考虑微观结构特征长度演化的内变量黏塑性本构模型

在金属晶体材料高应变率大应变变形过程中,存在强烈的位错胞尺寸等微观结构特征长度细化现象,势必对材料加工硬化、宏观塑性流动应力产生重要影响。基于宏观塑性流动应力与位错胞尺寸成反比关系,提出了一种新型的BCJ本构模型。利用位错胞尺寸参数,修正了BCJ模型的流动法则、内变量演化方程,引入了考虑应变率和温度相关性的位错胞尺寸演化方程,建立了综合考虑微观结构特征长度演化、位错累积与湮灭的内变量黏塑性本构模型。应用本文模型,对OFHC铜应变率在10^-4～10^3 s^-1、温度在298～542K、应变在0～1的实验应力-应变数据进行了预测。结果表明：在较宽应变率、温度和应变范围内,本文模型的预测数据与实验吻合很好;与BCJ模型相比,对不同加载条件下实验数据的预测精度均有较大程度的提高,最大平均相对误差从9.939%减小为5.525%。

风化岩遇水软化的强度试验及力学特性研究

对深中通道沉管隧道段风化岩在天然和泡水两种状态下进行常规三轴不排水剪切试验,揭示了在不同条件下风化岩遇水后的强度变化规律。风化岩遇水后强度会有显著降低,表现出明显的遇水软化特性;在其他条件一定时,采用偏应力固结的试样剪切强度较等向固结时降低更为明显;随着围压、偏应力的增大,风化岩的应变软化现象逐渐减弱,峰值强度与残余强度逐渐趋同;将岩体在峰值强度前的弹性模量看作恒量,以内摩擦角和黏聚力达到残余值时的塑性内变量为变量,给出了黏聚力和内摩擦角与塑性内变量的拟合函数关系表达式,改进了考虑风化岩遇水后应变软化的本构模型;通过回归验证,模型的理论计算和试验结果具有一致性,说明该模型可描述风化岩遇水软化的变形特性。根据此模型得到了风化岩的软化模量,并提出了软化系数作为风化岩遇水后强度和刚度折减的参考,可为深中通道等类似工程设计与施工提供理论依据。

基于Hoek-Brown准则的岩石应变软化模型研究

基于Hoek-Brown(H-B)准则,根据大量试验数据,研究提出一种具有广泛适用性的岩石应变软化模型。利用40种硬岩和软岩三轴试验数据,验证了3参数幂函数型围压函数广泛适用于硬岩和软岩峰后临界塑性应变与围压的关系描述,并将其引入塑性内变量中;其次,比较分析当前基于H-B准则的岩石应变软化模型中软化参数的合理性,明确以GSI作为软化参数的方法最优,拟合结果正确且参数最少。然后,分析岩石峰后GSI随塑性内变量的演化规律,并建立一种普适的非线性演化模型。与其他演化模型相比,所建模型可更准确地描述不同种类岩石峰后H-B强度参数的非线性演化规律,同时参数较少。接着,采用非关联流动法则,将所建GSI演化模型嵌入有限元软件ABAQUS中,实现软化模型的数值求解。最后,对多种岩石的室内试验模拟结果表明,所建模型可正确描述不同围压下硬岩和软岩的峰后应变软化变形及剪胀变形,具备良好的适用性。与定临界塑性应变或定剪胀角的应变软化模型模拟结果相比,所建模型模拟曲线可一致性地与试验曲线接近。

循环加卸载下高脆性黑砂岩强度及损伤试验研究

为研究高应力循环加卸载条件下脆性硬岩强度特性和参数演化规律,开展了不同围压水平下的黑砂岩循环加卸载试验,获得了高脆性硬岩全过程应力应变曲线和破裂特征,并借助塑性内变量来表征岩石损伤程度,研究了变形与强度参数随损伤的演化规律。研究结果表明:①循环加卸载试验中黑砂岩应力应变曲线存在屈服平台,峰后应力快速跌落,试样以剪切破坏为主;②从初始屈服到残余变形过程中,黑砂岩弹性模量呈先减小后增大的变化特征,在塑性内变量为0.80~0.85左右达到最小值,泊松比则呈先增大后减小的趋势;③黏聚力先随塑性内变量不断减小,在接近残余强度时保持稳定,而内摩擦角则呈先增大后减小的特征,强度参数与塑性内变量之间的关系可采用线性分段函数表示。