饱和土体固结压缩和蠕变的热力学本构理论及模型分析

岩土热力学模型(thermodynamic soil model,TSM)是基于颗粒固体的非平衡态热力学理论,建立的一种崭新的描述岩土力学问题的统一理论模型。该模型引入"颗粒熵运动"和"弹性弛豫",对土体颗粒层次的耗散机制进行了合理地考虑,这些使得模型能够更深入描述土体的变形和能量耗散机理,从而能够在统一理论框架中描述岩土体复杂多变的物理力学行为。基于该理论模型,研究了饱和土体的固结压缩和蠕变问题,分析了加载速率、应力/应变路径和非单调荷载等因素的影响规律。模拟结果表明:模型具有描述复杂条件下的饱和土体的固结压缩和蠕变特性的能力,具有较高的理论和工程应用价值。

饱和黏土不排水抗剪强度各向异性的热力学本构模型研究

基于饱和土体TTM(Tsinghua thermodynamic soil model)热力学本构模型分析研究了饱和黏土的不排水抗剪强度各向异性问题。模型及试验研究表明:非等向或0K固结历史是引起土体强度各向异性的重要原因,固结应力比cK越小,不排水强度各向异性越大。不排水加载过程中主应力轴的方向对土体不排水抗剪强度和变形有着重要影响。一般而言,当主应力轴方向从0°旋转到90°时,土体的不排水抗剪强度逐渐下降,峰值应变却逐渐增大。此外,非等向固结会导致土体主应力与主应变的非共轴性。利用TTM理论模型,对Kaolin Clay和Boston Blue Clay的不同试验结果进行了模拟验证和预测。结果表明,TTM理论模型具有反映和预测应力引起的饱和黏土强度各向异性和应变软化等特性的能力,同时也具备精准描述主应力轴旋转等复杂路径下饱和黏土的强度和变形特征的能力。

基于颗粒物质流体动力学的三轴力学分析

构建了颗粒体系热力学特征函数,确定了宏观尺度不可逆过程的迁移系数,将颗粒物质流体动力学理论应用于密砂的三轴加载力学性质分析,得到了应力-应变关系和体积应变-应变关系,还得到了颗粒温度演化过程.

颗粒材料热力学理论在简单剪切流中的应用

颗粒物质由大量离散的粗大固体颗粒聚集而成,在外界作用下可能发生准静态变形、变形局部化和破坏,直至流动,其中采用固体力学和流体力学对准静态变形和流动开展的研究较为系统,而变形局部化和破坏的研究非常薄弱.分析内部结构演化规律,建立颗粒体系非平衡态热力学,统一描述颗粒体系力学行为是重要的基础研究课题,Granular Solid Hydrodynamics(GSH)理论为该研究提供了基础.本文完善了该理论涉及的颗粒温度表达式,确定了相应参数数值;与动理学理论和离散元模拟一起对恒定体积简单剪切流进行了分析,对比了三种方法得到的正应力与颗粒体积分数的关系,发现由于基本假设的限制,动理学理论只能适用于稀疏颗粒流,而完善后的颗粒体系热力学理论比动理学涵盖范围更广,可以从稀疏体系到密集体系.这样该理论可以连贯地描述颗粒体系准静态变形、变形局部化和破坏,直至流动的力学行为.

准静态颗粒介质的弹性势能弛豫分析

颗粒体系是典型的多体相互作用体系,具有多重的能量亚稳态.对于准静态颗粒体系,引入构型颗粒温度T_c描述弹性势能涨落.本文认为平衡的体系具有一定的构型颗粒温度T_a,其量值反映了其结构特征.当外界扰动激发的构型颗粒温度超出T_a时,产生不可逆过程.通过对应力松弛过程的分析,发现(T_c-T_a)激发了弹性弛豫,且(T_c-T_a)越大则松弛过程中应力变化越大,最终构型颗粒温度T_c→T_a时,宏观应力松弛结束,体系达到新的能量亚稳态.

微生物生长的群体、周期和波

当把非线性科学与研究微生物生长、繁殖相联系在一起时,所得出的实验结果是微观的混沌态发展为宏观的有序态。

熵产生率公式及其应用

导出了 6N维和 6维相空间的熵产生率 ,即熵增加定律的一个统计公式 :P =kD (Δqθ) 2 ,即熵产生率P等于扩散系数D、离开平衡率θ的空间梯度平方的平均值与Boltzmann常数k三者之乘积 .指明非平衡系统的宏观熵产生是由其微观状态数密度在空间随机地不均匀离开平衡引起的 .作为公式的应用 ,研究了气体自由膨胀、布朗运动及固体变形和断裂三个非平衡态课题 ,给出了它们的熵产生及其一次和二次时间变化率 ,得到了不可逆过程的系统内对应的微观结构变化是不均匀的推论 .进而导出了熵产生率正比于其概率流的特殊的定态公式 ,计算了原子定向扩散和分子马达两个定态课题的熵产生率 .所有理论结果或与实验相符或在物理上是满意的 .