非饱和土本构模型中应力变量选择研究

应力变量是本构模型的基本要素之一,非饱和土本构模型中应力变量的选择目前仍有较大争议,各模型中应力变量的选择非常混乱,严重阻碍了理论研究的进一步发展。Bishop有效应力或其修正的应力形式,以及新提出的吸应力等,虽然可以较好地表示非饱和土强度,但不能模拟非饱和土浸湿后体积膨胀和坍塌现象。双应力变量目前应用较多,有考虑非饱和土中孔隙水对土体力学性质影响的骨架应力和毛细应力,有用得最多的净应力和吸力,或者两个应力变量一个是应力的函数,另一个是吸力(或饱和度)的函数等多种形式,可以较好地反映非饱和土的强度和变形特性,但目前双应力变量选择有很大的随意性,没有确凿的理论依据。重点指出建立本构模型时土体的应力变量不能随意选用,应满足Houlsby功率方程,同时还要注意与应力变量对应的应变变量的选择。旨在澄清目前的混淆概念,为非饱和土本构模型建立提出合理的应力变量。

非饱和土应力变量选取原则刍议

在非饱和土本构模型研究中,所选取的变量是否是非饱和土合适的应力变量往往被研究人员所忽视,这会阻碍本构模型的进一步发展。从土体的微观结构、能量守衡及力学平衡这3方面对非饱和土应力变量进行研究,以此提出了非饱和土应力变量选取应遵循的3个原则,强调指出非饱和土应力变量与应力状态变量的区别,并对本构模型研究中常用的应力变量进行分析,发现基质吸力、净法向应力并非为非饱和土应力变量,而有效应力和吸应力为其应力变量。建议使用有效应力来建立本构关系,其除了能满足文中提出的选取原则外,还能与饱和土理论之间有很好的过渡。文中的非饱和土应力变量选取原则还不成熟,但其重要性不容忽视,该研究还有待进一步补充和完善。

考虑第三偏应力不变量的岩石局部化变形预测模型

现有岩石局部化变形带发生条件与带角预测模型均只考虑2个应力不变量,预测结果与实验观测结果关联度不好,最近的研究表明第三应力不变量在局部化变形中起重要的作用。在Rudnicki与Rice单屈服面和Issen双屈服面模型的基础上,通过相似角表征第三偏应力不变量,得到第三偏应力不变量相关性模型判断岩石局部化变形发生条件和预测变形带角,利用Mogi的Dunham白云岩轴对称拉伸和压缩状态以及Haimson的Westly花岗岩轴对称拉伸实验的变形带角属性作为边界条件,计算得到模型中的弹塑性参数,最后预测得到其他一般应力状态的变形带角,相较于二应力不变量模型,提高局部化变形带角的预测精度。

非饱和土的应力状态变量研究

以热力学和连续介质力学的应力理论为基础,从非饱和土的土骨架平衡方程出发,导出了一系列应力状态变量,目前文献中所使用的应力状态变量都在其中。研究发现:非饱和土的应力状态变量有多种组合形式(5组以上),不是惟一的;大多数应力状态变量与土的孔隙率、饱和度等物性指标孪生相伴;所有应力状态变量都具有应力的量纲,单纯孔隙率或饱和度及其组合都不构成应力状态变量;简化的Bishop有效应力公式和Fredlund倡导的两个应力状态变量都是简化了的应力状态变量,前者忽略了孔隙率的影响,而后者忽略了与孔隙率及饱和度的关联性。在选择应力状态变量时应考虑理论合理、应用方便、逻辑关系正确的原则,还应做一定的验证工作。

从变形、水量变化和强度三方面验证非饱和土的两个应力状态变量

为了验证非饱和土两个应力状态变量的合理性,对常规非饱和土三轴仪进行了改进,采用3个压力–体积控制器分别控制孔隙水压力、内室压力和外室压力,提高了量测体变和含水率的精度;用加荷器施加轴向荷载,可以方便地控制偏应力。在笔者前期用各向等压试验验证非饱和土的两个应力状态变量的基础上,使用改进的非饱和土三轴仪和重塑Q_3黄土做了两类验证试验:第一类是两组控制净围压、偏应力和吸力的固结不排水剪切试验,第二类是3组控制净围压和吸力的固结排水剪切试验。在第一类试验中,等值改变(增加或减少)总围压、孔隙水压力和孔隙气压力而保持净围压、吸力和偏应力本身不发生变化,发现试验过程中土样的体积变化和含水率变化均非常小,可以忽略不计。第二类试验的每一组包含两个控制净围压和吸力分别相同的固结排水剪切试验,其中一个试样在固结完成后直接进行排水剪切试验,另一个试样在固结完成后等值增加总围压、孔隙水压力和孔隙气压力而保持净围压和吸力本身不发生变化的条件下进行排水剪切试验,发现二者的抗剪强度、剪切过程中的体积变化、排水量和广义剪应变都分别十分接近,可以认为两两相等。研究结果从变形(包括体应变和剪应变)、水量变化和强度3个方面说明描述非饱和土的两个应力状态变量是合理的,进一步夯实了非饱和土力学的应力理论基础,为非饱和土的两个应力状态变量理论提供了牢靠的试验依据。

非饱和土应力状态变量试验验证研究

为验证非饱和土两个应力状态变量的合理性,对常规非饱和土三轴仪进行了改进,采用3个压力–体积控制器分别控制孔隙水压力、内室压力和外室压力,提高了量测精度。使用改进的非饱和土三轴仪对描述非饱和土应力状态的两个应力状态变量进行系统的试验验证,做了不同初始干密度、不同初始饱和度、不同初始吸力的3组重塑黄土及1组原状Q_3黄土的各向等压试验,试验中等值改变(增加或减少)总围压、孔隙水压力、孔隙气压力而保持应力状态变量本身不发生变化,通过量测试样体积和水量变化分析检验两个非饱和土应力状态变量的合理性。研究结果表明:对于原状Q_3黄土和各种起始条件的重塑土(包括不同密度、不同饱和度及不同吸力的土样),当只改变应力状态变量的个别组成部分而保持两个应力状态变量本身不发生变化时,则土样的体积变化和含水率变化均很小,可忽略不计。研究结果说明描述非饱和土的两个应力状态变量是合理的,使非饱和土的两个应力状态变量理论有了牢靠的试验依据。

基于一种应力不变量组合的岩石强度准则

针对深部高地应力条件下岩石的破坏机制,建立起一个基于一种应力不变量组合的岩石非线性强度准则。这个应力不变量组合将任意应力状态分解成三个部分:一部分表示最大剪切状态,另一部分代表静水压力状态,最后一部分补充中间主应力的影响。它能解释粘性和塑性介质不可回复变形模型中能量耗散(弥散)的物理机理。该强度准则考虑岩石的拉伸破坏,可同时描述岩体的剪胀或剪缩破坏,其破坏面可以是闭合的也可以是张开的,其子午线能反映高应力状态下的岩石非线性。与两种典型应力状态的试验数据进行了比较,符合较好。

偏应力张量第二及第三不变量在塑性加工中的作用

塑性变形时物体内一点的应力张量的分量随坐标变化而改变,但其应力张量不变量却是固定不变的,因此应力张量不变量可以反映物体变形状态的实质。文章阐述了偏应力张量第二不变量J2的大小可用来判断物体所处的弹塑性状态;偏应力张量第三不变量J3的正负可用来定性的判断物体所处的应变类型。由此对通常认为比较抽象的偏应力张量不变量的意义与作用有更深层次的理解。并且通过数值模拟的方法,采用偏应力张量不变量对圆环压缩和环壳液压胀形过程中金属的变形进行了分析,模拟结果和实验现象一致。

双应力状态变量表示方法的正交试验验证

基于正交试验原理分别对重塑黄土,重塑非饱和黄土、Madrid灰黏土和膨胀土试验结果进行了正交分析;分别对三轴试验结果和直剪试验结果进行了正交试验验证。从而从不同角度论证了Fredlund关于非饱和土双应力状态变量表示方法的正确性。这一结论将有助于进一步推动非饱和土理论向实用阶段转化。

基于偏应力第三不变量的窄煤柱合理宽度确定

为解决王家岭矿20103运输平巷窄煤柱合理宽度留设问题,提出了以偏应力张量第三不变量J_3为指标的研究方法。偏应力张量第三不变量表征了介质点应变行为,通过数值模拟手段进行围岩J_3来确定最优煤柱宽度问题。柱宽方案对比得出,8 m柱宽时,巷道实体煤区顶板围岩为低强度压缩应变状态,煤柱区顶板围岩为平面应变或低强度的拉伸应变状态,最终确定20103运输平巷合理的窄煤柱宽度为8 m。数值模拟和现场应用表明:剧烈综放采动影响下,8 m的窄煤柱仍存在有2~3 m的弹性核;现场未发现窄煤柱失稳现象且巷道服务状况好。

三应力不变量模型预测变形带角

RR二应力不变量模型研究岩石局部化变形带角,得到的预测值与实验中测得的变形带角随平均应力增加而增加的趋势以及随着最小压应力增加而减小的趋势都一致,但是得到的预测值比实测数据略小。在RR二应力不变量模型基础上,通过增加洛德角作为第三应力不变量,选用更加复杂的屈服条件,得到的三应力不变量模型,结合岩石真三轴实验,得到的预测值和实验数据关联度更高。

土工膜筒状双向拉伸试验非接触式应力应变量测方法

土工膜是一种新型高分子防渗材料,由筒状双向拉伸试验研究材料的力学性能相对简单易行,但是其环向应力应变以及轴向应变却很难直接测得.通过高清相机拍摄筒状土工膜双向受拉变形过程,使用Matlab对拍摄图片进行预处理、增强图像、提取特征边缘,并使用Matlab编写脚本文件批量计算试验过程中每个时间点的轴向应变、环向应变、轴向和环向的应力,可以实现实时精确测量试验过程中的应力应变值,进而得到土工膜在筒状双向拉伸的极限延伸率、屈服强度、弹性模量等重要指标参数,为后续探索土工膜的本构关系提供数据基础.

混合型裂纹应力不变量断裂准则的分析

利用应力不变量分析了Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹的开始角,应力不变量断裂准则表明裂纹启裂方向与最大主应力不变量方向一致.该准则预测的Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹开裂角与实验结果取得了较好的吻合.

用应力偏量不变量表示双剪应力屈服准则

对双剪应力屈服准则,本文给出了一个用应力偏量不变量描述的表达式:

非饱和土有效应力及力学特性研究浅析

对非饱和土力学性质 ,通常采用两种变量表示形式 ,一种是单应力变量 ,另一种是双应力变量。以此为出发点评述了非饱和土力学特性研究的现状 ,同时提出了非饱和土有效应力及力学特性研究的新思路。

基于应力不变量的多轴疲劳寿命预测方法

提出了一种基于应力不变量的处理多轴高周复杂载荷的疲劳寿命预测方法。该方法将剪应力等效幅值的求解与损伤估算相联系,通过考虑载荷偏量路径沿求解剪应力等效幅值时的参考坐标系各轴投影的分量来估算疲劳损伤。考虑平均应力的影响,利用多轴循环计数法和修正S-N曲线方法来预测疲劳失效循环次数。经过疲劳试验数据验证,预测结果与试验结果吻合较好。

如何理解应力张量不变量

教科书上有关应力张量不变量的解释并不是很详细,初学者不能很容易弄明白。对比从矩阵的角度来解释三个应力不变量,从方程的角度可以更加清楚的解释这三个不变量为什么不变,从而提高学生学习的效率和兴趣。

莫尔-库仑屈服准则应力不变量及剪胀角参数表达式与应力符号约定的适配性研究

按应力符号约定及主应力大小顺序,推导出了与之匹配的莫尔-库仑屈服准则主应力表达式、应力不变量表达式、塑性流动剪胀角参数表达式,揭示了莫尔-库仑屈服准则主应力表达式、应力不变量表达式、塑性流动剪胀角参数表达式与应力符号约定、主应力大小顺序间的相关联性,为合理选用莫尔-库仑屈服准则表达式及剪胀角参数表达式提供了适配性判据.

瑞典条分法剖析引发的有效应力和渗流力概念问题

瑞典条分法在土力学教学和边坡工程设计中有着广泛的影响。针对其两种有效应力分析表达式,通过剖析土条底面法向有效应力的推求过程及对比分析计算结果发现:在理论上,两种表达式都不适用于一般渗流条件下的边坡稳定分析;实用上,也存在明显离散的计算误差。其原因分别在于:以土体为研究对象时,忽略了土条侧面的水压力;以土骨架为研究对象时,忽略了渗流力的作用。进一步分析微单元体平衡微分方程的结果表明,Taylor提出的分析渗流对土骨架有效应力影响的两种等效处理方式,即以土体为研究对象,考虑饱和重力与周界上水压力的方式;或以土骨架为研究对象,考虑有效重力与渗流力的方式,可以在刚体极限平衡分析方法中运用,例如条分法。但是,在涉及渗流-变形耦合分析的诸如边坡渗流稳定和固结问题的解析和数值方法中,只能以土体为研究对象,而不能以土骨架为研究对象、运用渗流力的概念进行分析。究其原因在于:在渗流条件下,物理上,有效应力不是应力变量;有效应力和确定渗流力的孔隙水压力分别是决定土骨架的变形和强度以及流场的相互依赖的、非独立的应力状态变量。

用有效应力解释非饱和土的弹塑性行为

在巴塞罗那基本模型BBM模型的框架下,应用有效应力和应力双变量分别解释非饱和土弹塑性行为的不同特点。对文献试验数据的分析表明:在应力双变量构成的应力空间中,存在两个初始LC屈服面,加载强化过程中也具有两个LC后继屈服面;相反,有效应力空间中,非饱和土具有唯一的初始LC屈服面,加载强化过程中LC屈服面也保持唯一。非饱和土在两个应力空间中的不同表现与非饱和土的水分滞回性质相关。与采用应力双变量的弹塑性模型不同,采用了有效应力的弹塑性模型,可直接反映水分滞回的影响。