基于混合物法则根土复合体本构模型的研究

为探究根土复合体的应力-应变关系,将其视为两相体,根系采用线弹性模型,土体采用邓肯-张模型,并考虑根系与土体之间的相对滑移关系,基于混合物法则建立根土复合体本构模型。通过素土与不同含根量的根土复合体三轴压缩试验,得到其应力-应变关系,通过单根拉伸试验得到根系的弹性模量。结果发现,(1)根土复合体的极限主应力差随含根量的增加先增加后减小,含根量0.3%为最优含根量。(2)单根的直径与抗拉力、抗拉强度符合幂函数关系,与弹性模量符合多项式关系。(3)通过反分析的方法,建立滑移关系,得到模型计算值的应力-应变关系,发现模型计算值与试验值的拟合度(R^(2))为0.96。该研究为根土复合体本构模型的建立提供新思路,并为根土复合体的数值分析提供参数。

基于本构模型的超弹性材料有限元仿真

超弹性材料因其优异的力学性能,在工程科学、医疗、人体工程学和制造等领域具有非常广泛的应用。该文将研究不同受载情况对变形血管力学性能的影响,预估动脉损伤的风险程度。结果表明,2阶多项式(Polynomial)模型可精确描述血管组织的力学行为,随着外载荷的增大,动脉组织发生的形变和承受的应力均显著增加,动脉损伤的风险越大。研究成果为超弹性材料的工程制造、医学辅助治疗提供全新思路和方法,具有重要的意义。

地震作用下大直径嵌岩单桩动力响应数值分析

以大直径嵌岩单桩为研究对象,对地震荷载作用时桩、土、岩的变形规律及桩基刚度进行分析,在有限元-无限元耦合数值模拟中引入土体非线性黏弹性本构模型与岩体损伤本构模型来描述桩周土、岩介质刚度随应变衰减的特性。数值模拟结果表明,大直径嵌岩单桩位移、加速度等动力响应,土体非线性滞回特性以及岩石损伤程度等显著受到桩基嵌岩深度、岩石风化程度和地震烈度等因素的影响,在设计时应深入分析。

TEST AND STUDY ON THE CONSTITUTIV ERELATIONSHIP OF DESERT SAND UNDER MOVING VEHICLE

The mechanical properties of the sand of Takelamagan desert in Xinjiang under moving vehicle are studied by soil dynamic triaxial test apparatus. The nonlinear elastic constitutive model of the sand under moving vehicle is established first. These results lay the foundations for studying the interaction between vehicle running gear and the sand of Takelamagan desert in Xinjiang. and developing sand vehicle.

考虑冰晶胶结特性的冰-冻土界面力学特性

寒区多年冻土斜坡内部存在的下卧冰层对多年冻土斜坡稳定有着重要影响。为探究冰-冻土界面力学特性对斜坡稳定的影响,该研究以冰-冻土界面为研究对象,在低温环境(−3℃)下开展了不同冻土初始孔隙比和含水率下的冰-冻土界面及对应的冰-土颗粒界面直接剪切试验,建立了考虑冰晶胶结特性的冰-冻土界面非线性弹性损伤模型,结合试验结果对模型进行了验证,并分析了界面在剪切过程中切线刚度的变化规律。结果表明:冰-土颗粒界面的剪切应力表现为应变硬化特性,而冰-冻土界面的剪应力在峰值强度之后迅速下降,表现为应变软化特性。冰-冻土界面结构系数峰值点对应的剪切位移随着含水率的增大而增大,当冻土初始孔隙比为1.0、0.8和0.6,冻土初始含水率从14%增大至18%时剪切位移分别增大了32.7%、41.3%和52.1%。在−3℃下,冻土的初始含水率越大,则界面处的胶结冰越多,黏聚强度对界面的抗剪强度贡献也就越大。当结构系数达峰值点后,界面开始产生损伤,并随着剪切位移的增加进入加速损伤阶段。剪切过程中界面的切线刚度呈先增大后减小的趋势,在结构系数峰值点处为0,之后切线刚度随着剪切位移的增加逐渐减小。此外,界面的峰值切线刚度随着法向应力的增大而增大,当冻土初始孔隙比1.0、初始含水率为18%,法向应力从50 kPa增大至200 kPa时,则界面的峰值切线刚度增加了63.7%。在冰-冻土界面力学模型中考虑冰晶胶结特性更加合理,研究结果可为寒区斜坡稳定性分析提供参考。

改进的岩石节理弹性非线性法向变形本构模型研究

回顾了已有的几类岩石节理法向变形本构模型,指出以往模型在中应力水平条件下模拟结果与试验结果发生偏离的现象。针对这一问题,引入"半值节理最大闭合量应力"σ1/2概念,着重论述了传统的BB模型与经典指数模型本身所固有的数学缺陷。随后,以Malama和Kulatilake(2003)提出的统一指数模型为例,进一步阐明模型改进的必要性,同时分析了该模型因采用对σn/σ1/2项添加幂函数n的修正方式而丢失节理法向初始刚度Kni的物理意义这一不足之处。基于上述研究,根据前人试验数据分析建立单调加载条件下岩石节理法向应力–位移关系曲线的控制微分方程,定义拟节理最大允许闭合量Dmax=ξdmax的概念,提出一种新的三参数本构模型——改进的岩石节理弹性非线性法向变形本构关系,并在数学上严格证明了BB模型与经典指数模型是新模型的两个特例。新模型克服了前述模型数学上的缺陷,弥补了以往模型模拟结果与试验结果发生偏离的不足,且没有因新参数ξ的添加丢失Kni的物理意义。最后采用新模型对他人试验结果进行预测,建议了修正参数ξ的确定方法。模型预测结果与试验结果吻合良好,进而验证了本文模型的可行性。

菜籽与菜籽仁的非线性粘弹塑性本构模型

在菜籽与菜籽仁流变试验的基础上,采用模型理论与经验模型相结合的方法建立菜籽与菜籽仁非线性粘弹塑性本构模型,并运用改进模拟退火计算方法对模型参数反演。结果表明,非线性粘弹塑本构模型能较好地模拟菜籽与菜籽仁流变特性。

冻土横观各向同性非线性本构模型的实验研究

通过对冻土形成过程及组构特点的分析,指出冻土属正交各向异性材料;并对-5℃～-9℃之间冻土试件3个主方向应力–应变关系曲线、切线模量E以及各向泊松比μ进行了全面实验测定,应用复合材料力学理论,分析证实了冻土可以足够精确地认为是非线性横观各向同性材料,为建立新的冻土本构模型及强度准则,并为冻土与建筑物相互作用的数值分析提供了理论依据。

两层双柱岛式地铁车站结构水平向非线性地震反应分析

采用在ABAQUS软件上开发实现的土体动非线性黏弹性模型模拟土的动力非线性,采用J.Lee提出的混凝土动力塑性损伤模型模拟隧道管片混凝土在循环荷载下的非线性特性,利用大型商业有限元软件ABAQUS对南京地区两层双柱岛式地铁车站结构的水平向非线性地震反应特性进行了数值模拟。数值分析表明:地铁车站在侧墙和顶板、中板和底板的连接处发生动应力集中现象,其中尤其是在中板和侧墙的连接部位动应力反应尤为严重;其次是上层中柱顶端和下层中柱底端出现很强的动拉压应力;在中板和中柱的连接部位也出现很强的动应力集中现象。这些计算结果表明,两层双柱岛式地铁车站结构的中柱和中板是地震反应最不利部位,这应引起地铁车站结构设计人员的重视。

岩石三维弹塑性损伤本构模型研究

基于应变等效假设和真实应力概念的弹塑性损伤理论,在真实应力空间内,结合非线性统一强度模型,以广义塑性剪应变为硬化参数,并同时考虑应力水平对硬化速率的影响,建立了无损状态下岩石材料的弹塑性表达式;在名义应力空间内建立考虑围压对损伤速率影响的损伤演化方程,从而建立了岩石材料的三维弹塑性损伤本构模型。本构模型中各物理参数意义明确,与材料试验结果的对比表明,所建立的三维弹塑性损伤本构模型可较好地描述岩石材料在多轴受力情况下的变形与强度特性,为岩体工程的复杂非线性受力分析提供理论依据。

降雨条件下土体滑坡的有限元数值分析

将Duncan-Chang模型引入饱和-非饱和土的本构关系模型,建立了饱和-非饱和土的统一的非线性弹性模型,并应用于降雨滑坡的机理分析。由实例分析得知,利用饱和-非饱和土的统一的非线性弹性模型来分析由于大气降雨而引起的土体滑坡的形成与发展过程是可行的,也是一种有益的探索。

典型生物质冷压本构模型及黏弹塑性影响因素

以Boltzmann原理为理论依据,对典型生物质进行冷压试验,结合成型过程各阶段的不同特征提出非线性黏弹塑性力学模型及本构模型并加以验证,结果证明该模型科学合理并具有一定通用性。分析本构模型黏弹塑性相关参数与生物质主成分(木质纤维素)各组分含量之间的关系表明,线性黏弹性当量黏度η_2和黏塑性表现黏度η_3随纤维素含量的增大而减弱,随半纤维素和木质素含量的增大而增强,且与半纤维素和木质素的交互作用成正相关关系。分析本构模型可知:冷压生物质的压缩量与压缩力、受压截面积、物料充型长度和加载速度相关,其中压缩力和物料充型长度与压缩量呈正相关,受压截面积和加载速度与压缩量呈负相关。

基于遗传算法的改性渣土非线性本构模型参数识别

根据渣土三轴压缩实验观测数据,建立了基于遗传算法的改性渣土非线性本构模型参数反演方法。以三维有限元模拟的应变值与三轴压缩实验观测应变数据残差平方和最小为参数反演的目标函数。为解决简单遗传算法的早熟和收敛速度慢等问题,采用了浮点编码模式和基于排序的选择策略;提出了针对参数识别反问题的罚函数形式。实际应用结果表明,所提出的参数反演方法具有较快的收敛速度;预测的模型变形与实验观测值具有较高的拟合精度。

非饱和原状膨胀土的弹塑性损伤本构模型研究

以复合体损伤理论为基础,建立了非饱和原状膨胀土的弹塑性损伤本构模型。模型可反映原状膨胀土的三个主要特征(胀缩性、裂隙性和超固结性)造成的独特的力学特性,即,低围压情况下的软化和剪胀,围压较高时的硬化和剪缩以及干湿变化时的反复胀缩特性。模型共包含23个参数,都可由试验测定。

土钉支护变形性能的有限元分析

通过建立三维有限元模型，对土钉支护的变形性能进行分析。在分析中，考虑土的非线性应力－应变关系、土钉与土体的相互作用，以及分步施工过程。通过计算给出一个工程实例的水平位移计算结果，对不同开挖阶段的计算值与实测值进行比较，计算结果与实测结果基本吻合，验证了有限元分析方法的可靠性。所建立的土钉支护有限元分析方法具有工程应用前景。

土层非线性地震反应分析方法及其检验

针对现行土层地震反应方法在大震情况不适用的问题,基于所提出的指数形式土体动力本构模型(UE模型),结合时空交叠积分格式和多次透射边界条件,提出了一种新的一维土层非线性地震反应分析方法.利用共振柱试验的结果检验了UE模型的可靠性,并利用该方法对唐山响嘡三维强震台阵的资料进行了计算,通过对地表加速度时程和放大系数以及土层阻尼特性的计算结果进行分析,可知该方法较等效线性化方法更为合理可靠.检验结果表明该方法能够较好地反应土体在强震作用下的非线性特性,可用于土层地震反应分析计算.

岩体结构面非线性弹性-塑性软化本构模型研究

在总结评述现有岩体结构面本构模型的基础上,将非线性弹性模型和弹塑性模型结合起来,并采用起伏角磨损演化方程来定量描述结构面的磨损软化,建立了岩体结构面非线性弹性-塑性软化本构模型。利用新建立的模型对岩体结构面直剪试验进行了预测,模型预测结果与试验结果吻合良好,验证了模型的有效性和模拟能力。该模型概念清晰,参数易于确定,能够合理描述岩体结构面的非线性变形、塑性软化、弹塑性耦合、剪胀和磨损等主要力学特性。

土的应力-应变关系的一种描述模式

通常将由土的剪切试验测得的应力-应变关系曲线（q～ε1曲线）分为应变硬化型和应变软化型,文中提出了一种能同时描述应变硬化型q～ε1曲线和应变软化型q～ε1曲线的新模式,并导出了统一的切线模量表达式,进一步探讨了该应力-应变关系曲线描述模式在拟合应变硬化型曲线时的简化形式,及简化形式中参数取值方法和参数与围压的关系等方面的问题。通过与邓肯-张模型和应变软化模型的对比,结果表明该应力-应变关系曲线描述模式能更好地与试验数据吻合,且用其简化形式拟合应变硬化型曲线时,可以通过调整其中一个参数值来表达出不同的曲线形式,从而体现出土体应力-应变关系的多样性。该应力-应变关系描述模式为发展更一般的非线性弹性模型提供了一定的理论基础。

双洞单轨地铁区间隧道非线性地震反应分析

本文采用大型商业有限元软件ABAQUS对南京地区双洞单轨地铁区间隧道的非线性地震反应特性进行了数值模拟。采用作者提出并在ABAQUS软件上开发实现的土的动粘弹性模型模拟土的动力非线性,采用Jeeho Lee.提出的混凝土动力塑性损伤模型模拟隧道管片混凝土在循环荷载下的非线性特性。数值分析表明:隧道最大动应力反应的位置将发生在与洞顶约成45°角的位置,在100年超越概率63%的地震作用下区间隧道结构是基本安全的,但在100年超越概率10%和3%的地震作用下,南京地铁区间隧道可能会发生很大的拉应力和剪应力反应,有可能在与洞顶约成45°角的位置产生地震裂缝。因此建议隧道管片接缝应避开该位置,同时对该位置的管片应加强其抗拉和抗剪强度。

基坑支护结构的实用计算方法及其应用

针对弹性地基反力法中没有考虑地基土的水平基床系数随围护墙水平位移而变化的问题,根据基坑工程中土抗力与支护结构位移之间的非线性共同作用,建立了一个非线性土抗力模型.基于此模型提出一个考虑土-基坑支护结构非线性共同作用的弹性地基反力法.在该方法中,采用以解除围护墙前侧向土压力的方法模拟基坑开挖作用,并考虑了由于开挖而产生的墙前土体弹簧刚度软化以及由此引起的应力重分布和附加变形.编制计算程序并分析了基坑工程实例中各工况支护结构的受力与变形.计算结果表明,按提出的分析方法计算的围护墙体位移比按现行规程设计方法计算的更接近实测结果,且计算参数的确定较为方便.