考虑非共轴性的隧道开挖引起的地表沉降数值分析

为研究与主应力旋转密切相关的土体变形非共轴性对隧道工程数值变形分析结果的影响,采用考虑土体变形非共轴性的本构模型对隧道开挖引起地表沉降的问题开展有限元分析。首先,在考虑双曲硬化法则的Drucker-Prager模型中引入角点型非共轴流动法则构建非共轴模型;然后,推导该模型的半隐式应力更新算法的理论迭代格式,并编写相应的用户材料子程序UMAT,从而将该模型在ABAQUS/Standard分析模块中进行数值实现;最后,建立平面应变条件的隧道开挖有限元模型,分析考虑非共轴性的主应力旋转对隧道开挖的影响规律。分析结果表明:1)隧道开挖会在隧道腰部发展出2条交叉的塑性带,分析模型中非共轴塑性模量越小,塑性带延伸越远;2)随非共轴模量的减小,开挖面周围土体主应力旋转的区域和程度变大;3)本构模型的非共轴效应越强,隧道开挖引起的最大地表沉降值越大,地表沉降曲线的沉降槽越深;4)隧道收敛变形中,顶部和侧面向隧道内收敛变形的程度会随模型非共轴塑性模量的减小而增大。

真三轴采动卸荷条件下砂岩扩容行为和非共轴性研究

在实际地下工程开挖中,岩石处于采动应力状态,其采动应力路径用应力Lode角表示。基于多功能真三轴流固耦合试验系统,开展相同静水压力、不同应力Lode角的真三轴力学试验,研究不同应力Lode角对砂岩的扩容特性和非共轴性的影响。试验结果表明:应力Lode角的增加在一定程度上反映出卸荷作用对砂岩真三轴试验变形的影响。对比应力Lode角在-30°~0°和0~30°的主应力变化量可以发现:最大主应力变化量比较均匀,中间主应力变化量下降,最小主应力变化量上升。随着应力Lode角的增加,最大主应变压缩程度下降,中间主应变由膨胀转变为压缩,最小主应变膨胀程度增加,且最小主应力方向的膨胀量相对于最大主应力方向的压缩量增加。应力Lode角从-30°变化到30°,随着最大主应变的增加,体积应变呈现先减小后增加的趋势。引入应变偏应力柔量,随着应力Lode角的增加,广义剪切应力对最大主应力方向的压缩变形作用减弱,对最小主应力方向的膨胀变形作用先增强后趋于平稳;体积应变偏应力柔量整体呈现下降趋势。非共轴性表现为应力路径和应变路径不重合,不同应力Lode角下的应变路径均向低Lode角方向演化。引入偏转量,应力Lode角从-30°变化到30°,偏转量呈现先上升后下降的趋势。

定轴剪切条件下砂土强度与非共轴性试验研究

针对现有定轴剪切试验大多忽略中主应力系数b值变化这一问题,基于不同力系之间的映射关系,严格推导了空心圆柱扭剪仪4个外荷载的加载参数。采用重塑福建标准砂试样,分别在2组围压下开展主应力方向固定的剪切试验,研究主应力方向角α不同时,砂土变形、强度、非共轴性等力学特性的差异。结果表明:砂土的强度、应力应变关系等力学特性均具有显著的应力方向依赖性;随着应力方向从0°到90°变化,应力路径表现为2个变化阶段,峰值强度先减小后增大,在α为67.5°附近取极小值;对比大主应变增量方向与大主应力方向之间的关系,发现当偏应力比较小时,试样存在明显的非共轴现象,随着偏应力比的增大,应变增量方向逐渐趋近于应力方向。

堆石体在真三轴应力状态下的非共轴性与剪胀特性

基于连续-离散耦合分析方法,发展随机颗粒不连续变形分析方法。采用不规则多面体模拟实际堆石颗粒,制备初始各向同性的堆石料数值试样,进行等平均静水压力p、等中主应力系数b应力路径的真三轴数值试验。分析堆石料在真三轴应力状态下的剪胀特性,以及应变增量与应力增量的非共轴性。研究结果表明:刚开始加载时,应变增量与应力增量共轴,随着加载的进行,应变增量的方向发生偏转,偏转量与中主应力系数b有关,在三轴压缩应力路径(b=0)和三轴拉伸应力路径(b=1)时,几乎不发生偏转;对比Rowe,Roscoe,改进的Roscoe以及Lagioia剪胀模型,改进的Roscoe剪胀模型预测的剪胀曲线与数值试验结果较吻合,在改进的Roscoe剪胀模型上引入1个角隅函数,以反映中主应力对剪胀特性的影响。

杭州软黏土非共轴特性的试验研究

利用空心圆柱扭剪仪对杭州软黏土进行了一系列不排水试验,包括对原状软黏土在不同主应力方向上的定向剪切试验和主应力轴旋转试验以及对重塑软黏土的主应力轴旋转试验,主要研究不同应力路径下软黏土非共轴角的发展特性以及中主应力系数b、初始剪应力水平和次生各向异性对其非共轴特性的影响。试验结果表明,软黏土的非共轴特性虽与砂土存在相似之处,但又不尽相同。原状软黏土在定向剪切条件下的非共轴角均较小,并且与加载方向有关,然而受剪应变发展的影响,试样接近破坏时的非共轴角并不为0°;主应力轴旋转条件下,无论原状还是重塑黏土其非共轴角均随主应力方向角?增加而循环波动变化,且周期约为90°;非共轴角基本随中主应力系数b的增加而减小,但这种影响并不十分显著;剪应力水平对非共轴角的大小和发展趋势均存在一定的影响。对于重塑土的试验表明,软黏土的非共轴特性并不完全由土体的初始各向异性所决定,次生各向异性的影响也很大。

主应力轴旋转条件下饱和粉质黏土应变特性及非共轴性的试验研究

为了研究主应力轴旋转条件下饱和粉质黏土应变特性及非共轴性的差异,采用HCA静动态空心圆柱扭剪仪对饱和粉质黏土在主应力轴纯旋转路径上展开了试验。在平均主应力固定的情况下,分析了中主应力系数和偏应力对试样应力应变变化特征以及应力应变的非共轴特性的影响。试验结果表明:随着偏应力的增大,各向应变速率迅速上升,累积塑性应变值也不断增大,饱和粉质黏土土样的轴向、环向、剪切应变也具有明显的周期性;由于非共轴角的存在,变形具有一定的滞后性,径向应变周期性不是很明显,但是随着偏应力的增大,径向应变由拉伸特性逐渐过渡到压碎特性;不同中主应力系数下试样的轴向、环向剪切应变对对减小,但是中主应力系数的变化,会使得平行于径向应变方向的第2主应力值变化幅度较大,使得径向变形变化值较大;非共轴角随主应力轴旋转角的增长呈现出随机波动点变化的趋势,在主应力轴旋转角变化的初期阶段,非共轴角由0°逐渐增大,主应力轴旋转角在0°~90°的范围内,非共轴角相邻点的变化波动较小,增加趋势接近线性变化;当主应力轴旋转角增大到90°后,各个相邻的非共轴角的散点波动性增强,即随着偏应力的增大,相同主应力轴旋转角对应的非共轴角逐渐缩小。

基于广义位势理论的土的非共轴特性研究

传统的塑性位势理论隐含了应力主方向和塑性应变增量主方向共轴的假定,无法客观地描述主应力轴旋转过程中的非共轴现象。基于广义位势理论提出的拟弹性弹塑性本构模型,把总的塑性应变分解为满足弹性分解准则的拟弹性部分和符合传统塑性理论假设的纯塑性部分,分解后建立的模型更为合理和简便,同时又可以解决土的非共轴问题。通过单剪试验结果的验证表明,基于广义位势理论的拟弹性弹塑性模型的模拟效果较好,传统的弹塑性模型(共轴模型)模拟得到的主应力方向和塑性主应变增量方向保持共轴,而拟弹性弹塑性模型(非共轴模型)的模拟结果则能够合理地描述主应力轴旋转过程中的非共轴特性,结果更符合实际,从而为解决土的非共轴特性问题提供了一种有效的方法。

平面应变条件下土的非共轴变形特性

从理论上探讨了平面应变条件下土产生非共轴变形特性的原因;结合试验结果分析了土的起始各向异性和应力状态变化对土的非共轴变形特性的影响.结果表明,应力方向的变化(即主应力轴旋转)是引起非共轴性的主要原因.

土体非共轴各向异性对城市浅埋土质隧道诱发地表沉降的影响

当前用于隧道工程数值模拟的本构模型,大多局限于土体各向同性框架下的共轴假设,难以充分反映隧道周围土体力学响应的复杂性。针对典型砂土和软黏土,建立考虑初始强度各向异性和非共轴特性的二维平面应变、理想弹塑性的土体本构模型,并编制用户材料子程序（UMAT）,嵌入非线性有限元软件ABAQUS中,对城市浅埋土质隧道开挖施工进行二维数值模拟分析。结果表明：开挖面附近土体应力主轴可能发生明显旋转;同等地层损失率下,考虑土体初始强度各向异性预测的地表归一化沉降槽的形状与离心机试验结果更加吻合;同一程度荷载衰减下,考虑非共轴各向异性影响后沿中轴线的最大地表竖向位移明显偏大。因此可以认为,如忽略土体的非共轴和各向异性特性,可能会导致相关的设计方案偏于不安全。

平面应变状态下土体的软化特性与本构模拟

在平面应变状态下,由于土体在应力峰值状态出现了应变局部化现象,从而变形模式失去了原有的均匀性而呈现软化特性。为此,采用常规的弹塑性本构模型模拟土体峰值前的均匀变形,对应力峰值状态则采用非共轴的分叉理论进行预测,而土样在峰值后出现不均匀变形的宏观力学特性则通过复合体理论加以描述。理论预测表明,构建这样的软化本构模型能真实反映平面应变状态下的应力-应变特性。理论分析还表明,经典的变形分叉理论中引入非共轴弹塑性模型,才能准确地预测土体的应力峰值,这是构建平面应变状态下土体软化本构模型的关键所在。

排水条件下原状软黏土各向异性和非共轴特性试验研究

目前针对黏土各向异性的试验研究大多是在不排水条件下进行的,排水条件下的研究较为缺乏。采用空心圆柱扭剪仪,在不同的中主应力系数b和大主应力方向角?下对温州原状软黏土进行定向排水剪切试验。试验结果表明:各向同性固结的软黏土,在不同的大主应力方向角下的应力–应变发展关系存在着明显差异;相比于不排水条件,排水条件下的土体应变发展较为平缓,应变急剧发展的拐点不明显;中主应力系数对于应变发展有明显影响,并且当中主应力系数处于[0.5,1.0]区间中此影响更加显著;在定向剪切过程中,黏土的非共轴特性与大主应力方向角?存在着明显的关系,在?=0°和90°时非共轴特性不明显,非共轴特性在?=45°处出现拐点。这些结论可加深对软黏土在排水条件下各向异性的理解,为建立更加合理的软黏土本构模型和指导工程设计提供一定的基础。

纯主应力旋转条件下饱和黏土累积变形的热力学模型分析

不同于岩土弹塑性模型和经验回归模型,提供了一个基于颗粒固体流体动力学的热力学本构模型。该模型通过对岩土颗粒固体的弹性弛豫和颗粒熵运动等耗散机制的定量描述,可以模拟土体的非线性硬化、软化等宏观力学行为,尤其适用于主应力旋转土体累积塑性应变的模拟。纯主应力旋转条件下杭州黏土的模拟结果表明:即使不改变土体的主应力大小,纯主应力方向的旋转依然会引起土体的非弹性变形的积累。在主应力旋转过程中,土体的应变方向与应力方向并不一致,存在明显的非共轴现象。并且应变峰值的出现明显落后于应力峰值,应力–应变关系曲线存在较大的滞回圈,表明纯主应力旋转过程中也存在能量耗散,并非完全弹性过程。模型分析结果符合现有的试验结论。

模拟主应力轴旋转的本构模型(英文)

很多岩土工程会遇到主应力轴旋转的问题,典型的例子包括地震荷载、波浪荷载,考虑主应力轴旋转对岩土工程的影响有重要意义。构建了一个考虑主应力轴旋转的移动硬化土弹塑性本构模型。该模型分离出了引起主应力轴旋转的应力增量,独立考虑其对应力应变反应的作用。该模型能够考虑多维的主应力轴旋转作用,方程式简单、易于数值应用。利用该模型模拟了一维及多维主应力轴旋转对土应力应变的作用,后者较前者更容易引起土的破坏。

循环荷载下重塑黄土变形特性

为研究主应力方向和大小耦合变化对土体应力-应变状态及非共轴性的影响,采用空心圆柱扭剪仪对饱和重塑黄土开展一系列循环扭剪试验,分析了应力-应变状态和非共轴角的变化规律及影响因素。试验结果表明:轴向应变始终处于压缩状态,环向应变先负向累积再正向累积,径向应变基本处于受拉状态,剪切应变的受拉与受压状态交替出现,轴向、环向和剪切应变曲线的波动特性明显,而径向应变曲线的波动特性弱,说明循环荷载作用下各应变分量表现出不同的发展规律;轴向和径向应变及环向和剪切应变变化幅值随中主应力系数的增大先增大后减小,说明中主应力系数影响各应变分量的累积;随着主应力方向角旋转范围的增大,轴向和径向应变逐渐减小,环向应变由负向往正向变化的趋势提前,剪切应变变化幅值逐渐减小,说明主应力方向角旋转范围影响各应变分量的发展趋势;剪切和正偏应力-应变曲线滞回现象明显,且刚度发生循环强化,但剪切刚度的循环强化比正偏刚度更明显,说明土体出现次生各向异性,这是引起非共轴现象的内在因素;非共轴角变化曲线随中主应力系数的增大先下移后上移,随循环次数的增大而逐渐上移,随偏应力幅值的增大其变化范围增大。可见,循环荷载下中主应力系数、循环次数和偏应力幅值可显著影响饱和重塑黄土的应力-应变状态及非共轴性,在黄土工程设计和本构关系研究中应加以考虑。