粘性土的动力特性实验及数值模拟

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《粘性土的物理特性》课件

水利工程中的应用
水利枢纽
河道治理
粘性土可以作为水利枢纽的主要填筑材料，具有良好的防渗性能和稳定性。
粘性土可以用于河道治理，提供良好的河床支撑和防洪能力。
水库大坝
利用粘性土制作水库大坝，能够提供较好的承载能力和稳定性，保证水库的正常运行。
环境工程中的应用
土壤改良
粘性土可以用于土壤改良，通过添加有机物质和微生物等措施，
改善土壤结构和肥ห้องสมุดไป่ตู้。
污染治理
利用粘性土的吸附性能，可以用于污染治理，如重金属离子和有机污染物的吸附去除。
生态恢复
粘性土可以用于生态恢复工程，如湿地修复、植被恢复等，提供良好的土壤基础和生态环境。
05
CATALOGUE
粘性土的改良与处理
粘性土的改良方法
物理改良
通过掺入砂、砾石等骨料，改善粘性土的粒径组成和级配，提高
泥炭土
含有大量未分解的有机物，具有特殊的物理和化学性质。
特殊类型的粘性土
如黄土、红土等，具有特殊的成分和性质。
02
CATALOGUE
粘性土的物理性质
颗粒组成与结构
颗粒组成
粘性土由固体颗粒、水和空气组成。固体颗粒包括无机矿物（如粘土矿物、粉粒、砂粒等
）和有机质。
结构特征
粘性土的颗粒排列紧密，形成复杂的结构，影响土的物理和力学性质。
其渗透性和压缩性能。
化学改良
通过添加化学试剂，如水泥、石灰等，改善粘性土的物理和化学
性质，提高其强度和稳定性。
生物改良
通过微生物或酶的作用，改善粘性土的生物活性，提高其工程性
能。
粘性土的处理技术
压实法

土力学-第二章-粘性土的物理化学性质ppt课件

颗粒越细，破键越多，所以比表面越大，表面能就越大。
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33
同晶置换作用
硅氧四面体中的硅原子常为铝或其它低价的阳离子置换；氢氧化铝八面体中的铝原子又常为铁、镁离子所置换，置换后引起电荷的不平衡，在颗粒表面产生了过剩的未饱和负电荷，使粘土颗粒表面带负电。
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34
水化解离作用
22
高岭石
由一个四面体片与一个八面体片重复堆叠而成。称为1:1型结构单位层，也称为二层结构型。
高岭石
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（氢键联结）
高岭石 23
蒙脱石
由两个四面体晶片中间夹一个八面体晶片堆叠而成。称为2:1型结构单位层，亦称为三层结构型。
蒙脱石
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蒙脱石 24
伊利石
伊利石的晶格构造与蒙脱石相似，同属2:1型结构单位层，但在四面体片之间六角形网格眼中央嵌有一个钾离子。
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29
伊利石的的物理性质
伊利石矿物在单位层面之间嵌有带正电荷的钾离子，单位层之间的联结强度介于高岭石和蒙脱石之间，其膨胀性及压缩性也介于高岭石和蒙脱石之间。
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30
第三节粘土颗粒的胶体化学性质
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31
粘土颗粒的粒径非常微小（小于 0.005mm），在介质中具有明显的胶体化学特性（如具有吸附能力），这起源
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11
总结
不同元素的原子通过化学反应构成一种新的物质分子，异性原子之间的联结力称为离子键。
两个同性原子形成同一元素分子的联结力称为共价键。
通过自由电子将原子或离子联结成金属晶格的联结力为金属键。

波浪作用下黏性土海床动力响应数值分析

界条件，采用Ｃｒｒ（９２提出的改进剑桥动力本构模型模拟海床土体。首先通过与有关弹性海床ａｅ等１８）ｔ在波浪荷载作用下力学响应的解析解的对比，在一定程度上验证了有限元模型的合理性。进而通过参数对比研究，讨了波高、探波浪周期、海床土体的渗透系数等因素对于弹塑性黏性土海床力学响应的影响。计算结果表明，在波高较大、周期较短、土的渗透系数较低情况下，容易导致黏性土海床丧失稳定性。关键词：黏性土海床；波浪荷载；有效应力分析；向边界条件；限元法侧有中图分类号：Ｐ５７文献标识码：Ａ文章编号：１７— １４（０００－００－－６２４２１）４－０８－４１－０
Ｃｏａｄｗｔｅｒｌｖｎｎｌｔａｏｕｉｎｏｅａｉｒｏｌｓｉｅｂｄｕｄｒｗａｅｌａｉｇ，ｔｅｐｅｅｔＥｍｏｅａａｉｍｐｒｉｈｔｅｅａｔａａｙｉｌｓｌｔｓｆｒｈｖｏｆｅａｔｓａｅｎｅｖｄｎｅｈｃｏｂｃｏｈｒｓｎｄｌｗｓｖ－Ｆｌｄｔｄｆｓｌａｅｒｔｉｙ．Ｔｅｈｎ，ｔｅｐｒｍｅｒｃｓｕｉｓａｅｃｎｕｔｄｔｘｌｒｈｆｃｆｓｍｅｆｃｏ，ｓｃｖｅｇｔｈａａｔｔｄｅｏｄｃｅｏｅｐｏｅｔｅｅｅｔｏｏａｔｒｉｒｓｕｈａｗａｅｈｉｈ，ｗａｅｐｒｄｓｖｉｅｏａｄｐｒａｉｉｏｆｃｅｔｔｎｅｍｅｌｙｃｅｉｎｃ．ｏｈｙａｃｒｓｏｓｆｅａｔ— ｌｔｌｙｙｓａｅｈｅｃｍｐｔｔｎｌｒｓｔｎｉａｅｔａｂｔｉｅｎｔｅｄｎｍｉｐｎｅｏｌｓｏｐａｉｃａｅｅｄ．Ｔｏｕａｉａｕｓｉｄｃｔｈｔｅｓｃｂｏｅｌ

土动力学实验报告

土动力学实验报告实验报告：土动力学实验引言：土动力学是地震工程的一个重要研究领域，通过对土体在地震荷载作用下的变化和响应进行研究，可以为建筑设计和工程建设提供重要参考依据。

本实验旨在通过模拟地震环境下土体的动力特性，探究土体在地震荷载作用下的变形和破坏行为。

实验目的：1.了解土动力学的基本原理和概念2.学习使用土动力学仪器进行实验操作3.观察土体在地震荷载下的变形和破坏特性实验装置和方法：本实验使用了土动力学实验装置，包括振动模拟装置、土样容器、位移传感器等。

具体实验步骤如下：1.准备土样容器，将实验土样填充到容器中，并按照一定密实度加压。

2.将振动模拟装置固定在土样容器的一个侧面，调整振动模拟装置的频率和幅度。

3.连接位移传感器，测量土样容器在地震荷载下的位移变化。

4.启动振动模拟装置，进行模拟地震荷载下的振动实验。

5.记录土样容器的位移变化，并观察土样的变形和破坏特性。

实验结果：通过实验观察和数据记录，得到了以下实验结果：1.随着振动模拟装置振动频率的增加，土样容器的位移呈现出周期性变化。

在低频率下，土样容器的位移变化较小；而在高频率下，土样容器的位移变化较大。

2.随着振动模拟装置振动幅度的增加，土样容器的位移幅度也增加。

在小振幅下，土样容器的位移变化较小；而在大振幅下，土样容器的位移变化较大。

3.在地震荷载的作用下，土样容器发生了一定程度的变形和破坏。

土样容器上表面出现了裂缝和滑动现象，部分土样颗粒发生松动。

4.土样容器的变形和破坏行为受到土样的密实度和湿度等因素的影响。

密实度较高的土样容器在地震荷载下的变形和破坏较小；湿度较高的土样容器在地震荷载下的变形和破坏较大。

讨论与分析：通过实验结果的观察和分析，我们可以得出以下结论：1.振动频率和振动幅度是影响土样容器位移变化的重要因素。

随着频率和振幅的增加，土样容器位移幅度增大，说明土样对地震荷载的响应较为敏感。

2.土样容器的变形和破坏行为与土样的密实度和湿度密切相关。

泥土的粘性

简单的定义是：泥土的粘性，地基基础规范第4.1.12条规定：淤泥为在静水或缓慢的流水环境中沉积，并经生物化学作用形成，其天然含水量大于液限、天然空隙比大于或等于1.5的粘性土。

当天然含水量大于液限而天然空隙比小于1.5但大于或等于1.0的粘性土或粉土为淤泥质土。

专业的定义：越来越多的理论研究和工程实践表明，动力排水固结法加固淤泥质饱和软粘土地基是行之有效的。

其实质是在淤泥质饱和软粘土层上铺设渗透性能好的素填土或碎石土，在冲击能作用下形成“硬壳层”，该硬壳层充当冲击能量向深部饱和软粘土传播应力的载体，土体中被冲击荷载激发出来的孔隙水沿着布置在软土地基中的空间排水网络排出，土体得以固结，强度提高。

围绕动力排水固结法加固淤泥质饱和软土地基的加固机理和施工工艺这一课题，利用土动力学方面的分析手段进行了如下系统的研究：(1)评价了广西钦州港淤泥质饱和软粘土的工程特性，并对强夯处理前后土的物理力学指标之间的相关关系的变化作了比较。

提出了室内动力固结试验装置的设计思路，并验证了改造后的动力固结装置模拟现场动力排水固结施工的可行性。

在室内试验的基础上，对冲击荷载作用下的饱和软粘土的冲击应力、孔压和变形规律进行了系统的研究，提出了饱和冲击能量、合理冲击击数、冲击遍数、冲击能量大小和施加顺序等施工工艺要素的确定方法。

(2)就排水措施的使用、不同固结状态以及固结围压大小几个方面对原状土样和重塑土样在冲击荷载下的动态响应特性的影响进行室内试验，发现原状土样与重塑土样在动态响应上的异同，指出由于软土具有一定的结构性，不能完全依赖重塑土试验来研究软土的动力特性，但重塑土表现出的一般的规律性对原状土的研究具有重要的参考价值。

(3)通过室内试验的研究发现：淤泥质饱和软粘土在冲击荷载作用下孔隙水压力符合双曲线型发展模式，而轴向变形的发展模式用对数-双曲线型式加以拟合则更趋合理。

并且给出用与切线模量相关的标准确定加工硬化型应力-应变关系曲线的破坏点的方法，提供了利用任意固结度下的应力路径求解不排水抗剪强度的计算公式。

粘性土的实验特性

式中：IL——液性指数，以小数表示； w——土的天然含水率。
液性指数表征了土的天然含水率与界限含水率之间的相对关系，表达了天然土所处的状态。
当w≤wp时，IL≤0，土处于坚硬状态； wp＜w≤wL时，0＜IL≤1.0，土处于可塑状态； wL＜w时，IL＞1.0，土处于流动状态。
液限、液限、塑限联合测定法
液限（WL）——从流动状态转变为可塑状态的界限含水量塑限（Wp）——从可塑状态转变为半固体状态的界限含水量缩限（Ws）——从半固体状态转变为固体状态的界限含水量，即粘性土随着含水量的减小而体积开始不变时的含水量。
2.液、塑限的测定液测定塑限的方法：液、塑限联合测定法。液、塑限联合测定法：塑限－5秒入土2mm时的含水量液限－ 5秒入土17mm时的含水量
粘性土的物理特性
粘性土就是指具有可塑状态性质的土。可塑性：土在外力作用下，可塑成任何形状而不发裂，当外力卸除后仍能保持已有的形状。含水量对粘性土的工程性质有着极大的影响。含水量对粘性土的工程性质有着极大的影响。 1、粘性土的界限含水量、粘性土从一种状态转变为另一种状态的分界含水量称为界限含水量。四种状态：固态半固态可塑状态流动状态
4．测读深度：调整升降座，使锥尖刚好与试样面接触，切断电源使电磁铁失磁，圆锥仪在自重下沉入试样，经5 秒钟后测读圆锥下沉深度。 5．测含水量：取出试样杯，测定试样的含水量。重复以上步骤，测定另两个试样的圆锥下沉深度和含水量。
（五）试验注意事项 1．土样分层装杯时，注意土中不能留有空隙。 2．每种含水量设三个测点，取平均值作为这种含水量所对应土的圆锥入土深度，如三点下沉深度相差太大，则必须重新调试土样。
工程名称试样编号试验日期
试验者计算者校核者

软黏土固结变形特性及数值模拟验证

ｄｆｒｔｎａｄｅｏｕｉｎｌｗｏｏｔｃａｎｔｅｍｏｅｔｓ，ｘｌｉｉｇｓｍｅｓｅｉｌｐｅｏｎｐｅｒｄｉｈｅｏｍａｉｎｖｌｔａｆｓｆｌｙｉｈｄｌｅｔｅｐａｎｎｏｐｃａｈｎｍｅａａｐａｅｎｔｅｏｏ
Ｌ］ａ－ｏｇＷＵＰｎＩｉｎｈｎ．ｅｇ
（ＣＣＷａｒｒｎｐｒｔｎＣｎｕａｔＣ．Ｌｄ，ｅｉｇ１００，ｈｎ）ＣＣｔａｓｏｔｉｏｓｌｎｓｏｔ．Ｂｉｎ００７ＣｉｅＴａｏｔ，ｊａ
ｔｓ，ａｄｄｅｏｉｎｆｃｎｏｃｕｉｎ．Ｉｈｏｒｅｏｈｏｓｌａｉｎｄｆｒｔｎｕｏｔｅｓｅｉｌｅｔｎｒｗｓｍｅｓｇｉａｔｃｎｌｓｏｓｎｔｅｅｎｓｆｔｅｃｎｏｉｔｅｏｍａｉ，ｄｅｔｈｐｃａｉｄｏｏｍｅｈｎｃｌｒｐｒｆｈａｓｆｃａ，ｈｌｙｂｄｅｏｓｄｎｅｎｅｓｒａｃｍｐｎｉｇｔｅｓｅａｅａｄｉｃａｉａｏｅｔｏｒ－ｏｔｌｙｔｅｃａｏｙｂｃｍｅｅｓｒａｄｄｎｅｃｏａｙｎｈｅｐｇ，ｎｐｙｕｔ
ｂｃｍｅｍｏｅｎｍｏｅｉｉｕｔｏｅｐｅｏｓｒａｄｒｄｆｃｌｔｓｅｗｈｎｔｕｎｓｅｓｒｗｈｃａｐａｓｄｆｅｅｃｎｓｌｄｔｏｅｉｔｒｄｎｅ，ｉｈｐｅｒａｉｆｒｎｔｏｏｉａｉｎ

黏弹性流体运动特性数值模拟

黏弹性流体运动特性数值模拟黏弹性流体是指既有粘性又有弹性的流体。

它们的运动特性是非常复杂的，因为它们同时受到粘性和弹性的影响。

黏弹性流体的研究在各个领域都非常重要，比如食品加工、药物制备、航空航天等。

为了研究这种复杂的流体运动特性，数值模拟是一种非常有效的方法。

数值模拟的基本原理是根据偏微分方程和边界条件，将流体的运动过程分段离散化，最后得到整个系统的稳定解。

对于黏弹性流体的数值模拟，需要采用比传统的流体表征方法复杂得多的数学模型，同时需要考虑精度、运算速度和计算量的平衡问题。

黏性流体的数值模拟对于纯粘性流体，其运动特性可以通过纳维-斯托克斯方程组来描述。

对于黏性流体，我们需要对其进行粘弹性的扩展，来加入弹性特性。

比如在食品行业，豆浆和酸奶等材料具有黏弹性特性，它们的流动行为无法完全通过纯粘性模型来描述。

在数值模拟中，黏弹性流体的模型可以通过广义麦克斯韦模型（Generalized Maxwell Model）来表示。

这种模型通过线性组合多个弹性体系的弹簧和粘滞元素，来对复杂的流体动力学进行描述。

模型的参数可以通过实验得到，然后通过数值方法进行计算。

弹性体系的弹簧和粘滞元素分别表示流体的弹性和黏性特性。

模型中的常数称为弹簧常数和粘滞系数，用来描述流体沿着时间方向的历史依赖性。

可以使用有限元方法等数值算法来求解黏弹性流体的模型。

黏弹性流体的计算流体动力学模拟计算流体动力学（CFD）是数值模拟中的一种方法，用来模拟流体流动和热传输等物理过程，它可以非常准确地模拟黏弹性流体。

在CFD模拟中，可以采用有限体积法、有限元法、谱方法等数值算法来求解宏观流体的物理量，比如速度、压力、密度等。

在黏弹性流体的CFD模拟中，需要建立黏弹性模型，来描述复杂的流动特性。

目前常用的黏弹性模型有Maxwell模型、Kelvin模型等，其中Maxwell模型被广泛应用于食品和医药制品的研究中。

模型中的参数可以通过实验得到，然后通过数值方法进行计算，这样可以更加准确地预测流体的运动特性。

压实粘性土动态力学性能的SHPB试验

压实粘性土动态力学性能的SHPB试验刘俊新;陈忠富;徐伟芳;何鹏【摘要】Because of soils' low wave velocity and impedance and large deformation, it is unable to obtain their reliable and accurate dynamic stress-strain curves with a conventional SHPB(split Hopkinson pressure bar) experimental device. To investigate the compressive mechanic properties of compacted clays under strain rates varying from 600 to 2 500 s-1, compacted clay specimens were subjected to axial impact with different projectile speeds by using the improved SHPB with a diameter of 25 mm made of polycarbonate and a small pellet of vacuum seal cement as pulse shaper, and the validity of the experiment was discussed by considering the stress equilibrium and constant strain rate. The results show that the polycarbonate SHPB device can be used to the dynamic experiment of compacted clays, the dynamic stress and strain of a compacted clay are sensitive to strain rate, and the relationship between dynamic stress and strain rate may be expressed by an exponential function.%为解决因土体波阻抗及波速较低且变形较大,采用传统的分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验装置不能准确获得土体的动态应力-应变曲线的问题,采用直径25 mm的聚碳酸脂SHPB 实验装置和真空封泥小球丸作为波形整形器,以不同的轴向速度撞击试件,测试试件在应变率600 ～2 500 s-1之间的动态力学性能,并通过应力平衡和常应变率分析对试验结果的有效性进行了讨论.结果表明:用聚碳酸脂SHPB装置对压实粘性土进行动态试验是可行的；土体的动态应力与应变具有显著的应变率效应,动态应力与应变率成指数关系.【期刊名称】《西南交通大学学报》【年(卷),期】2011(046)006【总页数】6页(P960-965)【关键词】聚碳酸脂;压实粘性土;波形整形技术;高应变率;动态力学性能【作者】刘俊新;陈忠富;徐伟芳;何鹏【作者单位】中国工程物理研究院总体工程研究所,四川绵阳621900;西南科技大学土木工程与建筑学院,四川绵阳621010;中国工程物理研究院总体工程研究所,四川绵阳621900;中国工程物理研究院总体工程研究所,四川绵阳621900;中国工程物理研究院总体工程研究所,四川绵阳621900【正文语种】中文【中图分类】TU411.8钻地武器，是指携带钻地弹头(侵彻战斗部)能够钻入地下目标深层后再引爆的精确制导武器.由于钻地武器钻入地下目标过程中或钻入目标内部后延时爆炸，都涉及到对目标组成部分在冲击荷载作用下的动力响应问题.这些目标主要由岩土介质和混凝土组成，包括压实粘土.因此，压实粘土在冲击荷载作用下的动力响应是防护工程和武器设计中一个相对热门的课题.目前，材料动载特性研究的理想设备主要是分离式Hopkinson压杆(SHPB).与硬质材料不同，对于软质材料，如土和塑料泡沫等，由于其波阻抗和波速较低，且变形较大，采用传统的SHPB实验装置已不能准确地获得可靠的动态应力-应变曲线.为确保这类材料SHPB实验结果的有效性和精度，从而得出正确的结论，必须对现有的SHPB实验装置进行改进.根据SHPB实验装置的原理以及应力波理论，解决这个问题通常有2种方法:一种是减小透射杆的横截面积或弹性模量，或者两者同时减小.例如胡时胜等利用铝杆，并采用灵敏度系数较高的半导体应变片代替电阻应变片测试泡沫铝的动态力学性能[1］;又如W.Chen等利用空心铝质透射杆测量低阻抗材料的应力-应变曲线[2］.另一种是直接选用与试件波阻抗相近的非金属材料(如尼龙、有机玻璃、聚碳酸酯(简称PC)等聚合物材料)作为透射杆[3］，以有效地增大透射波信号.如谢若泽等用PC 杆对泡沫铝合金的动态力学性能进行研究[4］.目前对于土体动态力学性能的研究主要集中在较低的应变率范围[5-9］，而较高应变率下土体动态力学性能的研究只有零星的报导.如Screwvala通过弹道摆法试验，发现土对加载应变率的依赖性，其应变率介于 15 ～ 23 s－1之间[10］;Young 和Japp通过双端口高速液压测试仪研究了应变率在1～20 s－1之间时土的应力-应变关系，结果显示动态强度与应变率的常用对数成线性关系[11］.我国学者皮爱如、李小雷等利用SHPB装置研究了土体的动态力学性能，结果表明土体具有明显的应变率效应[12-13］.本文中试验土样为西南红层泥岩粉碎土，采用特制钢质模具压制而成，用PC杆SHPB装置对压实粘性土(干密度 2.02 g/cm3，含水量 12.54%，压实度100%)进行了单轴压缩动态试验，并对试验结果的有效性进行了讨论，在此基础上对压实粘性土的动态压缩力学性能进行了研究，其成果对研究武器触地侵彻过程中弹头强度和刚度、炸药的安定性等问题以及战斗部入地后的爆炸破坏效应具有重要意义.1 SHPB实验装置1.1 实验系统及原理动态试验采用直径为φ25的聚碳酸脂SHPB装置，波导杆的弹性模量为2.379 GPa，密度为1.18 t/m3，弹性波波速为 1 420 m/s，弹性极限为50 MPa.子弹长0.3 m，波导杆杆长为 1.0 m.应变片贴于距离试件0.5 m处，每处对称贴2个应变片，桥路为1/4桥，取2个应变片的平均值作为计算值.除波导杆外，系统还包括空气炮发射机构、激光片光源测速系统和软回收装置等.采用一维应力假定和均匀性假定，利用测试得到的反射脉冲εr和透射脉冲εt，采用两波法(试件两端处于应力平衡状态)，由式(1)～(3)得到试件的应变率˙εs，应变εs和应力σs与时间的关系，进而得到材料在各应变率下的应力-应变关系:式中:c为压杆的弹性波速，m/s;ls为试件的初始长度，m;E为压杆的弹性模量，Pa;A为压杆的横截面积，m2;As为试件的横截面积，m2.1.2 波形整形由于压实粘性土的波速低且具有较大的变形能力，因此，为保证试件恒应变率变形、应力均匀以及增加脉冲宽度的需要，采用了脉冲整形技术.采用的整形方法与文献[4］相同，即用手戳成的真空封泥小球丸作为整形器，其大小为不影响入射波和反射波的分离，直径一般为2～3 mm.1.3 实验装置有效性的验证为保证SHPB实验装置的有效性，必须满足试件两端应力平衡和常应变率加载.同时考虑到PC杆为粘弹性杆，按文献[14］的方法对波形进行了修正，对修正后的典型试验曲线进行了应力平衡和常应变率分析(图1).从图1可见:修正后的试验曲线基本满足应力平衡和常应变率加载条件;透射波电压信号达到最大值后，随入射波和反射波的减小同步减小，而反射波电压信号并没有反向.根据SHPB实验装置的原理可知，反射波代表应变率的变化，透射波代表作用在试件两端应力的变化，说明在应变增大的同时，由于应变率减小，导致应力减小. 图1 试件典型曲线的应力平衡和常应变率分析(撞击速度15.1 m/s)Fig.1 Typical curves of stress equilibrium and constant rate analyses at a projectile velocity of 15.1 m/s2 试验结果及分析考虑到PC杆为粘弹性杆，按文献[14］的方法对透射波进行修正，图2为修正后的应力-应变曲线.图2 压实粘性土的动态应力-应变曲线Fig.2 Dynamic stress-strain curves of compacted clay under different strain rates从图2可知，压实粘性土的应力-应变曲线表现出明显的“四阶段”特征，即弹性段、屈服平台段、致密段以及由于应变率降低引起的卸载段.应力-应变曲线从弹性段到屈服平台段时，出现峰值跳跃现象，这是由于土体颗粒从静止状态转变为运动状态，颗粒之间的摩擦由静摩擦变为动摩擦(动摩擦因子小于静摩擦因子)，同时也需要克服颗粒之间的粘聚力.从图2还可以看到，随着应变率增大，压实粘性土的动态应力和可压缩变形均大大提高，说明随应变率的增大，应力强化效应不断增强.根据文献[15］，主要原因有:(1)在冲击荷载作用下，由于材料的惯性作用，限制了试件侧向应变的发展，并且限制作用随应变率的提高而增强.这种紧箍作用使试件近似处于被动围压状态，从而使其动态应力随应变率增大而增大.(2)土体由大量颗粒组成，颗粒之间的接触面为潜在破坏面，与准静态试验不同，在SHPB试验中，滑动面没有足够的时间沿与试件最大主应力作用面成45°+φ/2的弱面扩展.试件中产生运动、破坏的颗粒数目随应变率增大而增加，相应地能量需求也随之增大.由于冲击荷载作用的时间往往极短，试件没有足够的时间用于能量分配和耗散，根据冲量定理，试件只有通过提高应力的办法来平衡外部的冲量，因而动态应力将随应变率的增大而增大.(3)由于试件本身的压密作用，导致其摩擦角和粘聚力提高.(4)由于试件的动态强度随应变率的增大而增大，因此试件抵抗变形的能力也增强.此外，试件破坏需要一定的时间积累，而应变率越高，撞击速度越大，这也是导致动态变形能力随应变率增大的原因.为研究土体的应变率效应，对屈服应力、应变为10%，20%的应力和卸载前的峰值应力随应变率的变化进行了分析，结果见图3～5和表1.动态应力与应变率的关系用式 (4)拟合，可见，拟合参数随应变率的增大呈显出减小的趋势.图3 屈服应力随应变率的变化Fig.3 The yield stress of compacted clayvs.strain rate图4 应力与应变率关系的拟合曲线Fig.4 The fitting curves of stress and strain rate图5 卸载前峰值应力随应变率的变化Fig.5 The peak stress of compacted clay vs.strain rate before unloading图6 比能量吸收随应变率的变化Fig.6 Specific energy absorption of compacted clay vs.strain rate式中:σd为动态应力，MPa;为应变率，1/s;A为拟合参数，MPa;B为拟合参数，1/s.同时，采用比能量吸收(eea)来表征试件的变形性[16］.其物理意义是单位体积试件吸收的应力波能量的大小，可表示为:式中:eea为比能量吸收，J/cm3;t0和εi(t)分别为卸载前时刻和入射脉冲应变.从图6可知，能量吸收能力具有显著的应变率相关性——随应变率的提高，比能量吸收呈指数关系增大，拟合公式见式(6)，拟合参数见表1.式中:C为拟合参数，J/cm3;D为拟合参数，1/s.表1 拟合参数Tab.1 Fitting parameters in equations(4)and(6)3 结论利用改进的聚碳酸脂SHPB装置对压实粘性土的动态力学性能进行了试验研究，结果表明:(1)用聚碳酸脂SHPB装置对压实粘性土进行动态试验是可行的.(2)压实粘性土的动态应力-应变曲线从弹性段到屈服平台段时，出现峰值跳跃现象，这是由于土体的颗粒从静止状态转为运动状态，颗粒之间的摩擦由静摩擦变为动摩擦(动摩擦因子小于静摩擦因子)，同时也需要克服颗粒之间的粘聚力.(3)压实粘性土的动态应力与应变均表现出显著的应变率效应，动态应力随应变率增大呈指数关系增大，拟合参数随应变率增大呈现出减小的趋势.(4)压实粘性土的能量吸收能力具有显著的应变率相关性，随应变率增大而呈指数关系增大.传统的理论分析认为应力减小主要是由于:(1)应变减小导致卸载;(2)应变持续增大，使应力超过材料的强度，从而导致材料发生软化.而对应变率减小(并没有反向，意味着应变是持续增大的)而导致的应力卸载却未见相关报导，因此，与此相关的理论有待进一步完善.参考文献:【相关文献】[1]胡时胜，王悟，潘艺，等.泡沫材料的应变率效应[J］.爆炸与冲击，2003，23(1):13-18.HU Shisheng，WANG Wu，PAN Yi，et al.Strain rate effect on the properties of foam materials[J］.Explosion and Shock Waves，2003，23(1):13-18.[2]CHEN W， ZHANG B， FORRESTALMJ. Split Hopkinson bar techniques for low impedance materials[J］.Experimental Mechanics，1999，39(1):81-85.[3]ZHAO H，GRAY G，KLEPACZKO J R.On the use of a visco-elastic splitHopkinson pressure bar[J］.International JournalofImpactEngineering，1997，19(4):319-330. [4]谢若泽，卢子兴，陈成军，等.聚碳酸脂SHPB系统测量泡沫铝合金动态压缩性能力[J］.航空学报，2009，30(8):1435-1439.XIE Ruoze， LU Zixing， CHEN Chengjun， etal.Measurementofdynamic compressive behaviorof aluminum-alloy foams by polycarbonate SHPB system[J］.Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2009，30(8):1435-1439.[5]OLSON R E，KANE H.Dynamic Shearing properties of compacted clay at high pressure[C］∥ Proceedings of the Sixth International Conference on Soi l Mechanics and Foundation Engineering.Montreal:University of Toronto Press，1965:328-332.[6]OLSON R E， PAROLA JF. 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Albuquerque， NM:University of New Mexico Press，1967:183-188.[12]皮爱如，沈兆武，王肖钧.土壤冲击特性的实验研究[J］.振动与冲击，2003，22(3):28-31.PI Airu，SHEN Zhaowu，WANG Xiaojun.Experimental study of impact characteristic ofsoil[J］.Journal of Vibration and Shock，2003，22(3):28-31.[13]李小雷，张振宇，卢芳云.土的动态性能实验研究[J］.实验技术与实验机，2006(2):22-25.LI Xiaolei，ZHANG Zhenyu，LU Fangyun.Study on the dynamic characteristic of asoil[J］.Test Technology and Machine，2006(2):22-25.[14]刘孝敏，胡时胜，陈智.粘弹性Hopkisnon压杆中波的衰减和弥散[J］.固体力学学报，2002，23(1):81-86.LIU Xiaomin，HU Shisheng，CHEN Zhi.The wave propagation attenuation and dispersion in a viscoelastic Hopkinson pressure bar[J］.Acta Mechanic Solida Sinica，2002，23(1):81-86.[15]刘军忠，许金余，吕晓聪，等.冲击压缩荷载下角闪岩的动态力学性能实验研究[J］.岩石力学与工程学报，2009，28(10):2113-2120.LIU Junzhong， XU Jinyu， LU Xiaocong， etal.Experimental study on dynamic mechanical properties of amphibolites under impact compressive loading[J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(10):2113-2120.[16]余同希，卢国兴.材料与结构的能量吸收:耐撞性、包装、安全防护[M］.北京:化学工业出版社，2006:209-212.。

粘性流体动力学的数值模拟与分析

粘性流体动力学的数值模拟与分析粘性流体动力学是涉及流体运动和其内部粘性的物理学领域。

在许多工程和科学领域中，对粘性流体的数值模拟与分析具有重要意义。

本文将介绍粘性流体动力学数值模拟的基本原理、常用数值方法以及分析结果的评估。

一、粘性流体动力学的基本原理粘性流体动力学研究的基础是纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes equations），它描述了粘性流体的流动。

纳维-斯托克斯方程由连续性方程和动量方程组成，在实际计算中，还需要考虑能量方程和相对运动的边界条件。

二、粘性流体动力学数值模拟的方法1. 有限差分法（Finite Difference Method）：有限差分法是最早被应用到计算流体力学的数值方法之一，它通过将连续性方程和动量方程分别离散化，将微分方程转化为差分方程，进而使用差分方程进行数值计算。

2. 有限体积法（Finite Volume Method）：有限体积法将流体域划分为小的控制体积，通过积分的方式得到物理方程的离散形式，然后通过迭代求解差分方程，得到流体的数值解。

3. 有限元法（Finite Element Method）：有限元法通常用于解决边界复杂的流体问题。

它将流体问题转化为边界值问题，并将流体区域离散化为无数小的单元，通过有限元方法求解流体的数值解。

4. 计算流体动力学方法（Computational Fluid Dynamics, CFD）：CFD是一种基于数值模拟的流体力学方法，通过将流体域划分为网格，将纳维尔-斯托克斯方程离散化数值求解，模拟流体在不同条件下的行为。

三、粘性流体动力学数值模拟的分析1. 利用数值模拟可以得到流体在不同条件下的速度场、压力场等相关参数。

通过分析这些数据，可以对流体的流动行为进行定量描述。

2. 可以通过数值模拟分析流体的粘性特性和流动特性，包括流体的粘滞性、阻力、湍流等。

这些分析结果对于工程设计和优化具有重要指导意义。

3. 数值模拟还可以用于研究流体流动中的复杂现象，如乱流、湍流、涡旋等。

饱和粘性土的动强度试验研究

饱和粘性土的动强度试验研究1张茹，费文平，马亢四川大学水利水电学院，成都 (610065)E-mail ：zru@摘要：对水牛家心墙防渗料进行了动强度的试验研究，结果表明：动剪应力比R σ较其它心墙土石坝（如瀑布沟、大桥水库、硗碛）的结果偏低，认为制样控制干密度ρd 较小是最主要因素。

虽然水牛家心墙料的动剪应力比R σ值偏低，但仍然大于0.2，所以还是有较好的动强度特性。

但因其最大干密度ρdmax 不高，导致制样干密度ρd 也不高，所以应切实保证其压实度。

围压力对动剪应力比R σ的影响不大。

动剪强度曲线和总剪强度曲线都表现出良好的线性关系。

静剪应力比α（或固结主应力比K c ）较大时，动抗剪强度也较大；随着特征周次的增大，动摩擦角1d ϕ（动剪强度曲线的斜率）和2d ϕ（总剪强度曲线的斜率）都有减小趋势。

关键词：饱和粘性土；动剪应力比；压实度；动摩擦角1．引言人们对土的动强度的认识是不断变化和发展的，严格地讲，关于土动强度的研究，迄今还不完善。

汪闻韶将动力荷载分为冲击和循环两大类，详细论述了动力作用下土的强度问题[1]。

现今一般定义土的动强度为一定振次N f (一定时间)下，使土体达到某一破坏标准所需的动应力幅值。

因此土的动强度与振次和破坏标准密切相关。

破坏标准有孔压和变形两类：孔压标准又有极限平衡标准u d =u cr （u cr 为临界孔隙水压力）和液化标准u d =σ3c 两种，变形标准可根据实际工程设计的需要选用2.5％、5.0％或10.0％。

此处关于破坏应变的概念具有两方面的含义：一是试样达到真正破坏相应的应变；一是工程对象所能允许经受的破坏应变。

前者从研究土性的变化出发，后者从研究工程对象稳定性出发。

当然土性达到破坏时，由它做成的构筑物或地基自然发生破坏，所以上述两种含义基本一致。

但土在各向不等压固结情况下受动荷作用时，变形常连续增长，而土体并无明显破坏情况。

此时，为了在设计上合理采用动强度指标，最好将二者联系起来确定不同建筑物设计时应该取用的破坏应变标准[2-3]。

岩土工程中的黏性土体数值模拟与分析

岩土工程中的黏性土体数值模拟与分析岩土工程中的黏性土体数值模拟与分析是一个重要的研究方向。

黏性土是一种具有较高黏聚力和塑性指数的土壤，在各类土壤中占有重要地位。

如何准确地模拟和分析黏性土体的力学行为，对于确保工程的安全性和可靠性具有重要的意义。

本文将介绍黏性土体数值模拟与分析的相关内容，包括数值模拟方法、模型建立与参数确定、验算与分析等。

一、数值模拟方法黏性土体的数值模拟常常使用有限元法。

有限元法是一种离散化的数值方法，通过将连续介质离散为有限数量的单元，来近似描述土体的力学行为。

在黏性土体数值模拟中，有限元法能够给出较为准确的应力和位移分布，帮助工程师深入了解土体的力学特性。

二、模型建立与参数确定在进行黏性土体数值模拟时，需要建立相应的模型。

模型建立主要包括几何模型和材料模型两个方面。

几何模型的建立是指对土体实际几何形状的描述。

通常采用三维模型来描述黏性土体的力学行为，可以通过CAD软件进行建模，并导入有限元分析软件中进行数值模拟。

材料模型的建立是指选择适当的材料模型来描述黏性土体的力学性质。

黏性土体的力学特性具有非线性和各向异性等特点，常用的材料模型有Mohr-Coulomb模型、Drucker-Prager模型等。

在选择材料模型时，要根据实际工程情况和试验数据进行合理的判断和选择。

参数确定是指确定材料模型中的各项参数。

参数的确定通常需要依据试验数据和经验公式，以及通过灵敏度分析等方法来进行。

三、验算与分析进行黏性土体数值模拟后，需要对模拟结果进行验算与分析。

验算与分析是通过与实际工程情况进行对比，来验证数值模拟的准确性和可靠性。

常用的验算与分析方法包括与现场实测数据对比、与经验公式对比、与其他数值模拟结果对比等。

通过对比分析，可以评估数值模拟结果的合理性，并进行相应的调整和优化。

此外，还需要对黏性土体的力学特性进行深入的分析。

通过分析黏性土体的变形特性、破坏机理等，可以为岩土工程的设计和施工提供科学依据。

土壤黏度实验报告

一、实验目的通过本实验，了解土壤黏度的概念、测量方法及其影响因素，掌握测定土壤黏度的实验操作技能，为后续土壤学相关研究奠定基础。

二、实验原理土壤黏度是指土壤颗粒在水中悬浮时，阻碍其相对流动的特性。

土壤黏度的大小与土壤质地、有机质含量、土壤结构等因素密切相关。

本实验采用旋转黏度计测定土壤的黏度，通过测量土壤颗粒在水中悬浮时的旋转阻力，计算出土壤的黏度值。

三、实验材料与仪器1. 实验材料：土壤样品、蒸馏水、滤纸、天平、旋转黏度计等。

2. 实验仪器：旋转黏度计、烘箱、研钵、漏斗、量筒、移液管等。

四、实验步骤1. 准备工作：将土壤样品风干，去除杂质，过筛，研磨成粉末，称取适量（约10g）备用。

2. 溶液制备：将土壤粉末加入一定量的蒸馏水中，搅拌均匀，静置24小时，使土壤颗粒充分分散。

3. 仪器校准：按照旋转黏度计的使用说明书进行校准。

4. 测量黏度：将溶液注入旋转黏度计的测量杯中，设定合适的转速，启动仪器，记录黏度值。

5. 重复实验：对同一土壤样品进行多次测量，取平均值作为最终结果。

五、实验结果与分析1. 实验数据土壤样品编号 | 土壤黏度（mPa·s）--------------|----------------1 | 1.252 | 1.353 | 1.454 | 1.555 | 1.652. 结果分析根据实验数据，可以看出土壤样品的黏度随着样品编号的增加而逐渐增大。

这可能是由于土壤质地、有机质含量等因素的影响。

土壤质地越细，有机质含量越高，土壤黏度越大。

六、实验结论1. 土壤黏度是土壤物理性质的一个重要指标，对土壤的渗透性、水分保持能力等具有显著影响。

2. 通过旋转黏度计可以有效地测定土壤的黏度，为土壤学研究提供实验数据。

3. 本实验结果表明，土壤黏度与土壤质地、有机质含量等因素密切相关。

七、实验注意事项1. 实验过程中，注意保持仪器清洁，避免污染。

2. 在制备溶液时，要充分搅拌，使土壤颗粒充分分散。

土力学实验报告

土力学实验报告一、实验目的。

本实验旨在通过对土壤样本进行不同条件下的力学性质测试，从而掌握土壤的力学特性，为土木工程设计和施工提供依据。

二、实验原理。

土力学是研究土壤受力及变形规律的学科，通过实验可以获取土壤的强度、变形特性等参数。

本实验主要涉及三个方面的内容，一是土壤的抗剪强度，二是土壤的压缩特性，三是土壤的渗透特性。

三、实验材料与设备。

1. 实验材料，本实验使用的土壤样本为黏土和砂土。

2. 实验设备，包括直剪仪、压缩仪、渗透仪等。

四、实验内容与步骤。

1. 土壤抗剪强度测试，首先，取一定量的土壤样本，放入直剪仪中，施加不同的剪切荷载，记录土壤的抗剪强度参数。

2. 土壤压缩特性测试，将土壤样本放入压缩仪中，施加垂直荷载，观察土壤的压缩变形规律，获取土壤的压缩特性参数。

3. 土壤渗透特性测试，利用渗透仪对土壤进行渗透试验，测定土壤的渗透系数等参数。

五、实验结果与分析。

通过实验测试，我们得到了土壤样本的抗剪强度、压缩特性和渗透特性参数。

通过对这些参数的分析，可以得出土壤的力学性质，为工程设计和施工提供参考依据。

六、实验结论。

1. 土壤抗剪强度与剪切荷载呈正相关关系，不同类型的土壤具有不同的抗剪强度。

2. 土壤的压缩特性与垂直荷载呈正相关关系，土壤的压缩系数与土壤类型、含水量等因素有关。

3. 土壤的渗透特性与渗透试验条件、土壤类型等因素密切相关，不同土壤的渗透系数存在差异。

七、实验注意事项。

1. 在进行土壤抗剪强度测试时，要保证土壤样本的充分密实，避免空隙对测试结果的影响。

2. 在进行土壤压缩特性测试时，要注意控制压缩速率，避免过快或过慢导致测试结果的失真。

3. 在进行土壤渗透特性测试时，要保证渗透试验装置的密封性，避免外界因素对测试结果的干扰。

八、实验总结。

通过本次土力学实验，我们深入了解了土壤的力学性质，掌握了土壤力学参数的测试方法和分析技巧，这对于土木工程的设计和施工具有重要意义。

以上就是本次土力学实验的报告内容，希望对大家有所帮助。

土和冻土的动态力学性能及本构模型研究

土和冻土的动态力学性能及本构模型研究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：粘性土表现出显著的应变率敏感性。

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：冻土材料表现出显著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。

粘性土的动力特性实验及数值模拟

粘性土的动力特性实验及数值模拟戴文亭,陈星,张弘强吉林大学交通学院,长春 130025摘要:使用产自日本的DT C-306型多功能电液伺服动态三轴仪,对粉质粘土进行动三轴试验。

在试验提供的各种参数和数据的基础上,利用有限元程序A BA Q U S 建立动三轴试件的三维有限元模型,模拟在循环荷载作用下粉质粘土的动力变形特性;并通过与动三轴试验相关数据的大量对比分析,验证了模型的可靠性。

然后在建立的三维有限元模型的基础上,进一步用数值模拟的方法研究了土体动力变形与各影响因素间的关系,得出如下结论:初始弹性模量、阻尼系数、受荷形式对土的塑性变形影响最大,应力幅值、围压、频率、加荷周数次之,加载波形的影响最小,不同波形对塑性变形的影响取决于荷载最大值时历时的长短。

有限元数值模拟方法在一定程度上可以替代动三轴实验。

关键词:动三轴;循环荷载;动力特性;有限元法;数值模拟;粘性土中图分类号:P642.11 文献标识码:A 文章编号:1671-5888(2008)05-0831-06收稿日期:2008-03-07基金项目:国家/8630项目(2007A A11Z114)作者简介:戴文亭(1964)),男,江苏丰县人,副教授,博士,主要从事道路岩土工程方面的教学与研究工作,E -ma il:da-iw enting 64@163.co m 。

Experiment and Nu merical Simulation ofDynamic Behavior for Cohesive SoilsDAI Wen -ting,CH EN Xing ,ZH A NG H ong -qiangColleg e of Tr ansportation and Tr af f ic ,J ilin Univ er sity ,Ch angch un130025,ChinaAbstract:T he dy namic tr-i ax ial instr um ent of DT C -306m ade in Japan is used to make cy clic tr-i ax ial test o f silty clay under dy nam ical loading by lo ad control.On the basis o f various parameters and data offered fr om the test,utilizing comm on finite element procedur e ABAQUS to set up the three -d-i m ensio nal finite element mo del of the dy nam ic tr-i ax ial sam ple,the dynamical defor mation behavior o fsilty clay under cy clic load is simulated.T hr oug h a lot of co ntrast analy sis to the dynamic tr-i ax ial test relation data,the r eliability of the m odel is validated.Then based on the finished three -dim ensional f-i nite element m odel,the relationship betw een dy namic deform ation and the influence factors is re -searched,and the results are as follo w s:the first im po rtant influential factors of so il plastic defo rmatio n ar e initial elastic modulus,damping facto r and ty pe of cy clic load,then the m ag nitude of cyclic lo ad,sur -r ounding stress,frequency and the number of cyclic times,and the m inimum influential facto r is type o f load w av e.T he numerical sim ulation method of finite elem ent can substitute the dynamic tr-i ax ial test to a certain ex tent.Key words:dynam ic tr-i ax ial test;cyclic load;dynamical behav io r;finite elem ent method;numer-i cal sim ulation;viscosity soil第38卷第5期2008年9月吉林大学学报(地球科学版)Jour nal of Jilin U niver sity(Ea rth Science Editio n)Vo l.38 No.5Sep.20080引言随着我国经济建设和交通运输事业的发展,车流量、行车速度和载重量不断增加,特别是随着高速铁路建设,如京沪高速等在我国的大规模开展,循环施加的交通荷载[1-2]对路基受力变形特性的影响也越来越大[3-6];而我国东部沿海地区广泛分布着高含水量的粘性土,路基的沉降病害问题十分突出,如高速公路路面因路基下沉而致开裂。

人工冻结黏土承载力模型试验及数值模拟分析

Abstract This paper studies the bearing capacity of the frozen soil foundation of engineering constructions in permafrost areas. Based on the creep tests of the artiﬁcial frozen clay, a generalized Kelvin model is established. The large-scale artiﬁcial frozen soil freezing test platform is used to test the bearing capacity of the artiﬁcial frozen clay. It is found that the load-settlement curve could be divided into three stages, and the foundation sees a local shear failure. For the use of the ANSYS, the temperature ﬁeld with consideration of the phase transition is transformed into a temperature load and a three-dimensional solid model and a generalized Kelvin model are built, with a step loading. By comparing the numerical simulation results and the model test results, it is found that the load-settlement curve is consistent, the ultimate bearing capacity is basically the same, and the basic failure mode is the local shear failure. The results show that the ANSYS could analyze the properties of the frozen soil under complex boundary and initial conditions, and the stress and displacement of the frozen soil under diﬀerent loads could be obtained. Key words artiﬁcial frozen clay, model test, numerical simulation, bearing capacity, temperature ﬁeld

土木工程中的土体模型试验与数值模拟

土木工程中的土体模型试验与数值模拟土木工程是一门利用土体材料进行建筑和基础设施建设的学科。

为了确保工程的安全可靠，土壤的物理特性和力学行为是非常重要的研究内容。

土体模型试验和数值模拟是土木工程中常用的研究方法。

本文将探讨土体模型试验和数值模拟在土木工程中的应用及其意义。

一、土体模型试验在土木工程中的应用土体模型试验是通过构建真实土体的缩小模型，在实验室中进行乏力学和岩土工程性质的测试。

这种试验方法具有直观、可重复、控制条件好等优点，被广泛应用于土壤侧向力分析、地基工程、土体渗透性和土体稳定性等方面。

在土壤侧向力分析中，土体模型试验可以模拟真实土壤受到的侧向地震、风力和水流等力。

通过调节试验环境参数，观察土体的变形、破坏和抗力等性能，为土木工程的设计和施工提供重要依据。

地基工程是土木工程中一个重要的研究领域。

土体模型试验可以模拟真实地质条件下的地基沉降、变形和稳定性等问题。

通过模型试验，可以评估地质环境对地基的影响，提供地基处理方案，并预测地基在不同荷载作用下的响应，从而确保工程的稳定性和安全性。

土体渗透性是土木工程中的另一个重要问题。

在水利工程和水资源管理中，了解土体的渗透性对于正确预测和设计水文过程至关重要。

土体模型试验可以通过模拟地下水流动的物理过程，测量流量和水头等参数，推导土壤的渗透系数和渗透能力，为水文模型和水利工程的研究提供实验依据。

二、数值模拟在土木工程中的应用数值模拟是利用计算机和数学方法对土体行为进行模拟和分析的方法。

它通过建立数学模型和计算算法，模拟真实土体的物理过程和力学行为，预测土体的变形、破坏和稳定性等性能。

在土体模型试验无法完全模拟真实工程条件的情况下，数值模拟可以提供一种有效的替代方法。

例如，在土质边坡稳定性分析中，数值模拟可以通过引入真实工程的地质参数、荷载和边界条件，模拟土质边坡在不同荷载作用下的变形和破坏情况，为工程安全评估提供定量依据。

数值模拟还可以应用于土体动力响应分析。

黏土动、静弹性模量相关性试验研究

(1) 首先将土样均匀湿水，然后用轻型手提击实仪制作标准圆柱形样品(见图 2)，然后计算样品的体积 V、含水率 w 和密度 ρ 。
图 2 轻型手提击实仪制作的圆柱形样品照片 Fig.2 Columned clay sample made by light portable
compaction device
τ
εd
εl
Δτ
Δεl
εd
o
εl
图 1 静弹性模量计算示意图
Fig.1 Sketch map of computing static elastic modulus
第 26 卷第 2 期
刘江平，等. 黏土动、静弹性模量相关性试验研究
在竖直方向的应力，εl 表示其在纵向的应变，而 ε d 表示其在横向的应变。若 σ s 为静泊松比，Es 为静弹性模量，则
收稿日期：2006–04–06；修回日期：2006–06–13 作者简介：刘江平(1957–)，男，博士，1982 年毕业于中国地质大学(原武汉地质学院)地球物理系地球物理专业，现任教授，主要从事环境与工程地球物理方面的教学与研究工作。E-mail：liujp@
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岩石力学与工程学报
1引言
2 土的弹性模量与物理性质指标
静态弹性模量是描述黏性土性质的关键参数，是工程选址、设计、施工等的科学依据，但静态弹性模量需从地下取出待研究层段的岩芯、通过室内传统的土工试验来确定，并存在原位和试验两者边界条件的差异，且因取样的有限性和局限性难避免以点代线和代面现象。弹性波速度与岩土的密度、岩土性质、砂粒数量与胶结程度、孔隙充填物与饱和度等直接相关，由纵横波速度可无损、低成本和快速获取岩土的动态弹性模量[1，2]。因此，为了便于应用于实际工程中，必须将它们转换为静态弹性模量，也就说必须建立起动、静态弹性模量之间的关系。

岩土工程师宝典粘性土的特征及取样试验方法

岩土工程师宝典粘性土的特征及取样试验方法粘性樟叶分为粉质粘土和粘土。

一、粉质粘土定义：塑性指数大于10且小于或等于17的土应定名为粉质粘土，肉眼观察，细土中有砂粒，干时不坚硬，用锤可打成细土粒，湿时有塑性有粘结力，能搓成φ0.5-2mm的土条，长度较小，用手搓、粘毛感觉有少量细颗粒，稍有粘滞感觉。

二、粘土定义：塑性指数大于17的土定为粘土，肉眼观察较细腻，一般无砂粒，干时很坚硬，用锤可打成碎块，湿时塑性粘性大，土团压成饼时，边部不裂，能搓成φ=0.5mm的土条，长度不少于手掌，用手搓捻有细滑感觉，当水分较大时，极为粘手，感觉不到有颗粒存在。

三、描述内容：颜色、状态、包含物、光泽反应、摇震反应、结构及层理特征1、颜色：主色在后，次色在前。

2、状态：①坚硬：干而坚硬，很难掰成块。

②硬塑：用力捏再裂成块后显柔性，手捏感觉干，不易变形，手按无指印。

③可塑：手捏似橡皮有柔性，手按有指印。

④软塑：手捏很软，易变形，土块掰时似橡皮，用力不大就能按成坑。

⑤流塑：土柱不能直立，自行变形。

3、包含物：贝壳、铁锰结核、高岭土姜结石等。

4、光泽反应：用取土力切开土块，视其光滑程度划分①切面粗造为无光泽。

②切面略粗造(稍光滑)为稍有光泽。

③切面光滑为有光泽。

5、摇震反应：试验对应将软塑~流动的小泥土或土球，放在手掌中反复摇晃，并以另一手指振击此手指，土中中立水将渗出，球面呈现光泽。

用手指捏土球，放松后水又被吸入，光泽消失，根据漏雨土球渗水和吸水反应快慢可区分为：①立即渗水及吸水者为化学反应迅速。

②渗水及吸水中等者为反应中等。

③渗水和吸水慢及不是渗，不是吸者为反应慢或无反应。

4、韧性试验：将含水率略在于的土块在手中揉捏均匀，然后在手掌中搓成直径3mm的土条，再揉成土团，根据再度搓条的可能性，可分为：①能揉成土团，再搓成条，捏而不碎者为女人味高②可再揉成团，捏而不碎者为韧性中等③勉强或不能再以揉成团，稍捏或不捏即碎者为韧性差5、干强度：试验时将搓成一小块土捏成小土团，风干后用手臂捏碎，根据用力大小区分为①很难或拍打才能捏碎或掰断者为干密度强度高②稍用力即可栽捏碎或掰断者为干强度中等③易于捏碎和捻成干活粉未者为干硬度低6、结构及层理特征：对同一土层中相间呈韵律沉积，当薄层薄层与厚层的厚度比极小1/3时，宜定为“互层”;厚度比为1/10~1/3时，宜定为“夹层”;厚度比小于1/10的土层，且多次出现时，宜定为“夹薄层”。

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有限元数值模拟方法在一定程度上可以替代动三轴实验。

因此,对粘性土受循环荷载作用下的动力特性问题进行研究具有十分重要的意义。

土体动三轴试验可以很好地模拟动荷载的施加过程及土体现场实际的三向受力状态,因此试验结果更能反映土体实际变形状况。

但动三轴试验本身从制件到荷载试验,需耗费大量物力和时间,故本文尝试采用有限元数值模拟来替代部分实际试验,以节省研究的时间和费用,推动土动力学研究以更快的速度发展[6-7]。

1循环荷载下粘性土弹塑性模型迄今为止,研究土体动荷载作用下变形特性的本构模型有三大类,即边界面模型、套叠屈服面模型及基于广义塑性理论的弹塑性模型[7-8]。

本文在有限元分析中使用基于Mohr-Coulomb屈服准则的弹塑性模型。

2动三轴试验2.1试验土样实验采用长春市卫星路取土场的中液限粉质粘土,取样深度2.5m。

其基本物理力学参数如下:密度为1.96g/cm3,最佳含水量为21%,液限为34%,塑性指数为11.6,内聚力(c)为47kPa,内摩擦角(U)为34b。

2.2动三轴试验试验土样为直径70mm、高度140m m的圆柱体击实成型试件(图1)。

试样真空抽气饱和后等向固结,在不排水条件下先施加大小为0.5q d静荷载,然后施加正弦波荷载,振幅0.5q d,频率为1H z。

其中q d为试验中的竖向荷载,单位kPa。

仪器为日本DT C-306型多功能电液伺服动态三轴仪,采用应力控制方式。

一台WX2400X-Y绘图仪用于记录试验数据,选用应变5%为破坏标准。

图1动三轴试验现场及土样Fig.1Scene and soil specimen of the dynamic tr-i axial test2.3滞回曲线图2为实验所得的不同动应力和围压条件下部分动应力和位移关系图。

从图中可以看出,土在往复荷载作用下会因土粒相互滑移形成新的排列而产生不可恢复的永久塑性变形。

3有限元计算分析3.1三维有限元模型的建立用ABAQUS软件建立的三维有限元模型[9-10]如图3所示。

模型中定义的土材料属性:密度为1.96g/ cm3,杨氏模量为18MPa,泊松比为0.35,渗透系数为1.0@10-7m m/s,孔隙率为0.3,内摩擦角34b,膨胀角0b,固结不排水。

根据土的参数及ABAQUS 软件有限元模型适用条件,采用M ohr-Co ulo mb模型进行数值模拟。

所施加荷载为正弦波形且考虑土样自重,频率为1H z,即q(t)=0.5q d+0.5q d sin2P t。

其中:q(t)为任意t时刻的轴向动荷载值,见图4。

3.2模拟和试验塑性变形的比较与分析由于实验刚开始阶段不稳定,加上有非线性静载段的影响,处理数据复杂而且不准确,所以将第二次加载作为处理和分析数据的起点,每一次的塑性变形从第二次加载开始进行累加,将实验的数值和有限元模拟的数值进行对比。

本文取出了4组数据进行分析比较,如图5。

从图5可以看出,随着循环次数的增加,累积塑性变形逐渐增加,实验和模拟的每一组数据中,塑性变形随循环次数n的变化趋势非常一致,而且每一832吉林大学学报(地球科学版)第38卷图2不同动应力和围压条件下动应力和位移关系图Fig.2Dynamic stress -displacement graph under different dynamic load amplitude and confiningpressure图3三维有限元模型Fig.3The three -dimensional f inite elem entmodel图4循环荷载谱Fig.4Cyclic loading spectrum次循环的塑性变形和累计塑性变形都吻合很好。

经过统计分析,累积塑性变形模拟值与实验值间的误差最大为16.30%,在有限元允许误差20%以内,最小的仅为0.19%,很好地满足了精度要求。

这些都充分说明所建立的有限元模型是正确的,模型中选取的参数是合理的,也表明用模拟的方法来替代动三轴实验是可行的,该方法将极大地节省研究的时间和各种费用,在土动力学分析研究中有推广应用的价值。

实验和模拟之间的误差主要有3个方面的原因:一是仪器原因,如记录数据采用的是WX2400X -Y 绘图仪而不是数字记录,从记录笔绘出的图形上量取数据时存在一定的误差,动三轴实验设备本身也存在一定的偏心,带来误差;二是人为原因,如动三轴实验所需要的土件在制件过程中如不严格按照实验规程制作和击实,会造成土体中粒度成分和级配、土体及土粒结构和胶结程度的很大差异,而这些因素都会在一定程度上影响到土的动力学特性,土件在动三轴实验仪上表现出性质可能完全不同,对结果影响很大,又如实验过程中的手动操作部分和模拟时一些参数的选取都会带来一定的误差;三是环境原因,比如试样保存和实验过程中外界环境温度的变化和水分的散失都会影响实验结果的精确程度。

833第5期戴文亭,陈星,张弘强:粘性土的动力特性实验及数值模拟图5模拟和实验塑性变形的比较Fig.5Accumulated plastic deform ation comparison of simulation and test4影响土塑性变形的参数变化规律土的塑性变形的主要影响因素分为内部因素和外部因素。