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含天然气水合物砂质沉积物的临界状态模型

工程力学 2024年

作者：雷继超李芬胡丹李志鹏苏子昂武汉理工大学船海与能源动力工程学院武汉理工大学三亚科教创新园

赋存于砂质储层中的天然气水合物相对于赋存在黏性储层中天然气水合物更易开采，准确模拟砂质沉积层的力学变化特性，对评估在天然气水合物开发过程中海底结构稳定性及防止海底滑坡等地质灾害具有重要意义。然而，针对考虑水合物分解效... 详细信息

赋存于砂质储层中的天然气水合物相对于赋存在黏性储层中天然气水合物更易开采，准确模拟砂质沉积层的力学变化特性，对评估在天然气水合物开发过程中海底结构稳定性及防止海底滑坡等地质灾害具有重要意义。然而，针对考虑水合物分解效应的含天然气水合物砂质沉积物本构模型的研究仍较为匮乏。为了准确模拟天然气水合物砂质沉积物的力学特性，本文基于应力分配概念和SANISAND模型框架构建适用于含天然气水合物沉积物的临界状态模型，通过利用应力分配的概念描述水合物在沉积物整体受力中所起到的作用，从而考虑水合物的存在对沉积物骨架力学行为的改变。此外，通过在临界状态线控制方程中引入水合物饱和度相关参数，使模型能够考虑水合物填充效应对沉积物剪缩和剪胀行为的影响。该模型可以考虑由于水合物的存在导致的剪切强度的增长及剪胀效应，以及预测由于水合物分解导致的土体力学特性的变化。通过利用建立的模型对含天然气水合物砂质沉积物的室内排水三轴剪切试验结果进行预测，验证了所建立模型的正确性和有效性。

关键词：本构模型砂质沉积物临界状态理论应力分配 SANISAND模型

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考虑含水率影响的结构性黄土临界状态模型

岩土力学 2022年第3期43卷 737-748页

作者：侯乐乐翁效林李林周容名长安大学公路学院陕西西安710064 长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室陕西西安710064

根据不同初始含水率原状黄土结构性演化规律,基于临界状态土力学理论,以应力、初始含水率和应变为基本变量,提出了一个可以反映原状黄土结构性演化规律及软化特性的临界状态本构模型。模型通过对比不同初始含水率下重塑与原状黄土等向... 详细信息

根据不同初始含水率原状黄土结构性演化规律,基于临界状态土力学理论,以应力、初始含水率和应变为基本变量,提出了一个可以反映原状黄土结构性演化规律及软化特性的临界状态本构模型。模型通过对比不同初始含水率下重塑与原状黄土等向压缩曲线,建立了不同含水率下原状黄土的结构性参数及其演化方程。此外,模型采用非相关联流动法则,以剪胀方程的形式来求解塑性偏应变。模型共计9个材料参数,均可由压缩试验和常规三轴剪切试验求得。通过与已有试验数据的对比发现,本模型不仅可以较好地体现初始含水率对原状黄土结构强度、变形特性以及结构破坏规律的影响,而且能较为合理地预测原状黄土的硬化及软化特性。所建立的结构性黄土临界状态模型为深化黄土力学特性研究提供了可能,同时为有效计算黄土地基湿陷变形提供了一定的理论依据。

关键词：原状黄土临界状态理论初始含水率结构性软化特性

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特征应力空间中土的分数阶临界状态模型

岩土工程学报 2019年第3期41卷 581-587页

作者：梁靖宇杜修力路德春韩佳月北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室北京100124

分数阶微分具有连续描述零阶微分到一阶微分的特性,曲线的分数阶梯度方向不再与曲线切线垂直。分数阶微分的梯度非正交性质,可用于描述土的塑性流动方向与屈服面非正交的特性。基于特征应力与临界状态理论,在特征应力空间中利用非正交... 详细信息

分数阶微分具有连续描述零阶微分到一阶微分的特性,曲线的分数阶梯度方向不再与曲线切线垂直。分数阶微分的梯度非正交性质,可用于描述土的塑性流动方向与屈服面非正交的特性。基于特征应力与临界状态理论,在特征应力空间中利用非正交流动法则描述土的塑性应变增量方向,从而建立土的分数阶临界状态本构模型。所建立的模型首次将分数阶微分与特征应力统一于临界状态理论框架内,一方面模型可以同时描述三轴压缩和三轴伸长试验条件下土的变形和强度特性,另一方面也给出了利用三轴试验确定分数阶阶次的方法。所建立的本构模型只有5个材料参数,参数物理意义清晰,可通过常规室内土工试验确定,且模型可退化为修正剑桥模型。通过对典型应力路径条件下的试验结果进行预测表明,所建的模型能够合理地描述土的变形与强度特性。

关键词：土本构模型分数阶微积分特征应力临界状态理论

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平面应变条件下结构性黄土本构模型试验研究

岩石力学与工程学报 2018年第2期37卷 485-496页

作者：张玉邵生俊赵敏丁潇梁昕宇张少军西安工业大学建筑工程学院陕西西安710032 西安理工大学岩土工程研究所陕西西安710048

黄土在我国分布广泛,且大多都具有显著的结构性,黄土工程中又有许多平面应变问题,深入研究平面应变条件下结构性黄土的本构关系在理论研究及黄土工程应用中显得尤为重要。为了更合理地描述平面应变条件下结构性黄土的应力–应变关系,基... 详细信息

黄土在我国分布广泛,且大多都具有显著的结构性,黄土工程中又有许多平面应变问题,深入研究平面应变条件下结构性黄土的本构关系在理论研究及黄土工程应用中显得尤为重要。为了更合理地描述平面应变条件下结构性黄土的应力–应变关系,基于临界状态土力学理论,提出一个能够反映平面应变条件的结构性黄土本构模型。在模型建立过程中,引入结构屈服压力,依据平面应变试验结果直接确定固定屈服面和加载屈服面,并验证选取塑性体应变pv?为硬化参量的合理性,使本构模型更符合工程中土体的实际受力过程。模型中各参数物理意义明确,可由等向压缩试验和平面应变剪切试验求得,通过试验曲线与模型计算曲线的对比可知,所建立的本构模型可以较合理地描述平面应变条件下结构性黄土加载条件下的强度、变形特性,具有很好的应用前景。

关键词：土力学黄土平面应变试验临界状态理论屈服面本构模型

长期循环荷载作用下泥炭质土累积变形简化计算方法研究

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振动与冲击 2019年第14期38卷 276-282页

作者：陈成周正明张先伟中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室

交通荷载作用下软土地基附加变形预测中,人们往往关心的是地基的长期累积变形量,而非每一次循环过程中的变形情况。为此,考虑到长期循环荷载作用下土体累积残余变形发展规律与静荷载下土体蠕变变形相似的特点,将循环荷载作用次数等效为... 详细信息

交通荷载作用下软土地基附加变形预测中,人们往往关心的是地基的长期累积变形量,而非每一次循环过程中的变形情况。为此,考虑到长期循环荷载作用下土体累积残余变形发展规律与静荷载下土体蠕变变形相似的特点,将循环荷载作用次数等效为时间度量单位,引入蠕变计算理论中的蠕变势函数,结合不排水条件下土体循环累积偏应变经验模型,并基于临界状态理论,建立了可描述土体三维循环累积变形的简化计算方法。利用隐式回退应力积分算法,建立了土体循环累积变形计算数值模型,并基于Abaqus二次开发接口,编制了UMAT子程序。利用该方法对昆明泥炭质土不排水循环三轴试验结果以及地铁荷载下泥炭质土地基的长期变形进行了模拟,验证了该方法的有效性以及数值稳定性。

关键词：蠕变循环累积应变泥炭质土 UMAT 临界状态理论

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粉煤灰临界状态力学行为的试验研究

武汉理工大学学报 2011年第6期33卷 93-98页

作者：刘成浩赵红华楚锡华徐远杰武汉大学土木建筑工程学院武汉430072 大连理工大学工程力学系大连116024

为验证临界状态理论对粉煤灰材料的适用性,基于具有变形数字图像测量系统的GDS三轴试验仪,对干燥粉煤灰试样和饱和粉煤灰试样分别进行常规三轴剪切试验,对比研究了其应力-应变行为的差异,重点研究了饱和粉煤灰材料的临界状态特性,给出... 详细信息

为验证临界状态理论对粉煤灰材料的适用性,基于具有变形数字图像测量系统的GDS三轴试验仪,对干燥粉煤灰试样和饱和粉煤灰试样分别进行常规三轴剪切试验,对比研究了其应力-应变行为的差异,重点研究了饱和粉煤灰材料的临界状态特性,给出了其相应的临界状态方程,并考察了低密度与高密度粉煤灰在变形过程中表面变形场演化的差异。

关键词：粉煤灰三轴试验应力应变关系临界状态理论

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基于热力学理论的超固结土本构模拟

基于热力学理论的超固结土本构模拟

作者：陈艳妮浙江大学

学位级别：硕士

随着我国经济实力和综合国力的不断增强,高速公路、铁路、机场和堤防工程等基础设施的建设蓬勃发展。超固结土覆盖区域广泛,其工程力学特性十分复杂,建立超固结土本构模型,并准确预测超固结黏土地基强度及变形,已成为当前岩土工程领域... 详细信息

随着我国经济实力和综合国力的不断增强,高速公路、铁路、机场和堤防工程等基础设施的建设蓬勃发展。超固结土覆盖区域广泛,其工程力学特性十分复杂,建立超固结土本构模型,并准确预测超固结黏土地基强度及变形,已成为当前岩土工程领域重要研究内容。本文以热力学原理为基础,建立了超固结土在不同固结应力路径下的本构模型。在对修正剑桥模型和a非相关联模型耗散势函数进行分析的基础上,考虑屈服面的形状变化和旋转,提出了新的耗散势函数,得到了真实应力空间的屈服函数,用于模拟不同固结应力历史的黏土剪切特性。同时引入边界面理论来实现加载初期超固结土的弹塑性响应。本论文同时提出了新的旋转硬化准则,并满足热力学及临界状态理论要求。建立的模型对不同类型土的常规三轴压缩试验进行模拟,通过对比等向固结和各向异性固结、正常固结和超固结条件下的排水和不排水实验数据,验证了模型的有效性和合理性。本文的主要研究内容和结论如下：(1)根据试验数据研究了临界破坏时屈服面的形状要求,并以修正剑桥模型和α非相关联模型的耗散势函数为基础,提出了考虑屈服面形状特性的耗散势函数,建立了耗散空间内α-β的屈服函数,获得了真实应力空间的屈服面;(2)在a-β模型中引入边界面理论来模拟超固结土加载初期的弹塑性响应;采用可移动映射中心,并通过合理的剪胀公式,实现了强超固结土加载初期的剪胀行为;将塑性模量中的临界状态应力比用虚峰值应力比代替,反映材料的软化行为;(3)在α-β边界面模型中引入旋转硬化机制来,建立了各向异性固结土的本构模型;根据热力学理论要求临界状态时自边界面的旋转角度及其增量必须为0,提出了新的旋转硬化法则;(4)各向异性α-β边界面模型共有9个材料参数,其中M、λ、κ、v、N与修正剑桥模型一致,α和β用于调整屈服面的形状,A0和m用于描述旋转硬化机制,模拟各向同性固结土时A0和m取0;对5种不同类型土在不同固结历史和排水条件下的三轴试验进行模拟,验证了模型能够较好地模拟黏土的力学特性。

关键词：热力学理论超固结黏土等向固结各向异性固结临界状态理论 α-β屈服函数边界面理论旋转硬化法则本构模型

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基于分形理论砂类土抗剪强度的研究

基于分形理论砂类土抗剪强度的研究

作者：杨忠翰东北林业大学

学位级别：硕士

土体的强度决定了地基的稳定性并在工程设计施工中具有重要的理论参考意义。相关学者对土体强度进行了理论与实践研究,认为在某种程度上土体孔隙比的变化是影响其抗剪强度的重要因素之一。随着剪切过程的进行土体孔隙比是不断变化的,但... 详细信息

土体的强度决定了地基的稳定性并在工程设计施工中具有重要的理论参考意义。相关学者对土体强度进行了理论与实践研究,认为在某种程度上土体孔隙比的变化是影响其抗剪强度的重要因素之一。随着剪切过程的进行土体孔隙比是不断变化的,但其土颗粒物理结构是如何变化的尚不明晰。分形理论是一种主要研究自然界中复杂或不规则物体的数学理论方法,分形维数可定量描述砂土土体的内部结构。本文以孔隙比作为为桥梁建立了分形维数与抗剪强度之间的函数关系,即基于分形理论砂类土抗剪强度计算公式。运用室内直剪试验验证本文所推导的砂类土抗剪强度计算公式的可行性,为滑坡的稳定性分析、矿山开采、基坑支护设计及工程防治设计提供了理论参考。本文主要研究内容及成果如下:(1)分形理论是一种主要研究自然界中复杂或不规则物体的数学理论方法,其能很好地描述物体的自相似程度、不规则程度及破碎程度。砂土作为多孔材料且具有随机性与自相似性,可很好地运用分形理论对其进行定量描述。随着剪切过程的进行土体孔隙比是不断变化的,分形维数也随之变化。本文基于分形理论中孔隙数目-尺寸分形模型推导出孔隙比与分形维数之间的函数关系,并基于临界状态理论建立砂类土的抗剪强度与分形维数之间的理论函数关系式,得到砂类土抗剪强度计算公式。为滑坡的稳定性分析、矿山开采、基坑支护设计及工程防治设计提供了理论参考。(2)为验证本文所推导计算公式可行性,本文选取福建标准砂进行室内直剪试验,进行试验前对试验所用到的福建标准砂进行基本物理参数的测量,通过颗粒分析试验绘制颗分曲线经过计算可得到标准砂的分形维数,进一步得到推导公式中的Z1;通过比重试验及相对密度试验可获取标准砂不同粒径的干密度区间;通过固结试验得到不同固结应力与土体分形维数之间的关系,运用函数拟合的方法得到推导公式中λ值。最后通过不同粒径的标准砂进行直剪试验,并对试验数据进行整理分析。(3)将分形维数及标准砂相关物理指标代入到Khalili传统公式和本文所推导的计算公式中,算出两种公式的计算值并与试验实测值进行对比分析。发现传统的Khalili公式与直剪试验实测值相差较大,是因为传统计算公式忽略了孔隙比变化对抗剪强度的影响,而基于分形理论砂类土抗剪强度计算公式的计算值与实测值误差更小,优于传统计算公式。验证了基于分形理论砂类土抗剪强度计算公式的可行性。

关键词：抗剪强度孔隙比分形模型砂土临界状态理论

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泡沫轻质土力学特性及弹塑性本构模型研究

泡沫轻质土力学特性及弹塑性本构模型研究

作者：刘明朋山东大学

学位级别：硕士

山东省约34%的国土面积位于黄河冲积平原,土质以粉土、粉质黏土互层为主,土层深厚、压缩性较大,土体水敏感性强,多属于不良路基填料。大量工程实践表明,该地区修建高速公路极易出现较大的工后沉降、桥头跳车等病害,严重影响交通运营安... 详细信息

山东省约34%的国土面积位于黄河冲积平原,土质以粉土、粉质黏土互层为主,土层深厚、压缩性较大,土体水敏感性强,多属于不良路基填料。大量工程实践表明,该地区修建高速公路极易出现较大的工后沉降、桥头跳车等病害,严重影响交通运营安全。针对黄河冲积平原公路建设常面临的软弱地基与不良路基填料问题,传统地基及路基处理技术对深厚软弱地基的处理效果较差,采用泡沫轻质土作为路基填料则可以有效减小地基的附加应力,控制工后沉降,因而泡沫轻质土路基受到了工程界的广泛关注。近年来,泡沫轻质土在国内外得到了广泛的应用推广。研究表明[1],泡沫轻质土用作路基上层填料时,可形成复合路基结构,有利于改善路面结构受力。泡沫轻质土路基在服役期间会受到复杂的荷载作用,如何合理描述泡沫轻质土在复杂荷载下的力学行为,构建适用的本构模型,成为泡沫轻质土复合路基设计的关键理论问题。目前,国内外学者对于不同应力条件下泡沫轻质土强度与变形特性的研究成果较少,尚未构建出合理的本构模型,限制了其在道路工程中的应用。为合理构建泡沫轻质土的本构模型,本文以粉土泡沫轻质土为测试分析对象,通过试验研究了泡沫轻质土在不同应力条件下的力学行为,揭示了材料的强度和变形特征;基于临界状态土力学理论框架,提出了适用于泡沫轻质土的剪缩性方程与屈服面函数,构建了泡沫轻质土的本构方程,并加以验证分析。本文研究成果可为泡沫轻质土的设计计算及工程应用提供理论基础。取得的主要成果如下:1、泡沫轻质土单轴加载行为测试结果表明:单轴压缩应力-应变曲线具有四阶段的弹塑性特征,包括弹性阶段、脆性破坏阶段、强度稳定阶段以及二次强化阶段;单轴拉伸应力-应变曲线具有典型的脆性破坏特征;泡沫轻质土单轴加卸载试验中的回弹模量随塑性应变的增大而基本保持不变。2、通过三轴试验,研究了泡沫轻质土在三向应力下的力学特征。各向同性应力状态下,超过固体骨架屈服强度后,加载将向内压缩材料的孔隙,进而产生收缩体积变形;三轴剪切试验中,泡沫轻质土的应力-应变曲线呈现出典型的弹塑性特征;随着围压的增大,泡沫轻质土的侧向膨胀被不断限制;在应力作用下,泡沫轻质土中的固体骨架不断被破碎成颗粒材料,破碎后的颗粒材料将不断填充孔隙,泡沫轻质土呈现出体积收缩的现象;随着剪切变形的不断发展,泡沫轻质土趋近于临界状态。3、基于试验发现,可以假定外力对轻质土做功,一部分用于固体胶结料的断裂,一部分散耗在颗粒摩擦中;据此能量损耗特征,推导了轻质土的剪缩方程;考虑单轴压缩、单轴拉伸、静水压缩、以及三轴剪切应力路径,提出了相应的屈服面函数;采用不相关联的流动法则,以塑性体应变为硬化参量,基于临界状态理论构建了泡沫轻质土的本构模型。根据弹性预测-弹塑性判断-塑性修回的计算逻辑,采用向后欧拉算法与牛顿算法编译了本构模型的计算程序。通过与试验数据的对比,验证了理论的可靠性。

关键词：泡沫轻质土强度特征变形特征临界状态理论本构模型