标准应力路径三轴测试系统操作说明
——安徽建筑工业学院STDTTS系统1.GDSLAB软件操作
1.1.打开GDSLAB软件
1.2.检查硬件的通讯参数
点击Management，出现如下图
并点击Object Display，出现系统硬件的连接图，
8通道数据采集板
Comm Port: 1
Baud: 4800
Parity: n(此处必须为None，否则无法正常通讯，这一点很重要)
Data Bits: 8
Stop Bits: 2
设置上面的参数后，就开始设置压力/体积控制器 STDDPC V2，包括反压、轴压和围压的通讯参数，点击“Select STDDPC controller”，会弹出“GDS USB controller selection tool ”，然后选择下拉菜单下的文件，从3个控制器的通讯文件选择一个，之后点击“Selected”，系统就会为反压控制器选择通讯文件。图29为反压控制器通讯设置正常后的状态。轴向压力/体积控制通讯参数跟反压一样，当反压和轴向控制器选好后，一定要注意控制器与压力室的链接情况。当三个图标的通讯参数设置好以后，就点击“Read”图标，查看各个传感器是否有读数。注意，本系统在已经选好通讯文件，一般情况下，如果不出现系统错误，不需要再进行设置，只需要在实验前检查下就可以了。在每个控制器后面有个序列号，反压为12813，轴压为12811，围压为12809，注意检查控制器与压力室管路连接是否正确。
选择控制的通讯文件
STDDPC V2 连接状态
1.3.传感器和控制器清零
在装土样前，要对传感器和控制器清零
1.3.1. 传感器清零，只能在软件上清零
点击某个传感器所对应的眼睛图标，会出现对话框，点击Advanced，然后在“Soft Zero Offset”旁边点击“Set Zero”，观察传感器的读数就会变成0。如果出现很小的
波动为正常。轴向力、孔压和轴向位移传感器清零都是如此。
1.3.
2. 控制器清零
需要在控制器上操作，否则会造成控制器上显示的读数跟软件显示的不一致。
压力/体积控制器检查与操作
标准压力/体积控制器：本套系统配置了两个3 MPa压力/体积控制器V2。在调试前一定要检查控制器是否能正常运转，经检查，接电后活塞可以左右移动；液晶面板正常显示。
另外，由于客户反映压力/体积控制器在操作上比较麻烦，先增加STDDPC v2的使用说明。不过在厂家附带的光盘中有一个文件《STDDPCv2_ Handbook》，专门阐述如何使用V2 版压力/体积控制器。这里将只对常用的几个功能进行操作说明。
图16 STDDPC V2示意图
压力/体积控制器操作面板
压力控制器操作面板液晶屏初始画面
○
1. 设置压力/体积目标值 图24显示的是控制器操作键盘上的显示画面，如果要手动设置压力/体积目标值，按照如下操作进行，或者在GDSLAB 软件中的CP 下设置目标值。
Menu-->Set Vol./Pr.-->Set Pressure 或者Set Volume 然后输入目标值，并按回车键确定。其余功能请新手不要操作，以免造成设备损坏。
设置压力/体积目标值界面
○
2. Fill/Empty 给控制器充水/排水 对控制器进行充水或排水作业，请按如下命令操作：
Menu-->Fill/Empty-->Fast Fill, Fast Empty, Slow Fill 和Slow Empty 四种方式供选择
控制器充/排水操作
○
3. 控制器压力/体积读数清零 Menu-->Offsets Menu-->Apply Pr. Offset 一般只需要用到此功能。
体积单位 当前目标值 目标值状态 USB 状态 控制器状态
键盘锁状态
信息栏
当前快速命令
压力单位
控制器压力/体积值清零界面
○4. 操作面板解锁
一般情况下，如果GDSLAB软件在控制时，控制器面板会自动锁上。如果要手动操作面板，可以对其解锁。但如果软件在读数时，无法进行操作。
按Cancel回到初始画面，再按Lock/Unlock键，会让你选择，回车确定即可。
控制面板解锁
点击Exit退出，Object /Hardware Display，开始设置实验步骤。
2.设置实验步骤
2.1.设置数据保存格式
点击Data Save，会询问你如何保存数据。
此时一定要注意勾选，Save Calculated Data?，否则实验过程中无法标准计算值的数据，只保存直接采集的数据。
2.2. 设置土样参数
点击Sample图标，系统会询问是否是新土样，以及是否已经接触，一般选择Yes，
就可以了。其中，只需要输入土样的直径和高度参数。
2.3. 设置实验步骤
点击Add Test，选择需要的实验类型，然后开始Creat New Test Stage。本系统有饱和固结，高级加载，Ko固结，应力路径，标准三轴共5个模块。下面将重点介绍这5种实验方法。
2.3.1. 饱和固结模块Satcon.dll
其中包括Saturation Ramp（给土样饱和）,B-Check（主要是检查土样的饱和度）,Consolidation(固结)。
Saturation Ramp
设置围压和反压值，以及加载到目标值，所需的时间，系统会自动判断加载速率。
此对话框，会询问此实验步骤的结束条件。
B-Check.
Consilidation
一切设置好，之后就可以点击Test List，点击Go To Test，然后点击Start，开始实验。
双击图形框，会出现图形选择框，你可以根据自己的需要选择相应的坐标轴和参数。
一、简要说明高速铁路路基基床表层厚度的确定方法 基床表层厚度的确定是由变形控制因素决定的。计算方法有动强度控制法和弹性变形控制法两种。 (1)动强度控制法动强度控制法以作用在基床底层表面上的动应力不超过基床底层填料的临界动应力为控制条件。其基本出发点是列车荷载通过基床表层扩散后，传递到基床底层顶面的动应力必须小于其填料的临界动应力。 主要内容是：确定作用于路基面上的设计动应力幅值确定路基基床底层填料的临界动应力。 定作用于路基面上的动应力幅值根据前面讨论的路基面设计动应力值和动应力随深度的衰减规律确定路基面上的动应力幅值。 确定路基基床底层填料的临界动应力临界动应力当动荷载小于临界动应力时，塑性变形随重复作用次数的增加而累积，但塑性变形速率则是随重复次数的增加而减少，最后塑性变形趋向稳定。当实际动应力大于临界动应力时，填料的累计塑性变形随重复作用次数的增加而增加，且变形速率加快，最后因变形过大失稳。 临界动应力一般可以通过动三轴的循环荷载试验取得。但是需要许多次试验才能确定在某一条件下的临界动应力。因此，实用中一般均由静强度乘以某一折减系数（即动静强度比）来确定，折减系数值一般取为0.6。 (2)弹性变形控制法 形值的计算基床表层在列车荷载作用下的变形值，可采用双层弹性地基在长方形均布荷载中心点的沉降值计算：根据高速铁路路基设计荷载图形可知b、h值。E1、E2为基床表层和基床底层材料的弹性模量。 弹性模量的确定 允许变形值允许变形值的确定需要考虑基床变形与列车运行的舒适性及轨道养护维修工作量之间的关系。日本从保证强化基床表层（沥青混凝土）结构不开裂出发，在基床表层设计计算时采用2.5mm作为控制值。由于国内基床表层填料采用级配砂砾石或级配碎石，属柔性材料，因此，国内高速铁路设计时，基床表层的允许变形值建议为3.5mm。 根据变形值确定基床表层厚度 综合变形控制与强度控制两方面的分析结果，目前我国高速铁路基床表层的厚度设计值为0.7m。 一、土边坡稳定性的评价方法 答案一：对目前边坡工程中常用的一些稳定性分析方法进行了系统的总结．对它们各自的主要原理、特点及其忧缺点等进行了阐述。这些方法包括：(1)定性分析方法．如自热(成因)历史分析法、工程类比法、数据库和专家系统、图解法、SMR法等；(2)定量分析方法，如多种极限平衡分析法、多种数值分析方法等；(3)非确定性分析方法，如可靠性分析法和模糊丹级评判方法等；(4)物理模拟方法，如底摩擦试验、离心模拟试验等；(5)现场监测分析法等。 答案二：边坡稳定性评价方法大致可以分为两大类．即定性分析方法和定量分析方法。此外，近年来．人们在前面两种分析方法的基础上，又引进了一些新的学科、理论等，逐渐发展起来一些新的边坡稳定性分析方法，如可靠性分析法、模糊分级评判法、系统工程地质分析法、灰色系统理论分析法等，这里暂且称之为非确定性分析方法。另外，还有地质力学模型等物理模型方法和现场监测分析方法等。
美国GEOCOMP应力路径三轴仪简介 用途： Geocomp静三轴与应力路径三轴可以全自动完成土的应力路径试验。将试样安放后，设置好试验参数，然后所有过程均由系统自动完成。该系统通过软件自动完成试验初始化设置、饱和试验、固结(各向同性、各向异性或K0)和应力路径（剪切）试验。 环球香港科技有限是美国GEOCOMP在中国的唯一的独家。 概述： LoadTrac II/FlowTrac II系统采用高速、精确的微步进马达对试样施加轴向荷载和压力。包括一个施加轴向压力的荷载架、一个控制围压的液压泵和一个控制反压的液压泵。该系统可以在0.00003 ~ 15mm/min之间任意位移速度施加恒定速率应变。 特点： 通过网络通讯模块和相关的软件，可以在一台计算机上自动控制试验过程、采集和实时显示数据、生成试验报告。 技术参数：
The LoadTrac II/FlowTrac II system for triaxial testing fully automates the conduct of CU, CD and any possible stress path triaxial test on soils. Once a soil sample is in place, and the test conditions are selected, the LoadTrac II/FlowTrac II system will run the entire triaxial test from start to finish. This system is operated by software which automates the initialization, saturation, consolidation (isotropic, anisotropic or Ko) and shear phases of the test. The system comes as a complete, self-contained unit with all of the equipment requiredto perform fully automated triaxial and stress path tests. The LoadTrac II/FlowTrac II system utilizes high speed, precision micro stepper motors to apply the vertical load and pressures to the soil specimen. It includes one load frame for vertical stress, one flow pump for cell pressure and one flow pump for back pressure. The sys-tem is capable of applying a constant rate of strain at any displacement rate from 0.00003 up to 15 mm per minute (0.000001 to 0.6 inches per minute). Sensor readings are displayed in SI or English units and stored in memory. With the network communications module and appropriate software, the entire test can be automatically controlled, data captured and displayed in real-time, and test reports prepared on a PC. Optional software running in Windows? 2000, XP, or Vista completely automates running the test, reducing the data and preparing test results. MOTOR Stepper motor with built-in controls TRAVEL Built-in displacement transducer with 76 mm (3 in.) range and 0.0013 mm (0.00005 in) resolution DISPLACE-MENT Control from 0.00003 to 35 mm per minute (0.000001 to 1.3 in. per min- FLOW RANGE 0.000006 to 3 cc per second POWER 110/220 V, 50/60 Hz, 1phase
标准应力路径三轴测试系统操作说明 ——安徽建筑工业学院STDTTS系统1.GDSLAB软件操作 1.1.打开GDSLAB软件 1.2.检查硬件的通讯参数 点击Management，出现如下图
并点击Object Display，出现系统硬件的连接图， 8通道数据采集板
Comm Port: 1 Baud: 4800 Parity: n(此处必须为None，否则无法正常通讯，这一点很重要) Data Bits: 8 Stop Bits: 2 设置上面的参数后，就开始设置压力/体积控制器 STDDPC V2，包括反压、轴压和围压的通讯参数，点击“Select STDDPC controller”，会弹出“GDS USB controller selection tool ”，然后选择下拉菜单下的文件，从3个控制器的通讯文件选择一个，之后点击“Selected”，系统就会为反压控制器选择通讯文件。图29为反压控制器通讯设置正常后的状态。轴向压力/体积控制通讯参数跟反压一样，当反压和轴向控制器选好后，一定要注意控制器与压力室的链接情况。当三个图标的通讯参数设置好以后，就点击“Read”图标，查看各个传感器是否有读数。注意，本系统在已经选好通讯文件，一般情况下，如果不出现系统错误，不需要再进行设置，只需要在实验前检查下就可以了。在每个控制器后面有个序列号，反压为12813，轴压为12811，围压为12809，注意检查控制器与压力室管路连接是否正确。
选择控制的通讯文件 STDDPC V2 连接状态
1.3.传感器和控制器清零 在装土样前，要对传感器和控制器清零 1.3.1. 传感器清零，只能在软件上清零 点击某个传感器所对应的眼睛图标，会出现对话框，点击Advanced，然后在“Soft Zero Offset”旁边点击“Set Zero”，观察传感器的读数就会变成0。如果出现很小的 波动为正常。轴向力、孔压和轴向位移传感器清零都是如此。
粘性土三轴剪切试验的实质应力和破坏条件分析 摘要：粘性土具有压缩强度大、拉锁强度小的突出特征。作为粘性土实质特性 研究的重要方式，三轴剪切实验能过实现其实质应力和破坏条件的有效分析。本 文在阐述三轴剪切实验应用原理的基础上，从总应力表示和实质应力表示两个角 度对三轴剪切实验的应力路径的进行分析；以期有利于人们对粘性土实质应力和 破坏条件把握水平的提升，进而推动相关工程建设的规范发展。 关键词：粘性土；三轴剪切实验；实质应力；破坏条件 粘性土是工程建设的常见土体材料之一，其在压硬性和剪胀性等方面的力学 特征尤为突出。然天然沉积的粘性土在应力状态上处于不等压固结状态，一旦受 到外部作用，其必然在初始应力各向异性的影响下，产生一定的强度改变和变形 破坏，对工程的建设造成影响。基于此，进行粘性土实质应力和破坏条件的分析 已成为粘性土基础工程建的重要问题。目前，三轴剪切试验是实现这些特性分析 的有效手段，本文就此展开分析。 一、三轴剪切实验的应用原理 作为一种抗剪强度实验，三轴剪切实验以三轴仪为基础，通过对某一固定试 样增加轴向压力，探究其实质应力强度和破坏条件的实践过程中。实践过程中， 人们也将其称为三轴压缩实验，其中摩尔-库伦强度理论是其实验设计的重要支撑。具体而言，在三轴剪切实验中，其假定某一土体试样处于平衡状态，则其必然存 在三种相互垂直的应力δ1、δ2和δ3，且其受力方向分别为x、y和z，同时与三 个主应力垂直垂直的作用面分别称为大主应力面、中主应力面和小主应力面。此时，在试样上进行轴向主应力δ1的增强，再不改变其它应力的状况下，使得土 样的剪应力不断增大，直至破坏；由此，破坏时刻的应力值为土块试样的最大抗 剪强度值，同时，实验人员也实现了试样破坏条件的具体把握。 二、通过总应力进行三轴实验应力路径表达 初始应力状态标准下，重塑土和原状土试样的三轴剪切试验是三轴实验的两 种基本形态[1]。相比而言，原始场地转移和初始应力状态缺失是重塑土的基本特征；而原状土试样的三轴剪切实验以原始场地为基本载体，即其处于不等压固结 状态，静止侧压力的系数Ｋ0不等于1。传统三轴剪切实验过程中，实验人员对 于这两者的初始应力状态没有进行精确区分，在ｐ－ｑ坐标体系下，两者的表示 方法具有相似性，具体应力表达路径如下图1： 图1 以总应力表达三轴试验应力路径 结合其应力表达路径可知，若以p为常数，其三轴试验以PTC表达；而侧向 减压和侧向增加的三轴实验分别以RTC和CTE表示；同时PTE代表了三轴伸长剪 切实验，RTE代表了轴向减压剪切实验。在图一中，就线路破坏的斜率而言，增 压破坏线路的斜率明显高于拉伸破坏线路的斜率；即压缩对黏土造成的破坏高于 拉伸破坏。 三、通过实质应力进行三轴试验应力路径表达 传统应力路径表达难以实现三轴剪切实验相关数据的高精度表达，故而在实 践中，人们引入以实质应力进行三轴剪切实验应力路径表达的方式，对于粘性土 特性的精确把控具有重大影响。 1.实验过程设计 在实质应力表达过程中，若将三轴剪切实验的ｐ-q 坐标系统进行平移和旋转，
第27卷第7期岩石力学与工程学报V ol.27 No.7 2008年7月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering July，2008 高应力下硬岩地下工程的稳定性 智能分析与动态优化 冯夏庭，江权，苏国韶 (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，湖北武汉 430071) 摘要：针对高应力下地下工程变形破坏的特点，提出高应力下地下工程稳定性的综合集成智能分析与动态设计优 化的新思路，即以工程区域地应力、地质构造特征、高应力下的应力路径改变的岩石(体)变形破坏机制以及与之 相对应的模型识别、基于新评价指标(局部能量释放率、破坏接近度)的确定性与不确定性方法结合的围岩稳定性 分析、考虑多方面的开挖与全局支护优化、基于现场最新监测和开挖揭示的工程地质信息的动态反馈分析等为主 线，给出高应力地区三维地应力场特征识别的新方法、高应力下硬岩本构模型识别的新方法、地下工程安全性评 价新方法以及动态反馈智能分析与优化设计方法。该新思路和新方法成功地进行了拉西瓦水电站和锦屏II级水电 站地下厂房稳定性的动态反馈分析和设计优化。 关键词：地下工程；稳定性智能分析；动态优化；隧道；硬岩；高应力 中图分类号：TU 91 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2008)07–1341–12 INTEGRATED INTELLIGENT STABILITY ANALYSIS AND DYNAMIC OPTIMIZATION OF UNDERGROUND ENGINEERING IN HARD ROCK WITH HIGH GEOSTRESS FENG Xiating，JIANG Quan，SU Guoshao (State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering，Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Wuhan，Hubei430071，China) Abstract：According to key features of deformation and failure of surrounding rocks at high geostress，the way for stability analysis and design optimization of underground engineering in hard rock with high geostress is proposed. It includes recognition of geological conditions and geostress in the studied zones，the mechanism of deformation and failure of surrounding rocks due to change of stress paths induced by excavation under high geostress condition，new constitutive model corresponding to the damage degree of surrounding rocks，new indexes including local energy release rate and failure approach index，global optimization of excavation procedure and support schemes，and dynamic feedback analysis and design optimization based on the monitoring information. Some new methods have been proposed to carry out these tasks mentioned above. They have been used to some typical engineerings such as the underground powerhouses of Jinping II Hydropower Station and Laxiwa Hydropower Station. Key words：underground engineering；intelligent stability analysis；dynamic optimization；tunnel；hard rock；high stress 收稿日期：2007–10–08；修回日期：2008–02–28 基金项目：国家自然科学基金雅砻江联合基金项目(50539090)；国家重点基础研究发展规划(973)项目(2002CB412708) 作者简介：冯夏庭(1964–)，男，博士，1986年毕业于东北工学院采矿工程专业，现任研究员、博士生导师，主要从事岩石力学智能分析方法及其应
三轴试验相关理论知识 一、基本概念 1.常用术语 法向力——垂直于滑动面上的应力，也叫正应力σ。σ=N/A （N ：作用于滑动面的力；A ：滑动面的 面积） 剪应力——与法向力垂直的切向应力τ。τ=F/A （F ：与法向力相垂直的摩擦力） 主平面——没有剪应力的平面。 主应力——主平面上的法向应力（正应力）。在相互垂直的立方体上(图1)又分成： 大主应力（σ1）——轴向应力； 小主应力（σ3）——径向应力； 中主应力（σ2）——界于大、小主应力之 间的径向应力。 (常规三轴试验的试样呈圆柱形，中、小主应力相等，即σ2=σ3，谓之轴对称条件下的试验。) 偏应力——轴向应力与径向应力（或大、小主应力） 之差，即（σ1-σ3）。 摩檫角——剪应力达到极限（土体开始滑动）时的 剪破角Φ，此时Φ=α （tan Φ为摩檫系数） 图1 主应力与主应力面 抗剪强度——随着剪应力的增加，剪阻力亦相应增加。而剪阻力达到一定限度就不再增大这个强度 称为土的抗剪强度。 2.摩尔圆 摩尔圆源自材料力学之应力圆，由于是科学家摩尔首先提出的，故叫摩尔圆。（图2）通过土体内某微小单元的任一平面，一般都作用着一个合应力，并可分解为法向应力（σ）和剪应力（τ）两个分量。如图3，沿圆柱体轴线取一个垂直面作应力分析，可得如下的关系式： 将两式平方后相加，整理后得出 图2 摩尔应力园 上式的几何意义是，在σ-τ坐标系里以（σ1+σ3）/ 2，0为圆心、（σ1-σ3）/ 2为半径的圆。 在三轴试验轴对称时的平面上，当试样给定σ1和σ3，如果已知试样上的大、小主应力面的方向，就可以从摩尔圆上确定试样内任一斜面上的剪应力τ和法向应力σ。摩尔圆在σ-τ坐标系里的应力关系如图4所示。图的右边为一三轴试样，左边为相应的摩尔圆。过圆的D 点（σ1）作平行于试样大主应力面AB 线，交圆上 Op 点；过圆E 点（σ3）作平行于小主应 力面AC 线，必通过Op 点（∵AB 与AC 正 交，∠DEOp 是半圆的圆周角）。然后经交 点Op 作与OpD 线成α角的直线，交圆于P 图3 三轴试样的应力状态 α σστασσσσσ2sin )(2 1 2cos )(21)(21313131-=-++= 2312231)2 ()2(σστσσσ-=++-
ABAQUS中的壳单元S33代表的是壳单元法线方向应力，S11 S22 代表壳单元面内的应力。因为壳单元的使用范围是“沿厚度方向应力为0”，也即沿着法相方向应力为0，且满足几何条件才能使用壳单元，所以所有壳单元的仿真结果应力查看到的S33应力均为0。 S11 S22 S33 实体单元是代表X Y Z三个方向应力，但壳单元不是，另外壳单元只有S12，没有S13，S23。
注意：塑性材料第一行中的塑性应变必须为0，其含义为：在屈服点处的塑性应变为0。 4、定义塑性数据时，应尽可能让其中最大的真实应力和塑性应变大于模型中可能出现的应力和应变值。 5、对于塑性损伤模型，其应力应变曲线中部能有负斜率。 通常都是通过其他软件数据导入到abaqus，比如Etabs，Midas，satwe等中建模，然后把网格数据作为abaqus有限元模型。那么abaqus的cae是做什么的？其实用cae来建模实体模型还是可行的，可以油点变线，由线变面，由面变体，并可做布尔运算，然后把多个部件组装为整体结构，统一划分网格。从这方面来说cae是不错的。 abaqus最厉害的方面显然是它的求解器，abaqus分隐式求解器和显式求解器。隐式求解器里可实现模态分析、瞬态分析、时程分析、屈曲分析等，内嵌了改进型NewMark隐式算法和Wilson算法，求解非线性问题非常稳定，一般只要计算通过就能得到较好的结果。显式求解器不仅是abaqus的特色求解器，而且有极高的效率，能够快速的进行非线性求解，并且也能有较好的稳定性，也能完成静力和动力计算。另外，同样模型数据可以在两个求解器中计算。 abaqus另一方面，它提供大量的单元，丰富的材料，可以模拟混凝土、金属等硬质材料，或岩土、泡沫、塑料等软质材料，而且提供了自定义材料接口和自定义单元，有了给研究者、应用者丰富的空间。 对于我们做结构的人来说，结构设计是不可少的，既然abaqus是通用有限元软件，我就不可能去苛求它能做设计，所以我也只能用它去核算一些应力内力位移等，abaqus提供了交互良好的后处理，可以查看各种结果，而且可以自定义集合，按集合输出自己想要的内容。也可以绘制跟时程相关的曲线。能输出图形也能输出文本。但是，在结构设计中各种跟层相关的统计参数就非常的困难，用户必须把相应的结果输出后到excel表中统计计算得到。因此通常建议对abaqus的结果通过程序做二次处理来实现结果统计。
基金项目 作者简介 黑龙江人博士后 路德春姚仰平张在明 杜修力 北京工业大学城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室 北京 北京航空航天大学交通科学与工程学院北京 摘要土的应力应变关系与应力路径密切相关充分接近的两条加载路径所产生的变形基本相同因此可将任意应力路径转化为与其充分接近且易于计算变形的应力路径在此基础上本文通过定义两个应力状态的参量分别描述等应力比循环加载和等平均应力循环加载条件下土的塑性变形规律以及两者的相互影响并给出一个新的加卸载准则在不增加任何土性参数的条件下将现有的土的应力路径本构模型扩展应用于循环加载条件通过与试验结果的比较表明本文提出的循环加载模型 模型简单易用只含 关键词本构模型应力路径循环加载加卸载准则 研究背景 而且与外力作用密切相关然而现有土的本构模型大都建立在塑性变形与应力路径无关假定的基础上如剑桥模型模型通常用与实际工程相同或相近的应力路径来进行土工试验应力路径的相关性 等 个区域殷宗泽 胡德金等 路德春等根据土在不同加载条件下应力提出了一种考虑应力路径相关性的方法即认为充分接近的两条加载路径下土所产生的变形基本相等因而可将任意应力路径 以 循环加载和等平均应力循环加载条件 在不增加任何土性参数的条件 采用基于广义非线性强度理论 三维化方法将模型用于三维应力条件 桥模型通过与文献资料中的砂土和黏土在多种应力路径下的试验结果的比较表明本文模型可较合理地描述循环 每个参数均具有明确的物理意
模型的应力应变关系土的应力路径本构模型为增量形式的应力应变关系 利用广义虎克定律计算弹性体应变和弹性剪应变分别为 式中 上式中 式中 上式中 式中为初始孔隙比 塑性体积应变与塑性剪应变的表达式分别为 式中即由剪缩转为剪胀拐点处的应力比为等向固结压缩 基于准则的变换应力张量 上式中
地震作用下自由场中饱和砂土的应力-应变推导 参考文献 [1]郑峰.爆破地震效应影响因素的研究及工程应用[D].武汉:武汉科技大学,2007. [2]张艺峰,姚道平,谢志招.基于BP神经网络的爆破振动峰值及主频预测[J].工程地球物理学报,2008,5(2) [3]邓聚龙.灰色系统基本方法[M].武汉:华中理工大学出版社,1987. [4]刘思峰,党耀国,方志耕.灰色系统理论及其应用[M].北京:科学出版社,2004. [5]邓聚龙.灰色系统理论教程[M].武汉:华中理工大学出版社,1990. [6]邓聚龙.灰理论基础[M].武汉:华中理工大学出版社,2002. [7]赵云胜,龙昱,赵钦球.灰色系统理论在地学中的应用研究[M].武汉:华中理工大学出版社,1997. [8]吕锋.灰色系统关联度之分辨系数的研究[J].系统工程理论与实 践,1997,(6):49－54. 1前言水 平自由场地震响应分析是岩土地震工程实践的重要内容，也是过去几十年世界岩土工程界热门研究领域之一。由于地震发生的时间和地点难以预测，直接观测实际地震中场地的响应十分困难。利用土工离心机振动台进行模型试验是研究土工材料及构筑物在地震荷载作用下动力特性的有效手段，这一地震模拟方法在国外已得到了广泛的应用[1－5]，目前在国内也正得到逐步的发展[6－8]。本次利用香港科技大学的双向振动台，以Toyoura砂为试验材料，进行了饱和砂土自由场的在水平双向地震作用下的响应研究，观测了振动过程中模型多个位置的加速度、位移和孔隙水压力的变化。 土的动力特性是影响场地地震响应最主要的因素，目前土的动力特性主要还是通过室内单元体试验诸如三轴试验、直剪试验等获得。然而，由于排水条件和荷载特性与现场有较大区别，难以完全模拟地震荷载下土的应力变形特性。根据应力和应变的定义以及达朗贝尔原理，笔者采用试验过程中观测到的加速度、位移和水压力数据，直接推导得到了水平自由场中饱和砂土在振动过程中遭受的应力和应变，揭示了地震作用过程中不同深度处土的应力路径及应力-应变关系的演化特性。 2离心机振动试验 2.1试验设备与试验过程试验在香港科技大学的400 g-t土工专用离心机上进行。 该机配有世界上第1台可在高速旋转状态下运行的双向振动台。振动台为液压伺服式，能够在50 g的离心加速度下运行，产生沿两个水平方向的振动。振动台配有可沿任意水平方向自由形变的层状剪切箱，以模拟多向地震作用下水平场地的边界条件。
试验五岩石三轴剪切强度试验 （一）目的与意义 测定在有限侧压条件下，岩石根据强度及变形特征，并借助三轴实验，结合抗拉，抗压实验结果，确定岩石的极限应力圆包络线（强度包络线）。 （二）定义是指岩石在三向应力作用下，抵抗破坏的能力。 岩石三轴试验是将岩石样品放在三向应力状态下的压力室内，测其强度和变形，通过试验可确定岩石的强度包络线，并计算出内聚力c 和内摩擦系数。 （三）基本原理 岩石室内三轴实验是在三向应力状态下测定和研究岩石试件强度及变形特征的一种室内实验。本实验是在13δδδ<=条件下进行的，即为常规三轴实验。 （一）设备与材料 1． 实验设备：（1）岩石三轴应力实验机；（2）压力室；（3）油泵； （4）岩石钻样机；（5）岩石切样机；（6）岩石磨平机 2． 实验材料：（1）液压油；（2）游标卡尺；（3）乳胶膜；（4）三角尺； （5）量角器；（6）活扳子；（7）螺丝刀；（8）记号笔； （9）钳子；（10）记录纸；（11）标准岩石样品50×100mm ； （12）胶布；（13）电笔。 三轴试验：1、真三轴：1σ>2σ>3σ; 2、假三轴（常规三轴）：1σ>2σ＝3σ，等围压。 岩石三轴试验机是在普通压力机上装配成符合技术要求的三轴压力室，压力室必需有保持侧压力稳定的稳压装置。 （二）试验步骤 岩石三轴试验机是在普通压力机上装配成符合技术要求的三轴压力室，压力室必须有保持侧压力稳定的稳压装置。 1．三轴试验样品数量不少于5块，不同围压1块； 加工精度，测量试件尺寸： 1）尺寸：（1）圆柱体试件直径Φ48~54mm ，高100mm ；
（2）试件直径与高度，或边长之比为1：2.00~2.50。 2）精度：（1）、两端面的平行度最大误差不超过0.05mm ； （2）、在试件整个高度上，直径误差不超过0.3mm ； （3）、端面应垂直试件轴，最大偏差不超过0.25度。 2 ．测量好试件尺寸后，用耐油橡胶或乳胶质保护套，能有效防止油液与样品接触。然后放入压力室内，打开排气阀，盖上压帽，拧紧，向压力室注油，直至油液达到预定位置。排静压力室空气，关闭排气阀。（如在三轴条件下测其变形，同试验二变形试验）。 3．侧压力（围压）的选择，应考虑下列条件： ①最小侧压力的选择，应根据工程实际情况，并考虑测向压力装置的精度； ②选定的侧压力需使求出的莫尔包络线能明显的反映出所需要的应力区间； ③适当照顾包络线的各个阶段。 我们选择侧压力5、10、15、20、25MPa 。 4．试验开始，以每秒0.05MPa 的加荷速率施加侧向压力和轴向压力，待到加至预定压力值时，使其保持稳定，然后再以每秒0.8－1.0MPa 的加荷速率施加轴向荷载，直至试件破坏，记录破坏时的最大轴向荷载及侧向压力值。 5．试验结束后，取出试样进行描述，量出最大主应力作用面和破坏面之间的夹角。 （六）资料整理： 目前国内外对于三轴试验成果整理的方法不太统一，国际岩石力学学会和现场标准化委员会在岩石力学试验建议方法中曾对资料整理作出规定。考虑到和国际标准化的一致性，采用国际岩石力学学会的建议方法，用下列方法整理资料： 1、按下式计算不同侧向压力下的轴向应力：A P = 1σ×10 （5-1） 式中：1σ——不同侧压力下的应力值 MPa ； P ——破坏时的最大轴向荷载 N 或kN ； A ——试件横截面积 cm 2。 2、根据轴向应力1σ和侧向应力3σ求出岩石的φ,c 值，以)(2 131σσ-为纵坐
第17卷 第12期 中 国 水 运 Vol.17 No.12 2017年 12月 China Water Transport December 2017 收稿日期：2017-10-25 作者简介：崔 戈（1976-），男，辽宁人，海装舰艇局，主要研究方向为舰船工程。 崔 戈 （海装舰艇局，北京 100841） 摘 要：开展了Q345钢的缺口拉伸试验和霍普金森拉杆试验，重点分析了应力三轴度和应变率对钢材断裂的影响。考虑应变的时间累积及应力三轴度在最小截面处的空间分布效应，修正了应力三轴度的计算方法。基于缺口拉伸试验和SHTB 试验结果拟合了材料J-C 失效模型参数。 关键词：应力三轴度；应变率；J-C 失效模型 中图分类号：O346.1 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2017）12-0128-03 一、引言 Q345钢广泛运用于船舶行业，为了更好的预测船舶的毁伤情况，需要确定合适的J-C 参数模型。 结构承受冲击载荷作用时，材料应变率硬化及温度软化效应不能忽略[1]。陈刚[2]等人通过开展45钢在不同应力三轴度、温度下的材料缺口拉伸实验和不同应变率下的SHTB 试验，拟合了45钢的J-C 损伤失效参量。Goto [3]等人考虑整个拉伸过程中应变累积效应，得到整个拉伸过程的平均应力三轴度。贾东[4]等考虑应力三轴度在空间和时间上分布不均，得到一个关于累积应变和空间的函数。 本文开展材料缺口拉伸实验和霍普金森拉杆试验（SHTB），对船用Q345钢的材料断裂性能进行测试。通过考虑应力三轴度、应变率，给出修正后的J-C 失效模型，为研究船舶结构的断裂特性提供依据。 二、试验方法 1．缺口拉伸实验 如图1所示，试验在材料拉伸试验机上开展，加载速率为2×10-3 mm/s。采用引伸计测量载荷位移曲线。 图1 试验设备 试件参照国标设计，如图2所示。采用光滑圆棒和缺口试件两类，光滑圆棒的直径为10mm，缺口试件的截面直径均为6mm，曲率半径分别取为1、2、4和6mm 四种。 图2 缺口试件尺寸 2．霍普金森拉杆试验原理 如图3所示，霍普金森拉杆[5]利用发射系统控制高压气体推动套筒式子弹向右运动，撞击入射杆端头的法兰，在入射杆中形成向左传播的拉伸加载波，入射信号εi 和反射信号εr 由入射杆上的应变片记录，透射信号εt 由透射杆上的应变 片记录。 图3 SHTP 试验装置示意图 SHTP 拉杆的实验原理是建立在应力、应变沿轴向均匀性假设的基础上，基于一维波理论推导得到。 2()(()())t i C t t t l ε εε=- （1） 0 2()(()())t t i C t t t dt l εεε= -? （2） 基于应力三轴度修正的Q345钢J-C 失效模型参数研究
第27卷第5期2005年9月 南京工业大学学报 JOURNAL OF NANJ I N G UN I V ERSI TY OF TECHNOLOGY Vol . 27No . 5 Sep. 2005 粘性土应力路径试验 常银生, 王旭东, 宰金珉, 徐建龙
(南京工业大学土木工程学院, 江苏南京210009 摘要:利用G DS 多功能三轴仪, 对南京河西地区原状粘性土进行了常规三轴压缩、减压三轴压缩和等p 应力路径的固结不排水三轴试验, 探讨不同应力路径下粘性土的变形和强度特性。实验表明:不同应力路径下土的应力应变关系都呈曲线形态相似的非线性应变硬化型, 而土的峰值强度和土中孔隙水压力差异明显; 验得到的有效应力路径形态一致, 常规三轴压缩试验中有效应力路径呈S 。关键词:粘性土; 固结不排水三轴试验; 应力路径 中图分类号:T U411文献标识码:A -( 05--, 的应力状态, [1, ] 方向有关, La 提出的应力路径方法为研究在不同加载条件下土的强度和变形特性提供了一个合理方法。 基坑开挖卸荷引起坑周土中应力场的变化, 因所处位置不同, 土体经受的应力路径也不尽相同, 国 [3, 4] 内外学者对基坑开挖中的应力路径和不同应力 [5～7][8, 9] 路径下土的变形、强度等特性进行了现场监测和室内应力路径三轴试验研究。研究表明不同的应力路径下土的性质存在明显差异, 常规三轴压缩试验结果用于基坑工程分析时, 导致计算结果与实际情况差距较大。已有的研究成果由于受试验设备的控制和数据采集等功能的限制, 难以全面反映试验过程和试验结果, 存在一定的局限性, 因此有必要对不同应力路径下土的强度和变形等特性进行详细的深入研究。 σ1>0, 本文选取常规三轴压缩应力路径(Δ Δσ3=0 、等平均应力p 应力路径(Δp =0 及基坑
第三章 构造研究中的应力分析基础 一、应力 内力与面力、体力、外力、内力等概念不同，在固体力学中应用广泛。物体的变形是由内力直接引起的（外力仅是引起内力改变的原因），因而在固体力学中更关心物体内部各部分之间的内力的变化情况，因而引入“应力”这个概念。 为了研究物体内部某点的内力分布状态，通常设想过该点作一个微小面积的截面。设这一微小截面的面积为ΔF ，作用在该截面上的内力为ΔP ，则将 称为该点处该截面上的应力。由于内力是矢量，应力也是矢量。 由于ΔF 截面上的内力P 可以分解为垂直于截面的内力分量N 和平行于截面的内力分量T ，相应地，应力也可以分解为垂直于截面的应力（σ）和平行于截面的应力（τ） 垂直于截面的应力（σ）称为该截面上的正应力，平行于截面的应力（τ）称为该截面上的剪应力。 二、主应力、主方向和主平面 在物体内部的某点处总是可以找到这样一个包含该点的微小的正六面体（立方体），它的三对正交截面上没有剪应力而只有正应力作用，这种情况下的三对正应力称为该点的主应力，分别用σ1、σ2、σ3表示，并规定压应力为正，拉应力为负，在代数值上保持σ1＞σ2＞σ3。 主应力的方向称为该点的应力主方向，三对截面则称为该点的三个主平面。 一点的3个主应力决定了该点的应力状态，当3个主应力中有两个为零时称单轴应力状态；有1个为零时称双轴应力状态或平面应力状态；当3个主应力都不为零时称为三轴应力状态。 三、应力莫尔圆 应力莫尔圆是一种重要的图解方法，可以直观地表示一点的应力状态。 以横坐标代表正应力σ，纵坐标代表剪应力τ，根据σ1、σ2和σ3的大小作出的用以反映一点应力状态的一个圆就是应力莫尔圆。 1．单轴应力状态的二维应力莫尔圆 圆上任一点的坐标代表与主应力σ1呈θ夹角的截面上所受到的正应力和剪应力。（其中θ是过该点的半径与横坐标轴所呈夹角的一半）。 2．双轴应力状态的二维应力莫尔圆 与单轴应力状态类似，圆上任一点的坐标代表与主应力σ1呈θ夹角的截面上所受到的正应力和剪应力。（其中θ是过该点的半径与横坐标轴所呈夹角的一半）。 从单轴和双轴应力莫尔圆上可以看出： （1）剪应力互等定律：在两个相互垂直的截面上剪应力大小相等，方向相反； （2）正应力之和守恒：在两个相互垂直的截面上正应力之和不变，等于主应力之和； （3）在与最大主应力σ1呈45?和135?的截面上所受到的剪应力最大。 3．三轴应力状态的三维应力莫尔圆 三个分别包含σ1和σ2轴、σ2和σ3轴、σ1和σ3轴的3个二维应力莫尔圆共同组成的区域内的任一点的横坐标和纵坐标即代表了三维空间中某截面上的正应力和剪应力。 该图上也可以看出最大剪应力位于σ1和σ3构成的应力圆上，位于与σ1呈45?或135?夹角的截面上。 p dF dP F P F ==??→?0lim dF dT dF dN F F 0 0lim lim →?→?=＝和τσ
水利学报 SHUILI XUEBAO 2013年7月 文章编号：0559-9350（2013）07-0772-07 收稿日期：2013-01-13 基金项目：国家自然科学基金资助项目（51179059）；江苏高校优势学科建设工程资助项目（PAPD） 作者简介：王子健（1987-），男，江苏镇江人，博士生，主要从事土石坝工程和土石料强度与变形研究。 E-mail：wwzzjj618@https://www.doczj.com/doc/0214655898.html, 第44卷第7期 不同应力路径下颗粒材料细观结构分析 王子健，刘斯宏，王怡舒，孔维耀 （河海大学水利水电学院，江苏南京210098） 摘要：用离散单元法对颗粒材料的双轴压缩试验进行了模拟，分析了不同应力状态时颗粒材料细观结构的发展规律。由经典土力学中土体骨架的细观表达出发，延伸出一种表述结构力链的数学统计参数。研究了该参数在不同应力路径下的变化趋势，验证了该参数对于描述颗粒材料细观结构的合理性，并从细观结构的角度解释了破坏滑动面产生的原理。通过定量描述加载过程中土体内部力链结构的变化，建立细观与宏观之间的关系，从细观机理上解释了宏观试验中破坏滑动面一般呈现45°+φ/2左右的事实，为今后从细观结构角度研究土体宏观特性提供了一个新的思路。 关键词：细观结构；颗粒材料；离散单元法；力链；土体骨架；应力路径 中图分类号：TU431文献标识码：A 1研究背景 颗粒材料是由离散颗粒组成，其宏观力学特性主要取决于细观层次的颗粒联结和颗粒排布。岩土体细观结构的研究一直是岩土工程界研究的热点，国内外许多学者从不同角度开展了一系列的研究工作。早在20世纪20年代，土力学奠基人Terzaghi首先提出了黏土的“蜂窝状结构”，其微细观结构的思想是岩土体细观结构研究的开端。Oda［1］率先研究了三轴压缩试验中材料细观结构的变化规律，他将砂土的三轴压缩试验试样经固化处理后从不同的方向切成薄片，然后观察颗粒接点数按接触角的分布，发现颗粒接点数在剪切过程中向大主应力方向集中。Matsuoka［2］基于光弹材料及圆铝棒的直剪试验结果，从颗粒接触点角变化规律出发，推导出了滑动面上的应力剪胀关系方程。蒋明镜等［3］基于结构性黏土三轴试验，研究了剪切滑动带形成的宏观力学条件及其剪切带倾角。谢定义等［4］依据土力学研究的方法，提出综合结构势的概念，揭示了土结构可稳性与可变性耦合变化的机制。殷宗泽等［5］采用微型“潜望镜”装置研究了大型接触面直剪试验中土与结构相对位移沿剪切方向的分布。 早期的颗粒材料细观结构的研究主要是基于试验或者是理论推导的基础上，而随着离散单元法（distinct element method，DEM）的提出，DEM数值模拟也成为了研究细观结构的行之有效的手段。 DEM是将颗粒材料认为是离散介质，将加载时间分成若干时间步长，不断更新每个时间步长离散单元的信息，包括位置、位移、速度、加速度、接触力和发挥的摩擦角等，该方法直接建立在牛顿第二定律的基础上，从而避免了连续介质理论中本构模型的建立，特别适用于颗粒材料的细观结构力学性质研究。前人已用DEM在岩土工程领域进行了大量的研究工作，刘斯宏等人曾用DEM研究了土体的应力剪胀方程［6-7］、湿化机理［8-9］和斜坡破坏机理［10-11］。周健等［12］和刘洋等［13-14］曾用DEM进行了砂土剪切带形成及发展规律、渗流细观力学模拟等方面的研究。李世海等［15］、王涛等［16］和魏群［17］在岩
终于知道为什么在abaqus里面d3的取值和Johnson-Cook做的实验d3的取值符号相反了。因为abaqus里面的应力三轴度η=-p/q。p是hydrostatic pressure stress 即静水压应力。 在abaqus中静水压应力的定义和国内弹塑性力学中的静水应力不一样。 国内是 abaqus theory manual 3.2.3里面有一段话，里面定义了静水压应力： trace是应力张量矩阵的迹，对于三维应力状态，也就是主对角线上三个元素的和，所以这里面的静水应力 而abaqus里面的应力三轴度η=-p/q。 那么负负得正，就和我们Johnson-cook文章里面的应力三轴度定义一致了。 因此d3的取值也就应该一致。 但是二者公式不一样。 Johnson-Cook abaqus 仔细观察会发现abaqus里面多了一个负号，那么在abaqus里面定义Johnson-Cook失效的时候，d3应该取Johnson-Cook公式里面d3的相反数。 以AISI 4340材料为例，其d3=-2.12，那么在abaqus里面要输入正的2.12. 这里面绕了一个很大的弯子。由于材料的fracture strain大部分随着应力三轴度的增加而降低，所以实验测得的大部分材料的d3取负值。然后换算到abaqus里面就变成正的了。 这也是为什么abaqus帮助文档说d3的取值大部分取positive value了。
2.png(35.87 KB, 下载次数: 0) 1.gif(3.86 KB, 下载次数: 0) 接上楼。 又有了新的发现。今天做了一个稳态金属切削仿真，还是调试失效参数。用的是ALE+断裂准则，发现无论把dispacement at failure调的多小，材料都没有失效，应变很大。觉得很郁闷，因为昨天才在abaqus manual 里面发现静水压力 所以经过推导，得出d3取值还是取正值的结论。 但我在后处理里面查看单元的应力的时候，发现正应力几乎全部取负值，这和拉伸试验里面的是不一样的，一般受拉为正。 按照上面的公式，则pressure stress几乎总是取正值。 而abaqus中应力三轴度stress triaxiality的定义是η=-p/q。 这里p即静水压力pressure stress，q是米塞斯等效应力。 q总是取正的。 那么应力三轴度η几乎总是取负值。首先这就和试验不相符。 当应力三轴度小于-0.333时，fracture strain的值很大很大，也就是说材料几乎不可能断裂。因此，一般应力三轴度取值区间大部分是正的。 再看abaqus里面关于Johnson-Cook damage initiation的定义equivalent plastic strain at the onset of damage, , is assume 如果d3取正值，按照abaqus的定义，应力三轴度η几乎总是负值，则-d3*η几乎大部分情况取正， 以AISI 4340为例, d1=0.05, d2=3.44, d3=2.12(d3本来是-2.12，但按照abaqus里面的定义，理论上要取相反数）, d4=0.002,d5=0.61 我查询的一个单元某一时刻应力三轴度是-0.72，代入公式计算后，达到了19.6。也就是说材料的应变要达到19.6才失效，显然材料很难失效。