基于统计损伤修正的冻结砂—黏混合土改进Duncan-Chang模型

为描述冻结砂—黏混合土的偏应力—应变关系,进行不同含砂量冻结砂—黏混合土的冻土三轴压缩试验。基于改进的Duncan-Chang模型(D-C模型),引入统计损伤理论,拟合三轴压缩试验结果,分别建立以Mises强度准则和应变发展为微元强度变量的统计损伤修正模型,对比计算结果与试验数据。结果表明:冻结砂—黏混合土偏应力峰值随含砂量的增加而增加,偏应力—应变曲线由应变硬化型逐渐过渡到应变软化型的临界含砂量为50%。当含砂量介于20%~60%时,基于统计损伤理论的修正改进D-C模型能有效拟合应变硬化型曲线和具有轻微应变软化现象的偏应力—应变曲线。当含砂量为90%时,基于应变发展的统计损伤修正模型的偏应力峰值与试验结果相差3%,具有较强适用性。该结果为不同微元强度变量的统计损伤修正模型提供参考。

ABAQUS有限元分析软件中Duncan-Chang模型的二次开发

以ABAQUS用户子程序UMAT为基础,利用Fortran编程语言,开发研制了Duncan-Chang模型接口程序。通过数值检验表明,所研制的接口程序开发思路正确,可以用于分析实际工程问题。

Duncan-Chang非线性地基模型的反演分析

在弹性半空间Boussinesq理论解基础上,推导得到了地基中的应力解,并给出了用应力表示的地基沉降计算公式。对于给定的q–s曲线,按照最小二乘法,用解析方法对Duncan-Chang模型参数进行反演分析,工程算例显示了该方法的正确性和实用性。反演得到的地基参数能很好地反映现场沉降试验结果。

基于Duncan-Chang本构的非线性土压力模型

假设基坑工程中挡土结构的变形和土压力服从双曲线模型,类比Duncan-Chang本构建模思想,在前人关于基坑主动区和被动区变形假设的基础上,建立了可以考虑位移变化的非线性土压力模型。把非线性土压力模型和Duncan-Chang本构模型联系起来,使得本文非线性土压力模型参数确定有根据。把弹性地基梁模型和该非线性土压力联系起来,使得弹性抗力系数的概念更加明确。以m法为例,深入分析了m法的影响因素。

改进Duncan-Chang模型及其在基坑开挖数值模拟中的应用

利用岩土弹塑性理论将非线性弹性Duncan-Chang模型改进成一种弹塑性土体模型,推导了相应的弹塑性矩阵。将改进模型应用到某基坑开挖模拟,并与观测值比较,验证了改进模型的合理性。

基于均匀化理论的水合物沉积物修正Duncan-Chang本构模型

为了精确地描述水合物沉积物在外荷载作用下的变形,首先,基于Mori-Tanaka均匀化理论提出一种水合物沉积物等效弹性参数的有效预测方法;其次,考虑水合物胶结对沉积物侧向应变的影响,采用岩土复合体理论建立水合物沉积物的修正Duncan-Chang本构模型;最后,探讨模型参数对材料的宏观本构响应的影响,并将模型预测结果与室内三轴试验结果进行对比。研究结果表明:基于Mori-Tanaka均匀化理论的修正Duncan-Chang本构模型不仅能够较好地模拟在低饱和度高围压条件下的应变硬化现象以及在高饱和度低围压条件下的应变软化现象,也能够较好地预测水合物沉积物的侧向变形。水合物沉积物在外荷载作用下的变形主要受到与水合物饱和度和有效围压有关的模型参数的综合影响,模型参数a,b和c分别反映了水合物沉积物的刚度、强度和脆性。而侧向应变的取值主要受到模型参数f,m和n的综合影响,模型参数g的影响并不明显。

土体破坏时Duncan-Chang模型应用的若干关键技术

由于土材料的实际性状非常复杂,并且随加载条件的不同而有很大变化。每一类型土的本构模型都有它特定的应用范围和局限性。1970年提出的邓肯-张(Duncan-Chang)模型是一种目前被广泛应用的非线性弹性模型,但在自然状态下,许多土的卸载-再加载性质是接近于线性和弹性的。为了反映土的这一特性,本文提出了在应用邓肯-张模型分析土体破坏时的若干关键技术供应用时参考。着重处理了不同于单调加载时的卸载-再加载变形模量和泊桑比,建议了判断土的卸载-再加载现象破坏准则。

麦秸秆加筋石灰土的应力应变和Duncan-Chang模型参数研究

为增强石灰固化滨海盐渍土的抗变形能力,提出了麦秸秆加筋辅助处理的设想.考虑Duncan-Chang双曲线模型能较好地反映土的非线性特征,将Duncan-Chang模型和三轴压缩试验结果相结合,以加筋长度、质量加筋率、养护时间和围压为影响因素,探讨了不同条件下麦秸秆加筋石灰土的应力应变特性和相关模型参数.试验结果表明:1)养护初期,麦秸秆加筋石灰土和石灰土的应力应变曲线均表现为应变硬化型.养护21 d时,石灰土在4个围压下呈应变软化型,而麦秸秆加筋石灰土仅在100kPa围压下表现为应变软化型,在其他围压下依旧为应变硬化型.2)麦秸秆加筋石灰土的峰值主应力差和破坏应变均大于石灰土的,采用麦秸秆加筋可有效地提高石灰土的强度和抗变形能力.3)麦秸秆加筋石灰土在4个围压下的应力应变曲线的间距小于石灰土的,加筋技术更适用于在较低围压下改善土的强度和抗变形能力.4)麦秸秆加筋石灰土的强度增幅与加筋条件有关,对于直径61.8mm试样,圆柱形麦秸秆的适宜加筋长度和质量加筋率分别为20mm和0.25%.5)Duncan-Chang模型可较好的反映石灰土和麦秸秆加筋石灰土的应力应变的非线性特征.研究结果对实际工程中合理选择麦秸秆的加筋条件具有指导作用.

玲珑金矿尾矿坝Duncan-Chang非线性静力计算分析

介绍了利用Duncan-Chang双曲线E-模型,对尾矿坝初始静力状态进行非线性计算分析的基本原理和计算过程。根据工程地质环境、土体物理力学特性,以主坝中心为剖面建立几何模型。采用GeoStudio软件Duncan-Chang双曲线E-模型,对玲珑金矿尾矿坝进行了非线性静力计算,得到了静力状态下坝内最大主应力、最小主应力、水平和垂直位移、应力水平、最大剪应力和剪应变、最大XY方向剪应力和剪应变,并结合计算结果,对玲珑金矿尾矿坝静力状态稳定性进行了细致分析。

试验分析掺砂量对水泥砂浆桩Duncan-Chang模型参数影响

通过三轴固结排水试验,研究掺砂量对水泥砂浆桩邓肯-张模型参数的影响。研究结果表明:水泥砂浆桩应力应变曲线呈双曲线型,计算获得邓肯-张模型8大参数初始弹性模量和初始泊松比。淤泥质土中水泥掺入比为17.1%时,掺砂量从30%增加到50%,水泥砂浆桩内摩擦角从34.6°增加到36.1°,而黏聚力则从46.8 k Pa降低到28.8 k Pa,初始弹性模量在10.0~65.0 MPa之间,初始泊松比在0.2~0.35之间。掺入水泥使淤泥质土由塑性破坏转为脆性破坏,随着掺砂量的增大,试样的脆性进一步增强。

ANSYS中Duncan-Chang模型的实现及验证

介绍了在ANSYS中开发Duncan-Chang材料本构模型的方法,给出了开发过程的概要。数值检验表明,在AN-SYS中增加Duncan-Chang材料本构模型后,不仅可以充分地利用该软件强大的非线性求解平台,而且还有可能完成复杂岩土工程应力应变的有限元数值分析问题。

基于Duncan-Chang模型的垃圾土边坡有限元分析

采用fortran语言编写了Duncan-Chang本构模型子程序,实现了有限元软件ABAQUS的二次开发,再利用UMAT子程序接口导入Duncan-Chang的E-B本构模型对垃圾土边坡稳定性进行分析。通过与极限平衡法中的Bishop法和Morgenstern-Price法比较,对基于Duncan-Chang本构模型的有限元法在垃圾土边坡稳定性分析的合理性进行了探讨。

混合均匀度对粗粒土强度特性影响的试验研究

现有研究普遍将粗粒土视为均匀的二元混合料,忽略了粗细颗粒混合均匀程度对其强度特性的影响。为此,首先,提出了一种描述粗粒土混合均匀程度的定量指标Me;其次,通过静三轴试验探讨了应力-应变曲线、弹性模量、破坏强度及抗剪强度指标与混合均匀度Me的内在关系;最后,基于静三轴试验结果,建立了一种综合考虑围压和Me影响的修正邓肯-张模型,并对其适用性及合理性进行鲁棒性验证。研究结果表明:应力-应变曲线随着围压增大而逐渐由应变软化型向应变硬化型曲线过渡;随着Me减小,应力-应变曲线由应变硬化型逐渐发展为应变软化型曲线;当围压与Me增大时,弹性模量与破坏强度均随之增大,且弹性模量在Me从0.25降低至0的过程中衰减幅度可达总衰减幅度的41.3%,破坏强度在Me从1降低至0的过程中衰减幅度可达总衰减幅度的40%以上;随着Me逐渐下降,试样的整体骨架-密实结构在不同区域分别向局部骨架-空隙结构、局部悬浮-密实结构转变,进而致使黏聚力、内摩擦角均随Me下降而逐渐衰减。

基于混合物法则根土复合体本构模型的研究

为探究根土复合体的应力-应变关系,将其视为两相体,根系采用线弹性模型,土体采用邓肯-张模型,并考虑根系与土体之间的相对滑移关系,基于混合物法则建立根土复合体本构模型。通过素土与不同含根量的根土复合体三轴压缩试验,得到其应力-应变关系,通过单根拉伸试验得到根系的弹性模量。结果发现,(1)根土复合体的极限主应力差随含根量的增加先增加后减小,含根量0.3%为最优含根量。(2)单根的直径与抗拉力、抗拉强度符合幂函数关系,与弹性模量符合多项式关系。(3)通过反分析的方法,建立滑移关系,得到模型计算值的应力-应变关系,发现模型计算值与试验值的拟合度(R^(2))为0.96。该研究为根土复合体本构模型的建立提供新思路,并为根土复合体的数值分析提供参数。

循环荷载下花岗岩动力响应及本构模型

利用真三轴试验机,对尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的花岗岩试样进行了循环荷载下的试验研究,探究非破坏状态下不同围压、动载频率、动应力幅以及循环周次下花岗岩动弹性模量以及动阻尼比的变化规律,并将所得数据进行对比分析。试验结果表明:花岗岩动弹性模量随围压线性增长,动阻尼比随围压线性递减,动弹性模量增幅逐渐变大;花岗岩动弹性模量随动载频率指数增长,动阻尼比随动载频率幂函数增长,在20 Hz的动载频率下岩石内部活动较为剧烈,动载频率对岩石的影响程度较大;动弹性模量随动应力幅二次函数增长,动阻尼比随动应力幅幂函数减小,动阻尼比变化受到岩性影响;改进邓肯-张模型很好地反映了花岗岩在不同作用下岩石动态本构关系。该试验得到的模型可为后续动力特性的反演提供参考。

含水率对土石混合料力学特性影响试验研究

为研究初始含水率对土石混合料力学特性的影响,选取典型土石混合料开展大型三轴固结排水剪切试验。结果表明,随着初始含水率增加,土石混合料应力-应变曲线呈下降趋势,且围压越高下降幅度越明显。高围压、高含水率将抑制土石混合料剪胀,且剪缩特性更明显,从而应力-应变关系逐渐由硬化软化组合型过渡到持续硬化型。土石混合料剪切强度与正应力呈现非线性关系,含水率增大将导致土石混合料剪切强度参数减小。通过邓肯-张模型较好地拟合了土石混合料的应力-应变关系,并得出了材料参数随含水率的变化规律。

冻融循环对重塑碳酸盐渍土不排水强度影响研究

为研究寒区碳酸盐渍土强度特征,建立冻融循环作用下碳酸盐渍土的修正邓肯-张模型,指导碳酸盐渍土地区的工程建设,利用GDS三轴对取自黑龙江省某地的碳酸盐渍土进行不同围压、不同冻融循环次数下的UU试验。通过曲线拟合,获得了土样强度指标c和φ、模型参数Κ和n、破坏比Rf与冻融循环次数N的数学模型,根据模型理论值与实测值对比分析修正了邓肯-张模型切线模量Ei,从而建立了考虑碳酸盐渍土冻融循环次数N的修正邓肯-张模型。结果表明:碳酸盐渍土经冻融后,其不排水应力-应变曲线呈应变硬化型,且碳酸盐渍土在经历三次冻融循环后,强度降低幅度最大,占整个强度劣化过程的71%以上;冻融后,碳酸盐渍土内摩擦角φ、黏聚力c和参数K逐渐降低,破坏比Rf呈现出先降低后增加,而参数n表现出先增加后减小的趋势。本文提出了冻融循环作用下的修正邓肯-张模型,且模型预测精度高。

考虑冰晶胶结特性的冰-冻土界面力学特性

寒区多年冻土斜坡内部存在的下卧冰层对多年冻土斜坡稳定有着重要影响。为探究冰-冻土界面力学特性对斜坡稳定的影响,该研究以冰-冻土界面为研究对象,在低温环境(−3℃)下开展了不同冻土初始孔隙比和含水率下的冰-冻土界面及对应的冰-土颗粒界面直接剪切试验,建立了考虑冰晶胶结特性的冰-冻土界面非线性弹性损伤模型,结合试验结果对模型进行了验证,并分析了界面在剪切过程中切线刚度的变化规律。结果表明:冰-土颗粒界面的剪切应力表现为应变硬化特性,而冰-冻土界面的剪应力在峰值强度之后迅速下降,表现为应变软化特性。冰-冻土界面结构系数峰值点对应的剪切位移随着含水率的增大而增大,当冻土初始孔隙比为1.0、0.8和0.6,冻土初始含水率从14%增大至18%时剪切位移分别增大了32.7%、41.3%和52.1%。在−3℃下,冻土的初始含水率越大,则界面处的胶结冰越多,黏聚强度对界面的抗剪强度贡献也就越大。当结构系数达峰值点后,界面开始产生损伤,并随着剪切位移的增加进入加速损伤阶段。剪切过程中界面的切线刚度呈先增大后减小的趋势,在结构系数峰值点处为0,之后切线刚度随着剪切位移的增加逐渐减小。此外,界面的峰值切线刚度随着法向应力的增大而增大,当冻土初始孔隙比1.0、初始含水率为18%,法向应力从50 kPa增大至200 kPa时,则界面的峰值切线刚度增加了63.7%。在冰-冻土界面力学模型中考虑冰晶胶结特性更加合理,研究结果可为寒区斜坡稳定性分析提供参考。

深基坑工程数值模拟土体弹性模量取值的探讨

控制基坑开挖对环境的影响是深基坑研究与设计的重要课题。由于难以采用解析方法求得基坑开挖引起的基坑邻近土体的变形,常常需要采用有限元法等数值分析方法。然而,数值模拟中所使用的场地土体弹性模量参数常常不易获得。关于土的压缩性指标,勘察报告往往仅提供压缩模量。探讨了利用场地的岩土工程勘察报告数据获得数值分析中土体弹性模量的三种方法。

冻结砂土的应力-应变关系及非线性莫尔强度准则

对于-6℃的冻结砂土进行一系列的试验,结果表明,当围压小于3.0MPa时,其应力–应变关系具有明显的应变软化现象;当围压大于3.0MPa时,其应力–应变关系则具有明显的应变硬化现象。针对广义的双曲线模型并不能很好地描述-6℃冻结砂土在围压大于3.0MPa时的应力–应变关系,邓肯–张模型也不能理想地反映围压小于3.0MPa时-6℃冻结砂土的应变软化特性,提出既能描述应变软化现象又能描述应变硬化现象的改进的邓肯–张模型。研究表明,其结果和试验结果吻合良好。由于压融现象的存在,当围压大于一定值后,冻结砂土的剪切强度随围压的增大而减小。如果用莫尔–库仑准则来描述冻结砂土的剪切强度,会产生较大的误差。为解决这一问题,提出非线性莫尔强度准则。研究结果表明,其精度较高,比莫尔–库仑强度准则能更好地描述冻结砂土的剪切强度。