基于扰动理论修正的桩-土接触面荷载传递模型及其应用

利用硬化模型、双曲线模型、指数模型以及软化模型模拟的桩-土接触关系存在参数取值困难、误差大的问题。为深入研究土-结构接触面的强度与变形机理,基于扰动理论,假定完整状态接触单元的抗剪强度服从线弹性模型,而扰动部位则服从塑性模型,建立修正的桩-土接触面荷载传递模型。该模型参数分析表明,参数k、η对模型τ-s曲线形态影响大,而参数τf、ζ对模型τ-s曲线形态影响很小;并通过大型桩-土接触面室内直剪试验,量化接触面上剪切应力与剪切位移的关联性,进一步确定修正桩-土接触模型内部计算参数。结果表明模型τ-s曲线与试验曲线吻合较好,验证了模型的合理性。扰动桩-土接触模型既能描述桩侧应变软化也能描述硬化特性,有助于理解复杂应力条件下桩-土接触面的强度计算与变形机理。

工程材料的扰动状态本构模型(Ⅰ)——扰动状态概念及其理论基础

现在,弹性、塑性、热塑性、热粘塑性、连续介质损伤理论等常常被用来建立工程材料的本构模型。现介绍一种比上述理论更好的、统一的建模方法──基于扰动状态概念的本构模拟方法。扰动状态概念(DSC)是基于这样一种思想:变形材料单元可被看成是一种由处于相对完整状态和完全调整状态(即所谓的基准状态)的两种基本部分所组成的混合物。在外部荷载的作用下,材料经历由自调整过程而产生的内部的微结构变化。结果使初始的相对完整(RI)状态逐渐转变为完全调整(FA)状态。这种自调整过程可能包含能导致材料微裂纹产生、损伤或强化的颗粒的相对运动,它能引起观测响应的扰动,特别是在两种基准状态下的响应。材料单元可观测的平均响应是根据材料在两种基准状态(相对完整状态和完全扰动状态)下的响应通过扰动函数来表达的。研究成果表明:扰动状态概念为工程材料提供了一种统一的本构模拟方法,它包括其他早先的连续介质和损伤模型体系,并把它们作为特例。

结构性土的次塑性扰动状态模型

通过定义与应力偏转角α相关的归一化应力比η,引入扰动状态概念并基于次塑性理论,按照由特殊(单调加载)到一般(复杂荷载)的思路建立了次塑性扰动状态弹塑性损伤模型,用来描述单调及复杂荷载作用下结构性土的强度和变形特性。利用该模型对单调及循环荷载作用下结构性土的强度和变形特性进行了模拟,并推导出相应的弹塑性损伤矩阵,以便有限元分析使用。

硬化模型描述软化响应扰动状态理论合理性细观分析

对基于硬化模型建立的扰动状态理论(DSC)做细观分析。扰动状态理论允许利用硬化模型得到软化响应。利用硬化土和软化土的宏观剪切实验与同时进行的细观CT实时实验结果对照,指出土体的硬化响应或软化响应与相应CT数统计值变化规律的协调关系,说明扰动状态理论分析和解决问题的逻辑合理性。硬化或软化材料CT数统计值变化规律的差异对应着扰动因子的叠加与否。提出一个新的扰动因子演化方程,演化方程以材料试件各扫描层CT数方差的算术平均值作为自变量,相应算例显示新演化方程的有效性。

基于扰动状态概念的结构性粘土本构模型研究

考虑结构性粘土的本构模型研究中存在的问题 ,引入了DesaiCS的扰动状态概念 ,并对关键参数———扰动函数进行了扩展 ,增加了土体体积应变的影响 ,建立了结构性粘土的弹塑性扰动状态本构模型 .最后通过三轴不排水剪切试验对模型进行了检验 ,结果表明该模型反映了土体的变形特征 ,说明在类似条件下能较好的满足工程实际的要求 .

红黏土-混凝土接触面剪切特性及扰动本构模型

为研究不同法向应力下接触面应力-位移及破坏强度等特征,采用大型直剪仪对红黏土与混凝土结构接触面进行剪切试验。基于扰动状态理论对接触面剪切过程进行分析,在传统两参数Weibull分布函数的基础上引入扰动阈值参数γd,构建考虑初始扰动位置影响的接触面剪切扰动本构模型,并对该模型进行验证与讨论。试验结果表明:不同条件下接触面应力-位移曲线表现出典型的剪切软化特性,且其黏聚力c和内摩擦角φ均小于红黏土自身;构建的模型可较好地预测接触面在高法向应力和大剪切位移条件下的剪切应力应变关系,扰动阈值参数γd的合理取值范围为(0.7~0.9)γp(峰值剪应变)。

考虑各向异性的软黏土扰动状态本构模型

以大量试验结果为依据,运用物理意义明确、获取简便快捷、经济实用的土电阻率结构指标进行软黏土扰动变量的表征和测定。以三轴试验与电阻率测试结果为基础,进行了扰动函数的构建。在软黏土扰动状态描述中,引入旋转硬化因子,用以考虑应力诱发各向异性,进而构建了考虑各向异性的软黏土扰动状态概念本构模型。模型从一定程度上克服了传统扰动变量获取方法的弊端,克服了传统借用数学演绎手段建立扰动函数的不足,提高了模型应用的适用性。在模型构建中,融入初始应力各向异性的影响,从而使模型能更好地反映软土实际工程情况。三轴排水剪切试验验证结果表明,该模型可较好反映软黏土受荷下的结构变化情况和受力特性。

基于扰动状态概念的结构性软土蠕变模型

结构性和蠕变性对软土工程性质具有双重影响,有必要建立一种模型能够准确描述扰动带来结构性逐步破损的过程并同时反映软土蠕变特性对地基变形的影响。引入扰动状态概念,选取三元件广义Kelvin模型描述相对完整状态,3DEVP模型描述完全调整状态,扰动函数采用经验表达式,建立了一个基于扰动状态概念的结构性软土蠕变模型。从宏观试验结果和微观结构变化分析,说明扰动模型可以很好地描述在应力作用下软土结构性在蠕变过程中逐渐衰减的过程。模型中的参数都可通过等向压缩蠕变试验与三轴蠕变试验获取。通过黄石地区的结构性软土的三轴固结不排水蠕变试验数据对模型进行检验,结果表明该模型能较好描述结构性软土的蠕变特性。

高温岩石的扰动状态本构模型

诸多岩石工程都涉及高温岩石问题,开展高温下岩石的本构关系尤为必要.基于扰动状态概念理论,通过定义与温度相关的扰动函数,建立起高温岩石的扰动状态本构模型.利用高温下实施的花岗岩单轴压缩破坏试验,对建立的本构模型进行了检验.研究表明,所建立的本构模型能描述高温岩石的力学响应特性.

考虑塑性体积应变的扰动状态本构模型改进

针对Desai等人提出的扰动状态本构模型只考虑了塑性偏应变对扰动状态的影响,而没有考虑塑性体积应变的影响,对其扰动状态本构模型的扰动函数进行改进,在原扰动函数的基础上引入一个塑性偏应变迹和塑性体积应变迹的耦合形式作为扰动函数的扰动变量.取温州原状结构性软土进行了三轴固结不排水(CU)压缩试验、三轴固结排水(CD)压缩试验和一维压缩试验,通过试验数据对改进了扰动函数的DSC本构模型进行了验证.结果表明,改进前模型对原状结构性软土的不排水强度和排水强度预测均略偏高,改进后的模型对原状结构性软土应力应变关系的模拟精确.

基于扰动状态概念的非饱和原状Q_2黄土本构模型

Q_2黄土是典型的非饱和土,具有明显的结构性和一定的湿陷性。在扰动状态概念基础上,建立了一个考虑细观结构演化的非饱和原状Q_2黄土本构模型,并通过试验建立了细观试验数据与土体宏观现象的联系,即通过CT-三轴试验过程中的CT数据表征和测定土样的扰动变量,从而得到结构性土体的扰动函数(结构演化规律)。模型中,以陈正汉等提出的非饱和土增量非线性弹性模型和修正Barcelona非饱和土弹塑性本构模型描述相对完整状态和完全调整状态,以CT-三轴试验为依据建立的扰动函数较为客观真实,从而使模型能更好地描述非饱和原状Q_2黄土的力学特性。模型包括土骨架变形与水量变化两个方面,可对加载过程和湿陷过程进行描述。模型参数均可由试验确定,且通过试验资料初步验证了模型的合理性。

基于扰动状态概念的煤蠕变本构模型

针对煤矿井下条带法开采留设的煤柱在覆岩压力作用下随着时间推移易发生蠕变现象,考虑到传统蠕变模型难以描述煤体蠕变各个阶段的损伤特性,基于扰动状态概念的理论,选用Kelvin模型描述材料的相对完整状态,将Burgers模型中的黏壶元件用非线性黏壶元件代替描述材料的完全调整状态,引入Weibull分布函数,选取以时间为自变量的扰动因子函数,建立了以扰动因子为权函数的煤体蠕变全过程的本构模型.同时,利用煤样室内蠕变试验数据对基于扰动状态概念下煤体的蠕变模型参数进行了辨识,验证了该模型的合理性,且相对于传统模型有较好的协调性,能够更有效地描述煤体的初始、稳定和加速蠕变阶段的蠕变规律.

岩石的弹塑性扰动状态本构模型

假定岩石的相对完整状态符合分级单屈服面(HISS)模型并考虑其各向同性硬化,岩石的完全调整状态对应于理想刚塑性,通过定义扰动函数,则岩石应力峰值后的软化行为可用HISS模型叠加扰动进行描述,从而建立基于扰动状态概念理论的岩石弹塑性本构模型.利用RMT-150B对焦作砂岩进行单轴、三轴压缩破坏试验,以确定本构模型中的材料参数.应用建立的弹塑性本构模型,对岩石在单轴应力状态下的力学响应进行了描述.研究结果表明,建立的弹塑性本构模型能描述单轴下岩石的应力-应变全过程.

考虑施工正向扰动的土体本构建模研究

对于一些软弱土层如软黏土、粉土、富水砂层,用作地基或路基时,必须对其进行加固,一般采用水泥浆液、固化胶凝材料搅拌或压浆处理以增加土体强度,这一施工扰动过程是正向的有利扰动。基于Desai扰动状态理论,原状土采用修正剑桥模型描述,扰动土采用线弹性模型描述,构建能考虑施工正向扰动影响的本构模型,并给出模型参数的率定方法。利用ABAQUS二次开发平台对新建本构模型进行二次开发。对土样的室内三轴试验进行数值模拟,由试验结果与数值模拟结果对比分析可知新建本构模型是有效可行的。因此,基于Desai扰动状态理论该研究给出了一种可描述土体正向扰动的简单实用的建模思路。

基于混合同步控制的构网型逆变器并网系统小扰动稳定性分析

由于构网型逆变器并网系统的混合同步控制(HSC)中直流电压控制、锁相环(PLL)、功率同步环(PSL)与电网阻抗间存在复杂交互,同步控制参数在不同电网强度下对并网系统小扰动稳定性的影响规律尚不清楚.针对该问题,首先建立了基于HSC的构网型逆变器并网系统状态空间模型,并基于根轨迹法分析了不同电网强度混合同步环中同步参数对并网系统小扰动稳定性与失稳模式的影响规律;在此基础上,给出了混合同步环中附加PLL支路参数和PSL参数的协同选取方法,以实现HSC构网型逆变器在宽电网强度下范围稳定运行.基于MATLAB/Simulink的仿真分析验证了理论分析的正确性.

基于扰动状态概念模型的饱和软粘土力学特性

基于扰动状态概念(DSC)理论,定义饱和软粘土的相对完整状态、完全调整状态及扰动函数,建立了饱和软粘土应力—应变关系的DSC模型.通过三轴固结不排水剪切试验,对上海地区典型软粘土的力学特性进行了分析,得到了软粘土在不同围压下的轴向应力、应变和孔压等参数之间的关系,并应用试验结果验证了饱和软粘土的DSC本构模型.结果表明,理论与试验结果较为吻合.

砂土的剪胀理论及其本构模型的发展

经典的应力剪胀理论被广泛应用于土体弹塑性本构模型的建立,较好地模拟了黏性土的变形特性。最新的研究表明:由于应力剪胀理论中忽略了土体内部状态参量对剪胀的影响,而使得该理论应用于砂土时发生了困难。近来一些学者纷纷将土的密度作为变量引入剪胀方程,提出了状态相关剪胀理论,成功地模拟了砂土的各种变形特性。本文就砂土的状态及其描述、剪胀理论的发展、砂土本构模拟等方面进行介绍。

基于广义位势理论的接触面弹塑性本构模型

基于广义位势理论,把土与结构的接触面问题看作(σn,τ)空间上的二维问题,用两个线性无关的势函数梯度矢量表示两个塑性应变增量的分量dεnp,dγp组成的矢量,并用塑性状态方程取代传统的屈服面,建立了双重势面接触面弹塑性新模型。结合含砾粗砂与钢板接触面单剪试验以及单向压缩试验资料,说明模型参数的确定方法,其中采用抛物线和一阶指数衰减曲线拟合接触面先剪缩后剪胀的试验曲线,曲线参数有物理意义且拟合精度高,参数完全可以通过试验确定。结果表明,模型数学原理清晰,物理假设少,且具有一般性,能够反映接触面的剪胀特性以及准确模拟接触面的变形特性。

沥青混凝土统一扰动状态本构模型

引言 沥青混合料的特性受非线性响应、应力路径、现存及潜在的各向异性、微裂纹和开裂等一系列因素的影响。这些因素导致沥青混凝土在重复的机械荷载和温度荷载作用下出现性能退化、软化和硬化、性能恢复等现象。永久变形（或车辙）、荷载和温度裂缝、开裂和反射裂缝，是沥青混凝土路面分析、设计和养护需要考虑的主要破坏。

富水软岩流变扰动效应实验及本构模型研究

动力扰动下的深部富水软岩巷道流变变形量大,变形速率快是导致巷道支护困难和发生蠕变型冲击地压的主要原因。为了研究富水软岩在动力扰动下蠕变特性及本构模型,采用自主研发的岩石流变扰动效应实验仪对不同含水率软岩进行分级加载流变扰动效应试验,实验结果表明:施加扰动的瞬间软岩都会出现变形突然增大,随后该变形值会有不同程度的回弹,最后在此基础上变形持续发展;当应力水平较小和含水率不高的情况下,扰动变形速率随着扰动能量的增加而缓慢增大,而当应力水平较高和含水率较大时,扰动变形速率随着扰动能量的增加快速增大,使岩石试件迅速破坏;推导了扰动能量的扰动状态方程,在此基础上建立了富水软岩流变扰动效应本构模型,并对参数进行识别与验证;模型拟合曲线与实验值吻合效果良好,验证所建模型可正确描述动力扰动下富水软岩蠕变特性,该成果可为今后展开此类问题的研究提供一定的参考。