长期循环荷载下黄泛区黄河泥沙的变形特性及安定性分析

随着国家“黄河高质量发展”战略的提出,沿黄工程建设飞速发展,填筑土体材料需求量剧增,建筑资源短缺的问题突显。黄河泥沙作为一种新型工程填料,其资源利用前景被相关部门和研究人员重视。为研究长期循环荷载作用下的黄河泥沙的动力服役特性,选取黄河泥沙典型试样,基于GDS三轴试验系统进行了排水条件下的大周次(10000次)循环三轴试验,结合安定理论系统分析围压、循环应力比、加载频率和密实度对黄河泥沙变形特性的影响,并对黄河泥沙的长期动力稳定性进行研究。研究结果表明:累积应变和回弹应变随着围压的增大而增大,随着频率的升高和密实度的增大而减小,循环应力比较小时,应变累积在加载初期几百次循环内就迅速稳定;随着循环应力比增大,应变的发展逐渐具有蠕变的性质,在5000次循环后仍不断累积;随着循环应力比继续增大,轴向应变将在加载初期迅速增大,泥沙试样在很少的周次内达到破坏状态。通过与代表性的相似土体进行对比,发现黄河泥沙的蠕变性介于粉土和砂砾土之间。基于黄河泥沙的安定性分析,提出了黄河泥沙容许循环应力比的表达式,用以初步判断排水状态下黄河泥沙的长期动力稳定状态。研究结果为泥沙土在实际工程中的进一步应用和推广提供了参数支撑。

寒区铁路冻结粗粒土填料长期变形特性研究

振动列车荷载长期循环往复作用下土体产生的变形存在一定程度的应变累积,依托某寒区铁路,开展不同温度下冻结粗粒土填料长期动三轴试验,探究填料长期变形、弹性模量和阻尼比的变化规律,并对试样累积塑性变形进行安定性分析,将累积塑性变形划分为三种不同的状态。在黏弹性模型的基础上串联塑性弹簧提出一种计算应力-应变关系的简化方法。研究结果表明:温度越低,动弹性模量越高,阻尼比越低。在动应力水平较低时,土体处在塑性安定阶段,累积塑性变形随振动次数的增加趋于稳定,动弹性模量略有增加,阻尼比则逐渐减小;当动应力水平超过塑性蠕变界限时,土体刚度迅速降低,累积塑性变形急剧增加,试样呈现破坏的趋势;当动应力水平处于塑性安定和塑性蠕变界限之间时,累积塑性变形虽然增加,但仍然处在可控范围。提出的弹塑性模型可以很好地描述冻结粗粒土填料的滞回特性和累积塑性变形规律。研究成果可为高速铁路路基填料长期动力性能的分析提供有益参考。

南方湿热地区路基红黏土Shakedown临界应力水平试验研究

根据南方湿热地区气候特点和10条典型高速公路路基受力计算,制定路基红黏土的重复荷载动三轴试验方案;研究不同压实度、含水率、轴向应力水平、循环加载次数等条件下路基红黏土的塑性力学行为,并结合Shakedown概念,界定循环动荷载作用下红黏土的Shakedown临界应力水平。研究结果表明:压实度对红黏土临界应力水平影响较小,含水率对其影响显著,最佳含水率Com及110%Com,120%Com和130%Com对应的临界应力水平分别为70%,70%,60%和40%,据此可绘制南方湿热地区路基红黏土Shakedown临界应力包络线;设计时,应以施工含水率对应的临界应力水平作为路基受力的控制上限,从而保证路基的变形稳定和耐久性。

循环载荷下基于弹性安定临界状态的船体板极限强度研究

[目的]为了提高船体板极限强度评估的准确性,对船体板开展循环载荷下基于弹性安定临界状态的极限强度非线性有限元数值模拟。[方法]采用有限元软件ANSYS,重点研究理想弹塑性模型、循环塑性Chaboche材料模型对达到弹性安定临界状态后船体板焊接残余应力释放及极限强度的影响。[结果]结果显示,焊接残余应力经过第1次循环后基本得到释放,在达到弹性安定状态后船体板残余应力趋于稳定;在循环载荷下达到弹性安定状态后,算例采用Chaboche模型所得极限强度要高于理想弹塑性模型。[结论]在开展循环载荷下基于弹性安定临界状态的船体板极限强度非线性有限元数值模拟时,应选择将材料强化与鲍辛格效应考虑在内的材料模型,所得结果对进一步研究船体结构在循环载荷作用下的极限强度有一定的参考价值。

储能库井筒水泥环最大载荷解析解研究

水泥环作为地下储能库工程井筒结构的薄弱部分承受着周期载荷,对井筒的安全性有重要影响。为研究注采井筒水泥环的最大承载能力,基于极限分析中的安定理论对井筒模型进行应力分析,得到交变应力作用下的水泥环最大载荷解析解max P_(inner)。结果表明:水泥环最大载荷的解析解max P_(inner)与水泥石的内聚力、内摩擦角、井筒几何尺寸和地层地应力等因素有关,工程师可据此设计特定的参数组合,在保证井筒正常运行的同时提高压裂效率,从而满足生产要求。

复杂循环应力路径下冻结粉质黏土的变形特性与安定性行为研究

复杂循环应力路径下冻土的变形特性与安定性行为研究对寒区工程的长期稳定性具有重要作用。为分析不同复杂循环应力路径对冻土变形特性与安定性行为的影响,设计不同温度同一水平下的5种循环应力路径,即三轴循环应力路径(TCSP)、定向循环应力路径(DCSP)、圆形循环应力路径(CCSP)、椭圆循环应力路径(ECSP)和心形循环应力路径(HCSP),分析了粉质黏土的轴向累积塑性应变,同时利用3种安定性评价准则对结果进行评估。研究结果表明:不同温度5种循环应力路径下的轴向累积塑性应变满足DCSP>ECSP>HCSP>CCSP>TCSP。安定性评价结果表明,定向循环应力路径对土体的安定性行为影响最大,在3种准则下都属于增量破坏。在-15℃时,心形循环应力路径与椭圆循环应力路径试验结果在Chen-准则评估下也属于增量破坏。

材料循环软化性能对安定极限载荷的影响

针对材料的循环软化性能对结构安定极限载荷的影响展开研究。以机械结构中常用的具有循环软化性能的Q235材料为研究对象,通过拉伸试验和循环加载试验进行相应的力学性能测试,进而以安定性分析研究中带中心圆孔方板这一典型结构为例,基于上述试验所测定的材料性能参数,对其受均布拉伸载荷循环作用情况下的安定极限载荷进行了有限元分析,并对方板进行了安定极限载荷的物理试验测试。结果显示,通过拉伸试验及循环加载试验所测得的Q235的屈服强度分别为293.1和251.3 MPa,采用以循环加载试验测定的屈服强度得到的方板的安定极限载荷,较采用拉伸试验的减小约14.1%,且更接近试验测试结果。

抗剪强度随干湿循环变化对边坡安定性的影响

干湿循环将会导致岩土介质的抗剪强度产生循环变化。本文探讨了干湿循环中材料参数的循环变化对边坡安定性的影响。将材料性质的循环变化等效成载荷,并与孔隙水压的循环变化一同在安定分析中统一进行分析。最后对一算例进行计算,结果表明,即使只考虑抗剪强度参数10%的循环变化,边坡的安定安全系数也会比极限安全系数有相当程度的减小,表明抗剪强度随干湿循环的变化,会对边坡的安定性产生不可忽视的影响。

长期循环荷载下饱和软黏土安定性模型

鉴于传统显式、隐式模型计算饱和软黏土长期循环荷载下轴向塑性累积应变的不足,在建立饱和软黏土总应力弹塑性模型基础上,考虑软黏土在长期小动应力比循环荷载作用下具有安定性特点,结合过应力模型及安定性理论提出计算饱和软黏土长期循环荷载下轴向塑性累积应变安定性本构模型。安定性模型能合理描述饱和软黏土循环荷载下的变形特性,模型只考虑最大塑性变形包络线故可采用任意积分步长,适用于大数目循环加载的累积变形计算及长期交通荷载下地基的沉降计算。

循环荷载下路基红黏土临界应力水平分析

根据设计改装的循环动单轴压缩试验,研究不同含水率、不同轴向应力水平、不同循环加载次数、不同应力加载路径条件下路基土的塑性力学行为,并结合shakedown概念,界定了循环动荷载作用下红黏土的安定界限(shakedown limit)和临界应力水平,系统地分析了影响循环动荷载作用下路基土力学行为的因素和永久变形的发展趋势,以及路基土在循环载荷作用下的力学行为发展规律。通过试验结果的分析,把红黏土的塑性变形分为稳定、破坏和临界3个阶段,并按3个阶段划分出可接受状态和不可接受状态,由此确定路基红黏土在循环荷载作用下的临界应力水平为41.8%。

循环荷载作用下粉细砂累积变形的等效黏塑性本构模型

提出了适用于长期循环荷载作用下粉细砂累积变形计算的等效黏塑性本构模型及数值模拟方法。该模型基于经典弹塑性理论框架及结构安定理论,考虑了砂土材料的双屈服面及剪胀性特征,引入塑性应变随加载次数的增量表达式,预测粉细砂土材料累积不均匀变形。通过粉细砂的动静三轴试验确定模型参数,并研究了砂土累积变形规律。数值模拟结果表明,该模型对于粉细砂长期循环累积塑性变形具有良好的模拟能力,而且计算步长可任选取,适用于长期循环加载的计算。

矿用圆环链钢安定状态研究

通过单轴拉-拉交变载荷的安定实验,研究了矿用圆环链钢23MnNiCrMo54的安定状态。结果表明,23MnNiCrMo54钢存在安定现象,在安定状态下,其许用载荷值远大于其弹性极限值。为今后矿用圆环链设计中进一步提高许用载荷值提供了实验依据。

考虑材料强化的塑性安定性分析

采用较真实的材料本构模型,在Ponter和Karadeniz提出的扩展的安定性理论以及彭得到的考虑混合强化的安定性定理的基础上,发展了计及应变强化和循环强化的结构塑性安定区的分析方法。通过将循环强化和应变强化分别引入子区域V_F和V_S,利用材料安定性假设,得到了较为合理的塑性安定边界,克服了以前的工作中对处于V_F和V_S区中的材料分别采用完全各向同性强化(或假设热应力史是弹性应力史)和完全塑性的理想材料模型所带来的不合理性和误差。对受机械载荷和变化的热应力场作用的二杆结构和Bree板进行了安定分析,结果表明热应力史是弹性应力史的假设可能导致过于保守的安定边界,也可能过高地估计塑性循环过程中的屈服应力而导致偏于危险的结果。

内压圆筒斜接管在面内循环弯曲载荷作用下的棘轮效应研究

利用自行设计的圆筒斜接管面内弯曲加载装置,采用电阻应变法,在多轴疲劳实验机上对面内循环弯曲载荷作用下的20#钢内压圆筒斜接管进行了棘轮效应试验研究,发现斜接管结构的锐角区存在棘轮应变,且主要发生在第一主应变方向即指向焊缝的方向。对于所研究的结构,最大棘轮应变点出现在对称面锐角区的接管侧。采用阶梯加载的方法获得了结构的棘轮边界点。利用修正的Jiang-Sehitoglu随动强化模型(MJS)对结构进行了循环塑性分析,并按日本三维有限元应力评价委员会(C-TDF)提出的等效塑性应变增量控制法确定了结构棘轮边界线,可用于评价结构的塑性安定性。

内压圆筒斜接管结构的棘轮效应分析

利用自行设计的圆筒斜接管面内弯曲加载装置,采用电阻应变法,在多轴疲劳实验机上对循环弯曲载荷作用下的20~#钢内压圆筒斜接管结构进行了棘轮效应试验,发现斜接管结构的锐角区存在棘轮应变,且主要发生在第一主应变方向即指向焊缝的方向.对于所研究的实验结构,最大棘轮应变点出现在对称面锐角区的接管侧.采用阶梯加载的方法确定了各考察点的棘轮边界.选取4种典型的随动强化模型,借助ANSYS软件的二次开发对面内循环弯矩作用下内压斜接管结构的棘轮效应进行数值模拟,发现Ohno-Wang模型及基于Ohno-Wang模型的改进模型对棘轮应变的预测较为准确.采用MJS（modifed、Jiang-Sehitoglu）模型按等效塑性应变增量控制法得到了与实验结果基本吻合的各考察点的棘轮边界,并根据最大棘轮应变点的数据确定了结构的棘轮边界,可用于该结构的塑性安定性评价.

铁路路基粗粒土填料临界动应力试验研究

粗粒土填料被广泛应用于铁路基床填料中,直接承受轨道结构传递的列车动循环荷载的长期作用,研究其在列车动荷载作用下的动力行为特征及塑性变形特性可为路基状态评估、沉降控制提供思路。采用GDS动三轴试验系统对铁路基床表层的粗粒土填料动力响应开展研究,通过引入塑性应变率和安定理论,将不同频率、围压、循环动应力比等条件下路基填料的轴向塑性应变的发展规律划分为塑性安定、塑性蠕变和增量塑性破坏3种类型,并确定了塑性安定和塑性蠕变状态的临界动应力水平。研究表明:粗粒土填料的临界循环应力比随着围压的增大而增大,随着荷载频率的增加而减小。通过对试验结果的拟合分析,提出了以围压为变量的临界动应力经验公式,为合理评估列车荷载作用下路基任意深度的动力稳定提供了理论依据。

一种改进的饱和黏土运动硬化边界面模型

为了模拟海洋风、浪等循环荷载下饱和黏土的循环稳定性,基于运动硬化准则建立改进的边界面模型.改进的模型中,基于硬化中心和边界面可移动的硬化准则,描述循环荷载引起土体的各向异性;以椭圆形边界面左端点对应的应力作为运动硬化变量,建立新型的边界面方程,以解决传统的边界面方程与该硬化准则不相适应的问题;在边界面方程中引入形状参数,以增加模型的灵活性;结合边界面的演化规律,提出一种详细的塑性模量插值方法,使模型能够真实地描述饱和黏土在低应力水平下的循环稳定特性.通过对不同固结应力和循环应力水平下累积偏应变随循环周次变化关系的预测,初步验证了改进模型的合理性;通过模拟结果与试验结果的对比,进一步验证了该模型的有效性.

高速铁路桩承式路基土拱安定性分析

高速铁路桩承式路基中土拱的动力稳定性直接影响到路基的应力分布、累积变形,进而影响其服役性能,而目前研究中动荷载对土拱退化、失稳的影响缺乏定量描述。在Hewlett土拱物理模型的基础上考虑附加循环荷载的作用,分析桩承式路基桩顶、桩间土的受力状态,并结合土拱的破坏失稳模式,利用安定理论构造最佳残余应力场,研究拱脚稳定性随动荷载变化的弹性、安定、破坏阶段,给出弹性极限荷载pe、安定荷载psd、临界破坏荷载pp的求解方法,计算结果与模型试验规律相符。通过安定荷载确定土拱在长期循环荷载作用下不发生累积变形破坏的荷载临界值,其对桩承式路基结构设计具有指导意义。

LNG燃料舱夹层管路弹塑性安定和疲劳分析

针对温差环境下夹层管路系统长周期运行的问题,基于材料弹塑性本构关系和有限元分析,通过追踪结构在循环载荷作用下的塑性状态,对1台深冷液化天然气(LNG)燃料舱的夹层管路系统进行弹塑性安定和疲劳问题研究。结果表明,相比弹性方法,弹塑性方法较可靠且保守适度,可直接节约设备成本,更能满足工程需求。目前,应用该方法设计建造的LNG燃料舱正处于安全运行状态。

循环-间歇加载下粉土永久变形特性试验

真实地揭示路基填料在交通荷载作用下的永久变形特性可为路基设计和评估提供依据。利用动三轴仪,对粉土开展了连续循环加载和间歇加载(连续加载阶段与间歇阶段交替循环)动三轴试验。分析了间歇阶段对粉土的轴向应变和累积塑性应变等发展规律的影响,并重点研究了间歇加载方式下粉土的累积塑性应变行为特征。试验结果表明,间歇阶段的存在对提高试样抵抗永久变形的能力有积极作用,动三轴试验中应考虑荷载间歇阶段的影响。依据安定理论,间歇加载方式下,粉土的动力行为可划分为三类:塑性安定、塑性蠕变和增量破坏,并提出了间歇加载方式下粉土试样临界应力的表达式和累积塑性应变预测模型。研究结果对深刻认识路基的永久变形特性具有参考价值。