2277con太阳能集团-中国有限分公司工程力学研究所在中高应变率土力学理论及计算方法方面取得新进展

近日,2277con太阳能集团-中国有限分公司工程力学研究所在中高应变率土力学理论及计算方法方面取得新进展,阐明并揭示了砂土在10-6-106应变率范围内的三阶段应变率效应,建立了砂土压缩率相关本构模型及SPH大变形计算方法。

现代土力学在土体的应力历史依存性、应力路径相关性、应变软化性、各向异性、流变特性、温变特性等方面形成了一致的认识,但在土体的应变率效应认知方面还远远不足,不仅限制了桩基贯入、高应变检测、地基强夯加固船舶抛锚等技术的发展,还制约了落石灾害防护、飞机跑道冲击破坏、堰塞湖处置、军事防护与武器效应等问题的解决。鉴于此,项目组通过试验设备改进、机理揭示、本构模型建立等,在中高应变率土力学理论及计算方法方面形成了阶段性成果。

首先,在颗粒尺度上搭建了低、中、高应变率试验平台,解决了全域应变率衔接难题,实现了对颗粒的几何-物理-力学多元精细化研究。以南海岛礁钙质砂为研究对象,再现了不同应变率下多孔钙质砂颗粒的破碎演化过程,明确了钙质砂特征强度的全域应变率效应,揭示了粘性滞后效应的内在机制。

 

图1 砂土颗粒破碎强度的应变率变化规律及粘性滞后效应

其次,自主研发了散体材料三轴冲击试验围压装置和测量系统,攻克了高应力状态下土体排水边界控制、应力状态动态监测、变形测量等难题。基于此,阐明了砂土的宏观冲击压缩和剪切特性及颗粒移动、旋转、破碎等细观机理,p揭示了中高应变率下砂土的应力波传播衰减规律和能量耗散机理。

   

图2 散体材料三轴SHPB冲击试验围压系统及应力-应变规律

再者,提出了颗粒破碎硬度与应变率的关联函数,构建了砂土的率相关粘-亚塑性本构模型。将模型嵌入SPH求解器,解决了低应力状态修正、客观应力率等数值技术问题,形成了可实现全域应变率的大变形计算方法。

 

图3 率相关本构模型验证及大变形计算弹体侵彻

相关成果发表在《International Journal of Impact Engineering》、《Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering》、《Canadian Geotechnical Journal》、《岩土力学》等国内外岩土工程和冲击工程重要期刊上,论文第一作者为工程力学研究所吕亚茹教授,合作作者包括王媛教授、黄文雄教授、苏宇宸副教授等。该成果得到国家自然科学基金面上项目(51779264、52279097)和国防领域基金等经费支撑。成果可服务南海岛礁土木工程规划决策,推动土体应变率效应科学研究,服务沿海和海洋工程建设。

相关研究成果:

[1] Yaru Lv, Feng Li, Yawen Liu, Pengxian Fan, Mingyang Wang. Comparative study of coral sand and silica sand in creep under general stress states. Canadian Geotechnical Journal, 2017, 54(11): 1601-1611.

[2] Yaru Lv, Charles W W Ng, Yuan Wang. Evaluation of wave dissipation in sand under impact loading. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental engineering (ASCE), 2019, 145(9): 06019007.

[3] Yaru Lv, Xin Li, Chengfei Fan, Yuchen Su. Effects of internal pores on the mechanical properties of marine calcareous sand particles. Acta Geotechnica, 2021, 16:3209–3228.

[4] 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. 岩土力学, 2021, 42(2): 352-360.

[5] Lv Yaru, Lin Wu, Yuchen Su. SHPB experiments and FDM-DEM coupled simulations on calcareous sand under uniaxial to triaxial deformation. International Journal of Impact Engineering, 2023, 181: 104751.


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