载路径下堆石料力学特性的细观数值分析

堆石料的力学特性与应力路径相关,而常规三轴试验的应力路径与堆石坝工程填筑期坝体内的应力路径差别较大,因此本文采用考虑颗粒破碎效应的随机颗粒不连续变形分析(SGDD)方法进行等应力比加载路径下堆石料三轴试验的细观数值模拟,研究固结应力和加载应力比对堆石料强度和变形特性的影响.模拟结果表明:固结应力和加载应力比对堆石料的力学特性影响较大,随着固结应力的增加、加载应力比的减小,应力应变曲线由应变软化型向硬化型转化,试样也由低压剪胀向高压剪缩转变;p-q平面内的强度包络线具有明显的非线性;细观组构量的演化规律与堆石料的宏观力学特性密切相关.

等应力比加载下颗粒材料的宏细观定量关系探讨

为了建立颗粒材料的组构张量与应力张量的定量关系,采用离散单元法,开展了一系列等应力比双轴压缩试验.模拟结果表明,随着应力的增加,颗粒间的接触法向朝着大主应力的方向集中,试样的各向异性程度逐渐提高.当应力足够大时,由接触法向定义的组构张量将不再发生演化,对应的第二偏不变量与应力比大致呈二次函数关系.进一步,将组构张量与应力张量按照某种形式相乘,得到的组合张量是与应力比无关的常量,这表明组构张量与应力张量的关系可以用一个隐式方程来描述.从而在特定条件,即圆形颗粒材料在等应力比加载下颗粒排列达到稳定时,确定了宏细观物理量之间的定量关系,为建立多尺度的本构模型提供一种潜在思路.

非饱和原状黄土的变形及屈服特性试验研究

对不同吸力非饱和原状黄土进行了等应力比三轴压缩及常规三轴剪切路径下的试验,研究了偏应力比q/p(q及p分别为净平均应力及偏应力),吸力及净围压对不同应力路径下变形及屈服特性的影响。研究结果表明:在等应力比三轴压缩及常规三轴剪切过程中,孔隙比e与净平均应力p关系(e-lnp)皆位于二条相交的直线上,吸力、偏应力比及净围压对弹性指数的影响很小,对屈服应力及压缩指数的影响较大。等应力比三轴压缩路径下,偏应力比一定时,屈服应力及压缩指数皆随吸力的增大而增大;吸力一定时,随偏应力比的增大而先增大后减小。常规三轴剪切路径下,吸力一定时,屈服应力及压缩指数皆随净围压的增大而增大;净围压一定时,随吸力的增大,屈服应力增大,压缩指数减小。以塑性体应变作为硬化参数时,q-p平面上的初始及后继屈服面皆为对称于饱和土K0线的倾斜椭圆,吸力及应力增大时,屈服面没有旋转,而是产生等向扩大。

K_0等比固结条件下软土的变形

软土的变形与长期变形是学术界和工程界共同关注的问题,会导致软弱土层的过大沉降和工后沉降。软土地基的固结状态更符合K0等比固结状态。基于土体的一维固结理论,针对广东汕头东部围海造地吹填地基进行了原状土样在K0等比固结条件下的固结与次固结特性研究,并与侧限压缩试验结果进行了对比。试验结果表明,K0等比固结条件下试样有明显的瞬时变形特征,并对之后的变形产生影响,与侧限压缩试验结果相比,压缩指数增大、压缩模量减小、次固结系数减小、主次固结时间的分界提前。

重塑黄土等应力比三轴压缩试验研究

通过对陕西子洲重塑黄土进行三轴压缩试验,探讨和分析了不同等应力比、不同初始固结围压、不同初始干密度以及不同初始含水率对重塑黄土强度特性的影响。试验结果表明:黄土强度特性随初始固结围压、初始含水率以及初始干密度的变化规律与常规三轴压缩试验的变化规律一致;试验黄土的强度随等应力比k的变化而变化,k增大,黄土的强度也随之增大,k减小,黄土的强度也随之减小;侧向压力在随着竖向应力的微小变化下,土体破坏时的主应力值大幅度提高,使得土体的承载力大大提高,进而使得工程更加经济。

土与结构接触面等应力增量比路径单剪试验力学特征分析

利用大型单剪仪（DHJ-30）进行含砾粗砂与结构物接触面的等应力增量比路径单剪试验，研究加载路径及初始法向应力对接触面物理力学性质的影响。研究结果表明，土与结构物接触面的破坏强度与加载路径无关，破坏与否与加载路径相关，只有加载路径与抗剪强度包线相交才会发生破坏；初始法向应力一定时，加载应力增量比越小则剪应力一切向位移关系曲线初始阶段的切向劲度系数越大，法向压缩量峰值越大，最终剪胀量越小；加载应力增量比一定时，初始法向应力越大则剪应力一切向位移关系曲线初始阶段的切向劲度系数越大，法向压缩量峰值越大，最终剪胀量越小。

软黏土加载速率效应特性试验研究:进展与趋势

大量的室内和现场试验都表明,软黏土的强度与变形速率相关。为了更深入地认识软黏土的加载速率效应特性,首先分析了一维应力条件下先期固结压力和三轴应力条件下不排水抗剪强度的加载速率效应及应力-应变关系的归一化,探讨了一维和三轴条件下的5个速率方程(2个指数形式和3个对数形式)在拟合黏土先期固结压力和不排水强度加载速率效应上的适用性;使用5个速率方程估计了一维和三轴条件下的加载速率参数,以及拟合了加载速率参数与液塑限的关系,并且分析了复杂应力(十字板剪切和旁压条件)下的非理想土单元体的黏土加载速率效应特性等;讨论了黏土加载速率效应特性在一维和三维、压缩与伸长、不同超固结比(OCR)条件下的统一性;最后,从香港黏土压缩与伸长和不同OCR条件下的剪缩、剪胀特性方面更深入地探讨了软黏土加载速率效应特性,并讨论了典型的剪缩、剪胀方程在黏土的力学特性模拟中的有效性。结果表明,为更好地描述黏土的应力剪胀特性,现有典型的剪胀关系需要更一步改进。

临界应力比下M24高强螺栓的常幅疲劳性能试验研究

针对材质为35 K的8.8级M24高强螺栓进行了3个试件静力拉伸试验和15个试件临界应力比下(R=0.8)的轴心“拉-拉”常幅疲劳试验,拟合了应力-循环次数曲线(即S-N曲线),选取典型试件疲劳断口进行宏观和微观分析,并与基于国家标准GB 50017-2017相关公式的计算结果进行了对比。结果表明:疲劳试验数据离散性大,对应循环破坏次数整体偏低,但均在95%置信区间内,拟合的S-N曲线基本反映不同应力幅下试件的疲劳寿命;螺栓试件常幅疲劳破坏均起始于螺纹齿根处,疲劳失效由多点疲劳源扩展形成线状疲劳源,断口韧窝特征明显;对比试验结果和国家标准规定允许的疲劳建议值,2×10^6次循环对应的疲劳强度为标准建议值的1.35倍。

UH模型对粗颗粒土适用性验证及土石坝工程应用

对3种粗颗粒土进行了常规三轴CD试验、K0压缩试验和等应力比路径试验,根据三轴试验数据标定UH(unified hardening,统一硬化)模型的参数,然后模拟另外两种路径下的应力-应变关系,并与邓肯E-B模型进行比较。结果表明:UH模型能合理地描述不同应力路径下粗颗粒土的力学特性,而邓肯E-B模型的预测结果则较差,验证了UH模型对粗颗粒土的适用性。最后利用UH模型对某心墙堆石坝进行了应力变形三维有限元分析,并将计算结果与邓肯E-B模型及现场监测值进行比较。对比显示:在坝体变形和应力的定性分布规律上,UH模型的计算结果与邓肯E-B模型基本一致;而在定量上,UH模型得到的坝体变形总体上更接近现场监测值,验证了UH模型在土石坝工程中的适用性和合理性。

等应力增量比路径下接触面应变软化模型

等应力增量比路径单剪试验条件下,部分土体与结构接触面表现出明显的应变软化和剪胀特性。基于广义位势理论,将土与结构的接触面问题看作应力空间上的二维问题,势函数取法向应力和切向应力,用塑性状态方程取代传统的屈服面,建立等应力增量比路径条件下的土与结构接触面应力-应变软化模型。采用指数函数,拟合单向压缩试验中法向应力与法向应变的关系,采用复合指数函数,拟合应力比与切向应变的关系,采用另一复合指数函数,拟合法向剪胀分量与切向应变的关系。通过对拟合函数进行微分,确定模型中待定系数的求解方法。结合试验结果对模型进行验证,模型拟合效果良好,具有一定的合理性。

堆石料等应力比路径四模量增量非线性模型

已有研究表明,土石坝内堆石料在施工填筑期的应力路径可近似为主应力比为常数的路径。根据大型三轴仪上进行的两种应力路径排水试验,即等向压缩的固结试验和等应力比值的剪切试验,提出了一个四模量增量非线性模型。模型除给出了堆石料体积模量K和剪切模量G的表达式外,对剪应力产生的体积应变和平均主应力产生的剪切应变也分别采用了交叉模量J1、J2表达。通过与试验数据的对比表明,四模量增量非线性模型能够较好地预测堆石料在等应力比路径下的应力-应变关系。

定侧压荷载作用下引气混凝土的强度性能

为准确认识复杂应力状态下,引气混凝土材料的性能特征,对强度等级为C30的引气混凝土进行了双向非等比例加载下的受压试验,观察了引气混凝土试件在双向非等比例荷载作用下的破坏模式和试件表面裂缝的特征.结果表明:与单轴强度相比,引气混凝土在定侧压应力下双轴抗压极限强度有较大程度的提高,提高程度在侧压应力系数为0.50时达到最大,然后提高程度会随侧压应力的继续增加而有所降低;将本试验结果与其他试验结果进行了比较分析;在此基础上,建立了考虑侧压应力比影响的强度准则,为处于复杂受力状态下的引气混凝土结构的有限元分析提供试验和理论依据.

应力比对高强螺栓常幅疲劳性能影响分析

为了研究应力比对高强螺栓常幅疲劳性能的影响,针对端板连接用8.8级M24高强螺栓完成了3种应力比(R=0.3,0.5,0.8)共14个试件的疲劳试验,选取典型螺栓试件疲劳断口进行宏观和微观分析,并对不同应力比下高强螺栓应力分布规律进行了数值模拟。研究结果表明:在相同应力幅下,应力比与螺栓常幅疲劳寿命整体上呈负相关,最大应力比对应的螺栓疲劳寿命仅占最小应力比对应螺栓疲劳寿命的7.2%~43.7%;不同应力比对螺栓疲劳断口的影响较明显,尤其是疲劳扩展区所占面积,最小应力比对应的螺栓疲劳扩展区面积约为最大应力比对应区域面积的1.2倍;应力比对螺栓应力分布规律影响明显。