泡沫金属经典本构模型表征三轴拉伸和拉压组合条件下宏观力学性能的研究

泡沫金属在实际工程应用中往往承受多轴拉伸、拉压组合和压缩等复杂应力状态,且拉伸和压缩性能差异显著,而现有的本构关系理论模型基于多轴压缩实验构建,能否描述多轴拉伸和拉压组合条件下泡沫金属宏观弹塑性力学性能存疑。本文采用数值模拟的方法开展多轴加载数值仿真实验,基于数值模拟结果检验泡沫金属两个经典模型:D-F模型与汤立群等提出的理论模型(以下简称Tang模型),在三轴拉伸和拉压组合工况下的合理性。结果表明,D-F模型的椭圆度参数显著影响模型的预测精度,基于三轴拉伸、压缩和拉压组合屈服面拟合计算的椭圆度预测效果最优,结合单轴拉伸应力应变曲线,D-F模型能较好地表征泡沫金属三轴拉压组合条件下力学性能,但存在无法描述塑性耗散功大于单轴拉伸破坏时对应的塑性耗散功的力学行为的缺陷;该模型不能准确描述三轴拉伸力学性能。Tang模型分别描述三轴拉伸和拉压组合破坏前的力学行为,等效应力和应变曲线均具有良好的一致性,但确定等效应力和应变的四个参数均不同且不同于三轴压缩对应的参数;综合考虑三轴拉压组合和三轴压缩工况时,等效应力和应变曲线的一致性很差。

岩石三轴拉伸试验装置研制及其应用

为准确地测量岩石试样在不同围压作用下的拉伸强度与变形特性,对用于岩石三轴压缩试验的MTS815材料试验机为主体设备进行了一系列技术改造,一方面设计加工了一套试验机活塞与三轴室的随动连锁装置,使原本只能提供压缩载荷的MTS815试验机也能精确提供轴向拉伸荷载;另一方面设计开发一种多自由度岩石试样三轴拉伸夹具,解决岩石等脆性材料在拉伸过程中难以始终保持对中的技术难题。提出一套完整的测试技术方法,能实现0~140 MPa围压范围内各种岩石试件的复杂三轴直接拉伸测试研究,利用研发的配套装置与测试方法对页岩试样进行了三轴拉伸试验。结果表明,试验装置和试验方法完全能够进行不同围压条件下的岩石三轴拉伸试验,得到相应的三轴拉伸试验曲线;页岩在低围压和高围压下呈现不同的破坏特征和破坏形式,低围压下依然呈现脆性特征,高围压下则是由脆性向塑性转换。

基于间接三轴拉伸破坏试验的某TATB基PBX强度准则适应性分析

强度问题关系炸药部件的结构完整性和服役安全性,是炸药部件结构强度评估的基础。基于单轴加载技术,设计了圆柱试件的端部约束拉溃试验,研究了三轴间接拉伸破坏时某TATB基高聚物粘结炸药(PBX)的强度特性。依据试验边界条件,利用有限元方法定量分析了临界载荷下试件内部的应力场,最后采用最先破坏位置的三向主应力数据分析了三种典型强度准则(Uniaxialstrength,Mohr-Coulomb,Twin-shear)描述三轴拉伸破坏的适应性。就安全阈度而言,现炸药工程中使用的Uniaxial-strength准则,三轴压缩时安全阈度最高,达43.77%,但也不能安全预测三轴拉伸应力下该PBX的破坏行为;就描述精度来看,Uniaxial-strength准则最优,Mohr-Coulomb准则次之,Twin-shear准则最差,试验值均比理论值偏大,三者依次为16.90%、19.62%和24.56%;试验中该TATB基PBX三轴拉伸应力下的强度为单轴拉伸强度的0.831倍,Mohr-Coulomb准则不能准确描述三轴拉伸应力下强度下限,分析表明静水压力的影响是造成这一结果的关键原因,建立高描述精度的多轴强度准则须考虑静水压力的影响。

压实粘性土三轴拉伸试验研究

对于岩土材料而言,在相同的压力下(应力张量第一不变量I1)的三轴拉伸强度与三轴压缩强度相比,在较低的偏应力下发生破坏,这说明岩土材料的强度明显依赖于偏应力张量第三不变量J3,而常用莫尔-库仑准则虽然能够反映在相同的压力下三轴拉伸与压缩强度的差异性,但其比值Q2与压力无关.通过三轴压缩和三轴拉伸试验,对主应力差和比值Q2随压力的变化进行了研究,结果表明:在一定压力范围内,主应力差与围压的关系为线性关系;在低围压(指使试样发生剪切破坏的最小围压),测试获得的主应力差值与摩尔-库伦公式计算值相当,但随着围压的增加,两者差值增加,且计算所得的主应力差均大于测试值;在一定范围内,比值Q2随压力(应力张量第一不变量I1)呈线性指数递减变化;同时在较低压力下,三轴拉压强度比值与利用莫尔-库仑准则计算的数值相当.

非饱和土的三轴拉伸试验研究

通过对非饱和黏性土的三轴拉伸试验,分析了三轴拉伸应力随周围压力的变化规律,并对拉伸破坏强度准则进行了探讨,发现现有的强度理论对于三轴拉伸情况都不能完整的表述,仅与黄土的断裂破坏准则比较接近,Mohr-Cou-lomb准则仅对围压比较大时合适,G riffith-Mohr联合准则在较低围压时有大的误差。同时,对非饱和黏性土三轴拉伸的极限应变和孔隙压力的变化规律进行了探讨。

三轴拉伸试验下K0固结饱和黏土的动剪切模量和阻尼比

开展一系列的等幅循环应力的K0固结饱和黏土的循环三轴拉伸试验,结果表明动剪切模量G不仅与循环剪应变γcy有关,还与累积应变γp有关。为了进一步研究其影响,开展逐级加载的循环三轴拉伸试验。结果表明,随着累积应变的增加,初始动剪切模量Gmax逐渐下降。在某一围压下以Gmax作为归一化参数,建立G/Gmax-γcy关系,验证在其他围压下具有较好的适用性。累积应变、围压对阻尼比影响不大,可以认为阻尼比随振动剪应变有唯一对应关系。根据一组循环三轴拉伸试验下建立的动剪切模量和阻尼比关系,可以应用到其他应力组合的循环三轴拉伸试验。

压实黏土的三轴拉伸特性试验研究

研制了一种新型的卧式三轴拉压试验仪。该仪器采用应变控制式加载方式,可消除土体自重的影响,轴向刚度大,可以测定三轴条件下土体拉伸破坏全过程应力位移曲线。对糯扎渡和双江口高心墙堆石坝心墙土料进行三轴拉伸(伸长)试验,发现黏土试样的破坏可能表现为低室压时的纯拉断、高室压时的纯剪切以及中室压时的张拉-剪切复合破坏三种形式。根据试验结果,提出了一种适用于压实黏土三轴拉伸破坏的联合强度准则。

砂土三轴压缩和拉伸行为的分数阶塑性模型

实际工程中的砂土等粗粒土往往不仅会受到压缩剪切作用,还有可能受到拉伸剪切作用。但是,目前所建立的分数阶塑性力学模型,仅考虑了砂土的压缩剪切行为;对于砂土的拉伸剪切行为,还有待进一步验证。运用广义分数阶微分定义,提出了一个修正的剪胀方程,并基于此建立了一个可以描述砂土三轴压缩和拉伸行为的分数阶塑性力学模型。选取不同砂土的三轴压缩和拉伸试验数据,对模型进行了验证,结果表明,模型可以合理的对砂土在压缩和拉伸条件下的应力应变行为进行预测。

饱和黏性土异性固结三轴拉伸试验研究

通过应力控制式三轴仪对饱和黏性土进行了异性固结不排水拉伸和等向固结不排水压缩试验。结果表明:拉伸试验呈应变硬化破坏模式,试样首先发生轴向均匀伸长及径向收缩,随着应变局部化试样会产生一定颈缩而造成应力集中。拉伸过程中超孔隙水压力为负值,其绝对值随着应变的增大而增大,拉伸应力路径呈L型。异性固结不排水拉伸强度是等向固结不排水压缩强度的0.58倍,研究提出在无异性固结拉伸试验条件时,可通过常规等向固结不排水压缩试验换算拉伸强度。临界状态理论适用于异性固结三轴拉伸试验,临界孔隙比随平均主应力增大而减小,试样处于超固结状态时,其临界状态点高于拟合的临界状态线,进入正常固结状态后应力比趋于稳定,线性关系较好。

土体抗拉强度试验研究方法的综述

土体抗拉强度比抗压和抗剪强度数值更小,因此时常被忽略,造成理论及试验的落后。文中系统归纳了土体抗拉强度的间接和直接方法,对比分析了现有试验方法的优缺点,结果表明:(1)土体抗拉强度的单轴拉伸方法按照力的加载方向可以分为垂直法和水平法,而垂直法中土样破坏前上半部分的重量会影响试验的准确性;(2)常用的土样固定方式有粘结、锚固、摩擦力和夹持,它们各有优势,但夹持较前三者更便捷和可操作。最后,提出水平单轴拉伸试验的后续仍需优化的问题。如制样脱模中土样的损耗、土样受拉段应力分布差,无法适用于大骨料砾质土、土样固定方式繁琐、土样与平台间的摩擦力难以消除等。

土体抗拉强度试验研究方法的进展

理论上土体的抗拉强度与抗压和抗剪强度一样是描述土体力学性质的重要指标之一,也是研究土体张拉破坏特性的基础。由于土体抗拉强度在数值上相对较小,且难以准确测量,在岩土工程领域常常被忽视。随着工程中的张拉破坏问题越来越突出,土体抗拉强度特性引起许多学者的关注,相关研究成果也越来越多。文中对土体抗拉强度试验研究方法进行了系统的归纳和总结,对比分析了各种方法的优缺点,认识到,(1)土体抗拉强度试验方法总体上可分为直接法和间接法两大类,直接法是在试样两端直接施加拉力直到试样发生张拉破坏,根据破坏时的最大拉力及对应的破裂面面积计算出土体的抗拉强度。间接法主要通过一些理论假设,把压应力转换成相应的拉应力并基于一些理论公式计算土体抗拉强度;(2)按试样受力条件,直接法可分为单轴拉伸和三轴拉伸,一般都需要开发专门的拉伸试验设备,以实现拉力荷载的施加及其在试样内的有效传递。常用的方式有粘结、锚固、模具夹持及摩擦力传递等,都各有优缺点,但模具夹持法相对而言更具操作性。间接法中比较有代表性的有巴西劈裂试验、土梁弯曲试验和轴向压裂试验等,一般较适应于刚度较大的土体如化学固化土。最后,笔者提出了今后该课题的研究重点,包括制定土体抗拉强度试验方法规范及标准,研发简单易操作的土体拉伸试验设备,拉伸试验过程中土吸力的测量及控制方法,土体拉伸过程中应变场的准确获取方法及土体张拉特性的数值模拟研究等。

不同应力路径条件下的砂土剪切特性试验研究

为了探讨不同应力路径条件下的砂土剪切特性，进行了8种不同应力路径的单调剪切试验。试验结果表明，在不同剪切路径条件下，砂土的剪切特性明显不同。即在压缩条件下的剪胀特性明显大于拉伸条件下的剪胀特性，而同样的压缩路径，减压压缩路径下的剪胀特性最显著，增压剪切路径下的剪胀特性最小，常规压缩路径下的剪胀特性在其中间。且相对于均等固结，在偏压固结条件下表现出更显著的剪胀特性。在不同剪切路径条件下，砂土所发挥的最大内摩擦角也有所不同，即在三轴拉伸条件下所发挥的内摩擦角普遍比三轴压缩条件下的内摩擦角大3°-4°，而在相同的压缩或拉伸条件下，内摩擦角以及临界状态应力比基本一致，与加载路径无关。

基于SMP准则的改进剑桥模型及其在基坑工程中应用

基坑开挖时坑底土体在卸荷作用下会处于三轴拉伸状态 ,剑桥模型采用的扩展 vonMises准则将高估土体的三轴拉伸强度 ,因此利用变换应力法将剑桥模型从三轴试验的轴对称应力状态扩展至一般应力状态 .改进后的剑桥模型采用 SMP准则能较好地反映基坑工程中坑底土体在三轴拉伸状态下的强度和变形特性 。

红粘土抗剪强度试验研究

三轴剪切试验是测定土的抗剪强度的一种方法[1]。文中利用美国生产的LoadTrac II三轴仪,所做的试验包括饱和试件固结不排水剪试验(CU)和三轴应力路径试验。用圆柱形红粘土试样分别在不同的恒定周压力(即小主应力σ3)下施加轴向压力(即主应力差σ1-σ3)进行剪切直至破坏,然后根据摩尔-库仑理论,及测量孔隙压力,求得总抗剪强度参数和有效抗剪强度参数。