刘增利[1]2003年在《冻土断裂与损伤行为研究》文中指出冻土作为寒区工程地基基础，其破坏形式与破坏机理研究是冻土力学重要研究领域之一。本文采用断裂力学方法对其破坏进行研究与分析，以期建立一种新的破坏准则-广义强度破坏理论。同时对冻土进行损伤量的细微观测试分析，为采用损伤力学进行冻土破坏机理分析奠定基础。具体研究内容如下： 论文第一章系统的回顾了冻土力学发展的历史，介绍了其发展现状，如土体冻结过程的数值模拟、冻土宏观力学特性研究、工程(应用)冻土力学以及细微观冻土力学的研究等。并简要介绍了断裂力学及损伤力学研究的基本理论及其在材料研究中的应用。 论文第二章为冻土断裂力学的基本理论，包括断裂力学在冻土研究中的工程适用性、条件适用性、平面应变断裂韧度测试的适用条件等，给出了冻土断裂韧度K_(ⅠC)、K_(ⅡC)、Ⅰ-Ⅱ型复合断裂测试的基本原理及试验方法，并基于Weibull脆性破坏理论推导了冻土叁点弯曲试样K_(ⅠC)尺寸效应系数，为后面的工作提供理论基础。 第叁章进行冻土断裂韧度K_(ⅠC)、K_(ⅡC)、Ⅰ-Ⅱ型复合断裂测试及尺寸效应研究，给出了冻土K_(ⅠC)、冻土K_(ⅡC)及冻土与混凝土界面K_(ⅡC)的测试结果，并对测试值与环境温度、含水量、加载速率的关系进行了讨论，给出了相应的数值拟合公式，对Ⅰ-Ⅱ型复合断裂准则进行了研究，给出了椭圆型断裂准则，最后研究了冻土K_(ⅠC)尺寸效应系数。 冻土断裂力学在工程中的应用在第四章中给出，在这章中介绍了冻土断裂破坏的基本准则，以桩基冻拔和挡墙基础的强度与稳定性为例，分别采用现行 大连理工大学博士学位论文方法和冻土断裂力学方法进行研究并进行对比，指出冻土断裂力学方法是对原有方法的补充与完善，表明了冻土断裂力学在工程应用中的有效性。 第五章进行的是冻土损伤力学的测试研究，首先介绍了冻土损伤的动态测试原理与方法，采用附加损伤的概念推导了冻土初始与附加损伤的动态识别模式，随后对冻土单轴压缩过程进行了动态测试，对在这一过程中的内部结构变化特征进行了研究。随后对冻土在单轴压缩过程中的损伤特征进行了讨论，对不同阶段的损伤量给出了计算方法，分别对饱水冻土和未饱水冻土在单轴压缩过程中的损伤量进行了计算。建立了冻土单轴压缩的损伤型本构表达式，给出了冻土单轴压缩下的损伤演化方程，并进行了有效应力的计算。 最后对本文工作进行了总结，分别对冻土断裂力学、损伤力学研究的发展与展望提出了自己的观点与设想，指出将断裂力学、损伤力学引入冻土力学研究至今还仅仅是初步工作，还需要进行大量的研究工作。 本研究属国家自然科学基金《工程地基冻胀破坏机理及冻害预报》(项目批准号:59578039)和《冻土地基广义强度破坏理论及其应用研究》(项目批准号:50278010)的一部分工作，同时还受到中国科学院兰州寒区早区环境与工程研究所冻土工程国家重点试验室开放课题(项目编号:9801和SKLFSE200301)的资助。
王悦东[2]2006年在《冻土非线性断裂破坏的数值模拟与实验研究》文中提出冻土作为国土资源，寒区工程的地基基础及建筑物的低温环境，对其破坏形式与破坏机理的研究始终是冻土力学需要解决的重要课题之一。目前我国寒区工程建设发展迅速，如青藏铁路及南水北调，西气东输等重大工程等，这些重大工程都要穿越多年冻土及季节冻土地段，所以需要解决冻土本身的强度及破坏问题。本文基于冻土体的非线性本质，充分考虑冻土特有的胶结力的作用，充分考虑冻土自身存在的大量缺陷，基于非线性断裂力学理论和损伤力学原理，提出了冻土非线性胶结力断裂破坏模型，然后对表征胶结力裂纹模型的裂纹尖端张开位移表达式及裂纹尖端扩展表达式进行了推导计算，再结合有限元法，提出了一种含有非线性参数的解析法与有限元法相结合的方法，从而发展冻土非线性断裂破坏的基本理论。从理论体系上拓宽冻土力学的新内涵，为冻土工程应用提出更坚实的理论基础。本文研究内容的特点在于：克服了现有强度破坏理论的不足，考虑了冻土的胶结力的作用和冻土自身的缺陷，充分体现了冻土力学特有的问题；克服了线弹性断裂破坏的局限性，充分考虑了冻土体的非线性特征；建立非线性断裂模型和计算方法，可进行断裂过程计算和非线性断裂参量计算。其主要内容如下： 论文第一部分主要介绍了本研究的背景和意义，讨论了冻土力学及断裂力学的基本理论以及冻土断裂力学发展的历史及现状。 论文第二部分首先对冻土微裂纹形貌、演化规律以及微裂纹尺度大小进行了识别与确认，并将主裂纹视为初始裂纹。在载荷的作用下，描述了冻土破坏的演化过程，在初始裂纹前端存在有微裂纹损伤区，并对微裂纹损伤区的大小及形态进行了定性和定量分析，在一定条件下，可将微裂纹损伤区的大小转化为当量裂纹，作为断裂力学中的裂纹扩展量。然后借鉴其它研究工作的基础上，根据实验研究的结果，进行了冻土非线性断裂破坏的特征研究，提出了非线性胶结力裂纹模型，分别讨论了张拉型破坏和压缩破坏的胶结力模型，给出了冻土非线性破坏的过程及特征参数进行定量计算与分析公式，为后面的冻土试样的模拟计算打下基础。 论文第叁章针对胶结力裂纹模型，依据Paris位移公式，分别推导了在均布外力作用下，裂纹面上作用有非线性分布胶结力情况的裂纹尖端张开位移一般公式，由此导出了叁点弯曲梁模型和单轴压缩模型的裂纹尖端张开位移表达式及裂纹扩展位移，为冻土非线性破坏过程及特征参数计算提供依据。 第四章在第二章、第叁章的基础上，分别对叁点弯曲梁模型和有侧限压缩模型进行了数值计算。对叁点弯曲梁模型计算了不同温度下，冻土破坏发展过程曲线，给出不同土质非线性破坏特征值—临界张开位移值，并与实测值相比较，结果显示二者相符。对
孙卓[3]2006年在《冻土断裂力学应力强度因子的数值模拟计算》文中进行了进一步梳理本论文基于冻土断裂力学,有限元分析的基本理论,针对典型的实验室模型——冻土叁点弯曲模型和冻土四点弯曲模型进行了数值模拟计算,主要对冻土的Ⅰ型裂纹的应力强度因子(K_Ⅰ)和Ⅱ型裂纹的应力强度因子(K_Ⅱ)进行数值计算。并且在分析实验室模型的基础上,对实际的工程问题——桩基础冻拔稳定性评价分析,进行了数值模拟计算。 在二维模型中,分别建立了冻土叁点弯曲试样和四点弯曲试样的有限元分析模型。对于叁点弯曲试样,考虑其对称性,建立了对称的二分之一裂纹模型。针对不同的试样尺寸以及不同的试样温度,分别进行数值计算,得到各自的应力强度因子(K_Ⅰ)与不同参数直接的关系。结果与文献中的结论相一致。对于四点弯曲试样,采用了完整的裂纹模型进行数值计算。同样分别计算了不同尺寸以及不同温度的试样,得到了各自的应力强度因子(K_Ⅱ)与不同的参数直接的关系。结果与已有文献中的结果一致。 在叁维模型中,选取已有的测定冻土叁点弯曲试样Ⅰ型断裂韧度K_(IC)的尺寸数据,建立对称的四分之一模型,对试样的临界应力强度因子,即断裂韧度(K_(IC)进行数值模拟计算,并将得到的有限元分析结果与实测的冻土试样的理论断裂韧度相比较。通过这一测试实例,验证了有限元数值模拟方法在求解冻土断裂韧度方面的有效性。 文中对实际的工程问题,通过分析系统的受力情况,将桩基础的冻拔问题转化成为冻土层的(Ⅰ+Ⅱ)复合型的断裂力学问题。以简化的冻土断裂力学模型为依据,建立完整的裂纹模型进行数值计算,与利用理论公式计算分析得到的结果进行了比较。说明了在解决冻土断裂力学的问题中采用有限元数值模拟技术是可行的、有效的,计算结果为建立冻土广义强度理论的进一步研究提供了理论依据。并将对桩基稳定性评价的断裂力学方法与传统的方法进行比较,说明断裂力学方法是传统方法的补充和发展。
刘晓洲[4]2006年在《冻土断裂破坏准则与参数测试及其应用研究》文中进行了进一步梳理冻土作为国土资源,寒区工程的地基基础及建筑物的低温环境,对其破坏形式与破坏机理的研究始终是冻土力学需要解决的重要领域之一。本文从研究冻土发生脆性断裂破坏的条件出发,建立了适用于冻土自身特性的断裂破坏准则。对未扰动的原状冻结粉土和粘土,采用新的试验方法进行了现场断裂韧度测试研究,而后将其结果同室内重塑冻土断裂韧度测试结果相比较,建立了二者之间的关系,这为从室内断裂韧度测试结果推算出现场测试结果做了有益的尝试。同时,还就在冻土试验研究中从未采用过的翼型裂纹试样进行了压裂断裂韧度和压剪断裂韧度测试研究,分别得出了这两种计算模型的断裂韧度值,并分析了两者之间的关系。最后,将断裂破坏准则应用于实际水利工程中,得出了令人满意的计算结果。具体研究内容如下: 论文第一部分主要介绍了本研究的背景和意义,讨论了断裂力学的基本理论和冻土力学以及冻土断裂力学发展的历史及现状。 论文第二部分首先论述了传统冻土强度破坏准则及其存在的局限性,着重分析了断裂力学理论对冻土材料的适用性及适用条件,并给出了冻土断裂破坏准则的一般形式。由于该准则不仅能够解决剪切强度破坏问题,而且还能解决张拉强度破坏和压剪强度破坏问题,因此,该断裂破坏准则是对传统破坏准则的补充和发展。 在应用该冻土断裂破坏准则解决实际问题过程中,材料自身抵抗发生断裂破坏的能力(即材料的断裂韧度)起着决定性的作用,因此,在本文的第叁章主要针对原状冻结粉土和粘土进行了断裂韧度测试研究,并结合原状冻土的特性给出了现场测试的新方法,得出了Ⅰ型、Ⅱ型以及Ⅰ—Ⅱ复合型式下的断裂韧度值,并在相同试验条件下,将室内重塑冻土的测试结果同现场测试所得到的结果进行比较,建立了两者之间的关系,这为冻土断裂破坏准则的应用提供了重要的参数。 由于冻土断裂破坏准则不仅能够解决弯曲断裂破坏Ⅰ型、Ⅱ型问题,而且对冻土压缩断裂破坏Ⅰ型或Ⅰ-Ⅱ型问题也能很好的解决,因此,在本文的第四章通过对翼型斜裂纹这种新型的冻土试样进行了压缩断裂测试,得到了相应的断裂韧度值。通过对应用两种不同计算方法所得到的断裂韧度值的比较,找出了该两种方法之间的规律,丰富了冻土断裂力学的测试研究。 本文的第五章主要是应用前面试验测试结果,针对具体的水利工程实际问题进行了分析和计算,从而进一步证明了该冻土断裂破坏准则不仅能够解决冻土材料本身的破坏问题,而且还能解决以冻土材料为低温环境的建筑物冻害破坏问题。
孙星亮[5]2004年在《冻结粉质粘土细观变形机理及其各向异性损伤模型研究》文中研究说明寒区工程建设的迅速发展,要求我们对冻土的力学特性及变形机理进行更深一层次的研究,以建立有效的本构模型以描述冻土的应力—应变关系。现有大量关于冻土微、细观结构变化的研究成果已经表明:在荷载作用下,冻土体内存在大量微裂纹的萌生和扩展及土颗粒的重新定向现象,前者使冻土有效面积减小,导致承载能力的降低;后者则导致冻土损伤的各向异性,因而采用各向异性损伤理论来研究冻土变形过程是比较恰当的,而且是非常必要的。在试验的基础上分析了冻结粉质粘土的细观变形机理,建立了冻土的各向异性损伤本构模型,主要内容如下: 1、在大量试验基础上,分析了冻结粉质粘土在不同围压、不同温度下应力—应变特性,体应变随轴向应变的变化规律。发现其应力—应变曲线均呈“S”形,相同围压下的应力—应变曲线具有相似性,围压的增大使冻土的塑性变形能力明显增强。蠕变过程中粘塑性变形占主导,因而其叁轴蠕变曲线没有出现渐进流动阶段。 2、冻结粉质粘土的叁轴抗剪强度随温度的降低、围压和应变速率的增大而增大,且与负温的绝对值、围压成线性关系,与应变速率则成指数函数关系。其弹性模量随温度的降低而增大,成线性关系;随应变速率的增大而非线性增大,成指数函数关系;与围压没有明显的相关关系。 3、冻土的叁轴剪切过程中CT图像和CT数变化分析表明:试样在受荷之前,冻土体内已经存在多种形状的孔隙和低密度区,组构单元与矿物颗粒呈无序化分布。在荷载作用下,冻土中矿物颗粒及冰晶的重新排列和定向,制约了冻土的变形和破坏,也导致了冻土力学性能的各向异性。与冻土蠕变过程中的结构变化类似,在剪切变形过程中,同样存在冻土结构的弱化和强化现象。反映冻土颗粒、孔隙胶结冰之间的相对滑移和位错造成的塑性损伤,不能用CT数的变化来计算。 4、依据不可逆热力学理论和基本原理,通过引入考虑静水压力影响的塑性势函数,导出了冻土的弹塑性各向异性损伤的本构方程,提出了基于等效应变能释放率的损伤累积势函数,导出了各向异性损伤演化方程。模型参数试验资料确定,并讨论了模型中参数随冻土温度、围压的变化规律,通过室内试验资料与模型计算结果对比,初步验证了模型的正确性;最后导出了弹塑性各向异性损伤分析的有限元方程。 5、将Perzyna方程引入到冻土的粘塑性分析之中,得到了考虑冻土各向异性损伤的弹
梁承姬, 李洪升, 刘增利, 孙秀堂, 朱元林[6]1998年在《激光散斑法对冻土微裂纹形貌和发展过程的研究》文中进行了进一步梳理将激光散斑法用于冻土材料，得出了裂纹尖端存在一个微裂纹损伤区（或称为断裂过程区）的结论．通过对裂纹尖端一系列散斑图的逐点分析，绘出了微裂纹区随载荷增加而发展的形貌及其全过程，测定了裂纹嘴张开位移的临界值δＣ，从而为冻土材料的宏微观力学行为研究及弹塑性断裂韧度测试分析提供了有效的途径．
贺月香[7]2014年在《土和冻土的动态力学性能及本构模型研究》文中认为以粘性土以及冻土材料为研究对象，进行了粘性土和冻土在冲击荷载作用下的动态本构关系的研究，开展的研究工作和取得的成果如下：首先，进行了粘性土在准静态加载条件下的无侧限抗压试验，获得了粘性土的静态力学参数，以便与动态加载条件下粘性土的试验进行对比。为了获得粘性土在冲击荷载作用下的动态力学性能参数，利用SHPB装置在500~1200s1的应变率范围内，对粘性土进行了动态冲击压缩试验。研究表明：粘性土表现出显着的应变率敏感性。然后，针对粘性土在冲击荷载作用下的本构模型进行研究。从材料弹塑性理论着手，建立了一个粘性土的准静态弹塑性本构方程来描述其力学性能，并运用损伤力学中的微孔洞损伤，对其有效弹性模量进行计算。通过在原有准静态屈服函数中加入应变率效应的影响来得到一个适用于粘性土的动态本构方程。并对其中的微孔洞损伤进行描述并给出损伤演化方程，建立了一个损伤与塑性相耦合的本构方程。最后运用土体的有效应力原理，加入粘性土中的孔隙水压力和孔隙气压力。其次，为了获得冻土材料在冲击荷载作用下的动态力学性能参数，利用SHPB装置在-3℃、-8℃、-13℃、-17℃、-23℃、-28℃六个负温下，在300~1200的应变率范围内，对冻土材料进行了动态冲击压缩试验，得到了冻土材料的应力-应变曲线。研究表明：冻土材料表现出显着的温度敏感性和应变率敏感性。再次，针对冲击荷载作用下冻土的动态力学性能及本构模型展开研究。采用复合材料细观力学中的混合律思想，将冻土材料看做是由土颗粒基体和冰颗粒夹杂组成的两相复合材料，并假设土颗粒和冰颗粒为各向同性且均匀的，对轴向加载情况下的冻土的等效弹性模量和等效泊松比进行了计算。基于材料的弹塑性理论，以修正的Drucker-Prager函数作为屈服函数，构造了一个考虑应变率效应的各向同性强化本构模型用于描述冻土材料的冲击特性。接下来运用损伤力学中的损伤变量来描述冻土材料中微裂纹和微孔洞对冻土动态力学性能的弱化作用，并给出了损伤演化方程。最后，为了验证第叁章和第五章建立的粘性土、冻土在冲击荷载作用下的动态本构模型的有效性，基于第二章、第五章中的粘性土、冻土的SHPB试验，对其本构方程的参数进行确定，并将模型数值计算结果与试验进行对比。
李洪升, 刘增利, 朱元林[8]2002年在《冻土断裂力学在挡墙基础稳定性分析中的应用》文中研究指明讨论了冻土断裂力学在挡墙基础强度及稳定性分析中的应用 ,讨论了实际工程问题的简化方法 ,给出了冻土断裂力学判据 ;给出了应用实例 ,并与传统的强度设计及稳定性问题进行了计算比较 ;指出冻土断裂力学是对传统设计和计算方法的完善和补充 ;讨论了冻土断裂力学在未来工程设计计算中的应用前景及其作用
刘志杰[9]2016年在《冲击加载下冻土的细观本构模型研究》文中研究表明冻土区别于常规融土的本质特征是冰的存在,在不同的工况下冰和未冻水常常会相互转化,导致冰和未冻水的含量发生变化,因此冻土的力学性质也就变得十分复杂,同时动态领域的研究也比静态领域的研究起步晚,所以建立冻土的动态冲击本构模型比较困难,目前对于冻土动态冲击本构模型方面的研究还主要集中在宏观唯象方面。本文采用分离式霍普金森压杆(SHPB),对于粗、中、细、自然级配四种粒径范围土体颗粒在-5℃、-15℃、-25℃叁个温度下冻结而成的冻土试样进行了700/S、900/s、1200/s叁个高应变率加载的动态冲击实验。冻土在受到单轴动态冲击时,应力应变曲线在初始阶段迅速上升至峰值,随后缓慢下降,呈现出明显的脆性特征,先后经历了弹性上升阶段、应变强化阶段、应变软化阶段、破坏阶段。冻土具有明显的应变率效应,加载应变率越大,冻土的峰值应力和终值应变越大。冻土还具有明显的温度效应,冻土的峰值应力随冻结温度的降低而增大。不同粒径冻土在相同冻结温度相同应变率加载下的峰值应力大小有明显差距,大小依次为：细颗粒试样峰值应力最大,其次是中颗粒试样,然后是粗颗粒试样,自然级配冻土试样的应力峰值介于细颗粒试样与中颗粒试样之间。相同应变率加载下的冻土动态冲击应力应变曲线一定会出现汇聚现象,无关冻结温度和粒径大小。本文给出了基于冰颗粒增强的冻土动态冲击细观本构模型,把冻土视为冰相和土相的复合材料,通过假定土相在动态冲击加载下层层破坏,在土相的动弹性模量中引入了应变率项,最终得到了同时包含应变率项和温度项这一符合实际情况的冻土动态冲击细观本构模型。本文给出了塑性和损伤耦合的冻土动态冲击细观本构模型,以Druger-Prager准则为流动法则,基于SHPB实验结果,引入损伤,构建了一个塑性和损伤耦合的动态冲击细观本构模型用于描述冻土材料的动态冲击特性。宏观上,假设冻土材料是一个均匀连续体,而从细观角度来看,冻土材料内部存在大量随机分布的微裂纹和微孔洞。在受到冲击加载时,微裂纹的扩展和微孔洞的坍塌都会引起冻土材料的损伤,本文给出了两种损伤的演化方程。
梁亚武[10]2016年在《青藏铁路冻土路基纵向裂缝形成及演化模拟分析》文中提出伴随着青藏铁路的建设与运营,冻土冷生过程而在冻土路基边坡和顶面产生了大量的纵向裂缝,对路基的稳定和安全造成了严重的影响。目前对于青藏铁路冻土区路基纵向裂缝的研究主要是基于现场监测和调查,定性分析裂缝产生和发生过程,在数值模拟方面借助于传统的有限元方法,从温度、水平位移等几个指标间接分析纵向裂缝产生的机理。但是裂缝是冻土区路基工程中的不连续现象,传统的有限元方法不能较直观、清晰地模拟这种不连续问题。有鉴于此,本文基于扩展有限元法首次对青藏铁路冻土路基纵向裂缝的形成和演化过程进行较为系统的研究,揭示路基纵向裂缝的形成机理,其研究成果对裂缝的预防和整治具有重要的意义。首先根据热力学原理,分别模拟有无阴阳坡效应时路基温度场变化情况,定量分析路基建成后的第一个冻融循环周期内土体在冻结和融化过程中的不同步现象。其次,采用热-力顺序耦合模型,确定初始裂缝产生位置,基于扩展有限元,采用最大正应力损伤准则,模拟了有阴阳坡效应时纵向裂缝发展演化过程。结果表明,除坡脚受应力集中影响出现拉应力区外,路基表面其余位置拉应力区主要出现在融化期,其产生的顺序和时刻受路基表面所接受的热辐射条件影响;在融化期,阳坡坡肩处纵向裂缝演化经历了4个阶段,最终深度达4.5m,而阴坡坡肩纵向裂缝扩展程度低于阳坡坡肩,裂缝的形态整体为垂直向下,局部上出现波动现象,模拟结果与现场较吻合。最后,分析了填料性质、热辐射条件、荷载作用对路基纵向裂缝的发生和扩展过程中的影响。分析结果显示,提高填土的抗拉性能可以效控制裂缝的发展;降低温度场的不对称程度对产生于融化期纵向裂缝的抑制作用有限,且降低温度可能会加剧冻结作用对纵向裂缝的影响;纵向裂缝的扩展程度受荷载作用明显,扩展深度和张开程度均随荷载增加而增加。
参考文献：
[1]. 冻土断裂与损伤行为研究[D]. 刘增利. 大连理工大学. 2003
[2]. 冻土非线性断裂破坏的数值模拟与实验研究[D]. 王悦东. 大连理工大学. 2006
[3]. 冻土断裂力学应力强度因子的数值模拟计算[D]. 孙卓. 大连理工大学. 2006
[4]. 冻土断裂破坏准则与参数测试及其应用研究[D]. 刘晓洲. 大连理工大学. 2006
[5]. 冻结粉质粘土细观变形机理及其各向异性损伤模型研究[D]. 孙星亮. 中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所）. 2004
[6]. 激光散斑法对冻土微裂纹形貌和发展过程的研究[J]. 梁承姬, 李洪升, 刘增利, 孙秀堂, 朱元林. 大连理工大学学报. 1998
[7]. 土和冻土的动态力学性能及本构模型研究[D]. 贺月香. 北京理工大学. 2014
[8]. 冻土断裂力学在挡墙基础稳定性分析中的应用[J]. 李洪升, 刘增利, 朱元林. 岩土工程学报. 2002
[9]. 冲击加载下冻土的细观本构模型研究[D]. 刘志杰. 西南交通大学. 2016
[10]. 青藏铁路冻土路基纵向裂缝形成及演化模拟分析[D]. 梁亚武. 中国矿业大学. 2016