岩土力学 ›› 2021, Vol. 42 ›› Issue (1): 68-76.doi: 10.16285/j.rsm.2020.0610

• 基础理论与实验研究 • 上一篇    下一篇

适用于堆石料的分数阶下加载面模型

李海潮1,马博1,张升1, 2   

  1. 1. 中南大学 土木工程学院,湖南 长沙 410075;2. 中南大学 高速铁路建造技术国家工程实验室,湖南 长沙 410075
  • 收稿日期:2020-05-13 修回日期:2020-09-30 出版日期:2021-01-11 发布日期:2021-01-05
  • 通讯作者: 张升,男,1979年生,博士,教授,主要从事土体本构关系方面的研究。E-mail: zhang-sheng @csu.edu.cn E-mail:haichao821@outlook.com
  • 作者简介:李海潮,男,1991年生,博士研究生,主要从事土体本构关系方面的研究。
  • 基金资助:
    国家自然科学基金优秀青年科学基金项目(No. 51722812);湖湘高层次人才聚集工程(No. 2018RS3016);中南大学研究生科研创新项目(No. 1053320170586);湖南省研究生科研创新项目资助(No. CX20200126)

A fractional sub-loading surface model for rockfill

LI Hai-chao1, MA Bo1, ZHANG Sheng1, 2   

  1. 1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha, Hunan 410075, China; 2. National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction, Changsha, Hunan 410075, China
  • Received:2020-05-13 Revised:2020-09-30 Online:2021-01-11 Published:2021-01-05
  • Supported by:
    This work was supported by the National Science Fund for Distinguished Young Scholars (51722812), the High Level Talents Gathering Project in Hunan Province (2018RS3016), the Postgraduate Scientific Innovation Project of Central South University (1053320170586) and the Postgraduate Scientific Research Innovation Project of Hunan Province (CX20200126).

摘要: 堆石料的应力?应变曲线具有应变硬化和软化的特性,并且体积变形会伴随着剪缩和剪胀现象的发生;此外,应力水平、应力路径和密度等因素均会对堆石料的力学特性产生显著的影响。基于临界状态土力学的理论框架,建立了适用于堆石料的分数阶下加载面模型,该模型为典型的双屈服模型。在平均主应力p?剪应力q平面,剪切过程中堆石料当前应力状态点和参考应力点分别位于下加载面和参考屈服面上,两者之间的相对位置与孔隙比之差? 相关。相比于状态参量?,? 能够额外考虑应力路径对堆石料剪胀特性的影响。新模型的另一个显著特点在于能够考虑堆石料塑性流动方向与加载方向之间的差异性。在不引入塑性势函数的情况下,新模型对屈服函数进行Caputo微分并得到分数阶塑性流动法则,进而统一描述相关联和非相关联的塑性流动法则。新模型具有形式简单且参数较少等优点,所包含的7个材料参数均具有明确的物理意义,并且可以采用常规的室内试验结果进行标定。通过将模型计算结果与Tacheng堆石料在不同初始孔隙比和围压条件下的三轴压缩排水试验结果进行对比分析,结果表明新模型能够准确地描述堆石料的应力?应变曲线和体积变形特点;同时,新模型也能够合理地描述初始孔隙比对堆石料在e-lnp平面(e为孔隙比)临界状态线的影响。

关键词: 堆石料, 分数阶流动法则, 强度, 状态参量, 连续方程

Abstract: The mechanical behaviors of rockfills exhibit strain-softening and dilative features, which is also influenced by the pressure, loading paths and density. In this paper, a new fractional sub-loading surface model for rockfills is proposed based on the critical state mechanism, which is a typical double yield surfaces model. In the p-q plane, the current and reference stress points are located on the sub-loading surface and the reference yield surface, respectively. The relative position between the sub-loading surface and reference yield surface is controlled by the void ratio difference ?. Compared with the state parameter ?, ? is able to account for the effect of loading paths additionally. The proposed model is able to account for the extent between the plastic flow direction and the loading direction without introducing a plastic potential function. A fractional plastic flow rule is developed by applying the Caputo fractional stress operator on the yield function, which provides a unified description for the associated and non-associated plastic flow rules. The formula of the proposed model is quite simple and the included seven model parameters can be determined through laboratory tests conveniently. The model predictions were compared with the drained triaxial test results of Tacheng rockfill under the conditions of various initial void ratios and confining pressures. A good agreement between the model predictions and experimental results is obtained, which indicates that the proposed model is capable of describing the stress-strain curves and deformation features of Tacheng rockfill. In addition, the effect of initial void ratios on the critical state line in the e-lnp plane is also captured by the proposed model.

Key words: rockfill, fractional order flow rule, strength, state parameter, constitutive equations

中图分类号: 

  • TU 411
[1] 晏青, 赵均海, 张常光. 基于统一强度理论的临坡加筋地基极限承载力新解[J]. 岩土力学, 2021, 42(6): 1587-1600.
[2] 孙增春, 郭浩天, 刘汉龙, 吴焕然, 肖杨, . 基于扰动状态概念的饱和黏土热弹塑性本构模型[J]. 岩土力学, 2021, 42(5): 1325-1334.
[3] 平琦, 苏海鹏, 马冬冬, 张号, 张传亮, . 不同高温作用后石灰岩物理与动力特性试验研究[J]. 岩土力学, 2021, 42(4): 932-942.
[4] 余莉, 彭海旺, 李国伟, 张钰, 韩子豪, 祝瀚政. 花岗岩高温−水冷循环作用下的试验研究[J]. 岩土力学, 2021, 42(4): 1025-1035.
[5] 王家辉, 饶锡保, 江洎洧, 姚劲松, 熊诗湖, 卢一为, 李浩民, . 振冲碎石桩复合地基抗剪机制的模型试验研究[J]. 岩土力学, 2021, 42(4): 1095-1103.
[6] 杨爱武, 杨少朋, 郎瑞卿, 陈子荷, . 轻质固化盐渍土三维力学特性研究[J]. 岩土力学, 2021, 42(3): 593-600.
[7] 陈猛, 崔秀文, 颜鑫, 王浩, 王二磊. 岩石−钢纤维混凝土复合层抗压强度预测模型[J]. 岩土力学, 2021, 42(3): 638-646.
[8] 吴俊, 征西遥, 杨爱武, 李延波. 矿渣−粉煤灰基地质聚合物固化淤泥质黏土的抗压强度试验研究[J]. 岩土力学, 2021, 42(3): 647-655.
[9] 任三绍, 张永双, 徐能雄, 吴瑞安, 刘筱怡. 含砾滑带土复活启动强度研究[J]. 岩土力学, 2021, 42(3): 863-873.
[10] 吕亚茹, 王冲, 黄厚旭, 左殿军, . 珊瑚砂细观颗粒结构及破碎特性研究[J]. 岩土力学, 2021, 42(2): 352-360.
[11] 孙壮壮, 马刚, 周伟, 王一涵, 陈远, 肖海斌. 颗粒形状对堆石颗粒破碎强度尺寸效应的影响[J]. 岩土力学, 2021, 42(2): 430-438.
[12] 王本鑫, 金爱兵, 孙浩, 王树亮, . 基于DIC的含不同角度3D打印 粗糙交叉节理试样破裂机制研究[J]. 岩土力学, 2021, 42(2): 439-450.
[13] 卢锋, 仇文革, . 基于能量演化理论的多参数非等比例折减的 安全系数求解方法[J]. 岩土力学, 2021, 42(2): 547-557.
[14] 冯大阔, 张建民, . 法向应力对接触面循环单剪力学特性的影响研究[J]. 岩土力学, 2021, 42(1): 18-26.
[15] 詹良通, 孙倩倩, 郭晓刚, 陈锐, 陈云敏, . 花岗岩风化料弃土快速堆填过程中 不排水抗剪强度评估[J]. 岩土力学, 2021, 42(1): 50-58.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed   
[1] 姚仰平,侯 伟. 土的基本力学特性及其弹塑性描述[J]. , 2009, 30(10): 2881 -2902 .
[2] 徐速超,冯夏庭,陈炳瑞. 矽卡岩单轴循环加卸载试验及声发射特性研究[J]. , 2009, 30(10): 2929 -2934 .
[3] 张力霆,齐清兰,魏静,霍倩,周国斌. 淤填黏土固结过程中孔隙比的变化规律[J]. , 2009, 30(10): 2935 -2939 .
[4] 张其一. 复合加载模式下地基失效机制研究[J]. , 2009, 30(10): 2940 -2944 .
[5] 易 俊,姜永东,鲜学福,罗 云,张 瑜. 声场促进煤层气渗流的应力-温度-渗流压力场的流固动态耦合模型[J]. , 2009, 30(10): 2945 -2949 .
[6] 卢 正,姚海林,骆行文,胡梦玲. 公路交通荷载作用下分层地基的三维动响应分析[J]. , 2009, 30(10): 2965 -2970 .
[7] 孙 勇. 滑坡面下双排抗滑结构的计算方法研究[J]. , 2009, 30(10): 2971 -2977 .
[8] 楚锡华,徐远杰. 基于形状改变比能对M-C准则与 D-P系列准则匹配关系的研究[J]. , 2009, 30(10): 2985 -2990 .
[9] 李 磊,朱 伟 ,林 城,大木宜章. 干湿循环条件下固化污泥的物理稳定性研究[J]. , 2009, 30(10): 3001 -3004 .
[10] 张明义,刘俊伟,于秀霞. 饱和软黏土地基静压管桩承载力时间效应试验研究[J]. , 2009, 30(10): 3005 -3008 .