饱和超固结黏性土的三剪弹塑性本构模型研究

针对饱和超固结黏性土现有下加载面修正剑桥模型中破坏应力比为定值、土体黏聚力为零,以及不能准确反映不同应力状态下土的强度差异这些问题,基于三剪统一强度准则以及应力坐标平移法得到了扩展破坏应力比,其特点是能更好地反映应力状态变化以及土体黏聚力的影响。在此基础上提出了饱和超固结黏性土的三剪弹塑性本构模型,该模型的特点是能描述土体受力时的中间主应力效应,应力区间效应和拉压差影响,同时也能更好地考虑土体黏聚力的影响。基于该模型对ABAQUS软件进行了二次开发,并利用其模拟了饱和超固结黏性土在排水和不排水条件下的真三轴和常规三轴压缩试验特性。对常规三轴压缩条件下土体力学特性作了模拟和试验结果对比。结果表明所提模型能很好地反映不同超固结比下土体的变形、剪胀、孔隙水压力变化特性。     

正常固结原状饱和黏性土的本构模型研究

基于扰动状态概念研究了正常固结饱和原状黏性土的本构模型。其中,相对完整状态采用基于原状黏性土的理想非线性弹性本构模型来表征;完全调整状态则是基于临界状态土力学框架,将修正剑桥模型与三剪强度准则相结合而建立的弹塑性本构模型来表征。为了更好地反映黏性土的黏聚力影响,提出了等量代换法和坐标平移法两种处理方法,并作了对比研究。针对基于临界状态土力学框架和扰动状态概念建立的原状土本构模型为平均应力、广义剪应力与体应变、广义剪应变间的关系且无屈服函数显式表达式,提出了一个将其三维化的方法。三维化后的原状黏性土本构模型为空间内6个应力分量和6个应变分量之间的关系,更便于复杂应力状态下的土体变形分析及有限元编程。为验证模型的正确性,对正常固结江西原状饱和红黏土土样作了固结排水和固结不排水条件下的常规三轴压缩试验和K0固结试验,并与模型计算结果作了对比,结果表明:所提模型能够较好地反映江西原状饱和红黏土的力学和变形特性。另外,用所提模型对江西原状饱和红黏土进行了真三轴压缩数值模拟实验,探讨了中间主应力对其力学和变形特性的影响,结果表明:中间主应力及其影响系数对土的变形、孔隙水压力、强度均有影响;固结不排水条件下,在相同剪应力的作用下,土体剪应变随中间主应力影响系数的增大而减小,在相同轴向应变条件下,孔隙水压力随中间主应力影响系数的增大而增大;固结排水条件下,在相同平均正应力作用下,土体体应变随中间主应力影响系数的增大而减小,在相同轴向应变条件下,土体体应变随中主应力影响系数的增大而增大。     

正常固结饱和黏性土三剪有限变形弹塑性本构模型研究

基于三剪统一强度准则,利用等量代换法和坐标平移法分别推导出正常固结饱和黏性土的三剪破坏应力比,并将其与修正剑桥模型相结合,得到三剪统一屈服面方程。为反映饱和黏性土的变形非线性及大变形特性,基于有限变形理论,建立了正常固结饱和黏性土的三剪统一有限变形等量代换法和坐标平移法2种弹塑性本构模型。为验证模型的适用性,取江西红黏土制备三种不同压实度的试样,在不同围压下进行常规三轴固结不排水和固结排水压缩试验。将试验数据与本文所提2种有限变形模型及相应的2种小变形模型计算结果进行了对比分析,结果表明,随着变形的发展,有限变形模型相对于小变形模型更接近试验结果,能较好地反映黏性土因高孔隙率（低初始压实度、小围压及压缩变形前期）而产生的大变形特性,虽然小变形模型的计算偏差会随着土样初始压实度和所施加围压的增大而减小,但有限变形模型对不同压实度和围压的计算偏差均相对较小,其中,等量代换法有限变形模型在初始压实度较大或者围压较高时所得计算偏差相对最小。对所提本构模型所做真三轴分析表明,中间主应力影响系数b和初始压实度对土体的强度和变形特性具有一定的影响。主应力差、孔隙水压力和体应变与b值呈正相关性,主应力差与初始压实度呈正相关性,孔隙水压力和体应变与初始压实度呈负相关性。     

饱和砂土的三剪弹塑性边界面模型研究(一)——模型理论

基于边界面模型方法研究了不同密实度和含泥量的饱和砂土在静、动荷载作用下的力学和变形特性。其中,初始边界面方程是通过改进修正剑桥模型椭圆形屈服方程得到的,后继边界面方程则是在前次边界面方程的基础上采用中心点映射法获得。针对原模型破坏应力比为定值,不能反映全应力状态和黏聚力在土体受力过程中的作用这一问题,基于三剪统一强度准则,通过等量代换法、坐标平移法对破坏应力比、相变应力比进行了修正,使修正后的椭圆形边界面适用于不同密实度和含泥量的饱和砂土。在此基础上应用边界面理论,研究了饱和砂土的三剪弹塑性边界面本构模型及有限元算式。该模型能够描述密实砂土在受力时表现的剪胀特性,同时可以反映中间主应力效应、应力区间效应、拉压差效应和黏聚力对应力-应变特性的影响。     

K0超固结土的不排水抗剪强度

结合K0超固结上模型、旋转角w公式、临界状态不排水条件以及基于SMP的变换应力张量建立了不排水抗剪强度的统一表达式;采用三轴压缩、三轴拉伸的应力洛德角θ、旋转角w建立了三轴压缩、三轴拉伸条件下的不排水抗剪强度公式;基于临界状态士力学,推导出了平面应变条件下的应力洛德角θ、旋转角w的表达式,进而得到平面应变条件下的不排水抗剪强度公式.分别采用三轴压缩、三轴拉伸和平面应变条件下试验数据对所提出的不排水抗剪强度公式进行验证,预测结果和试验数据的基本吻合表明了不排水抗剪强度公式的合理性.     

正常固结饱和地基土的总应力强度指标

地基极限承载力与土体稳定分析的总应力分析法需要用土的总应力强度指标。三种常规室内三轴试验的固结应力状态、剪切时的应力路径和排水条件与地基土原位受荷破坏时不尽相同。本文首先建立三种典型排水条件下模拟地基土实际受力的总应力强度指标理论式 ,分析了其变化规律 ;与常规三轴试验结果进行了比较 ;分析了固结不排水条件下的强度计算途径和对应的指标 ;最后建立了两种部分排水条件下的总应力强度指标的计算式 ,分析了它们随固结的变化。     

CONSTITUTIVE MODELS AND HYPERGRAVITY PHYSICAL SIMULATION OF SOILS$^{\bf 1)}$

数值模拟和物理模拟是分析土体沉降和稳定性的主要手段. 本构模型作为描述土体应力应变关系的数学表达式, 是数值模拟的基础. 土体具有碎散性, 这一基本物理特性导致了其具有压硬性、摩擦性和剪胀性, 这是土的力学特性区别于金属的主要特征, 在土体的本构模型中必须反映这3个基本特性. 传统土力学将土体的变形和强度分离考虑, 分别采用弹性理论和基于刚塑性模型的极限平衡理论分析, 虽然应用广泛, 但由于不能全面地反映土的基本力学特性, 计算结果的精度常常难以满足定量分析的需要. 剑桥模型作为第一个全面反映压硬性、摩擦性和剪胀性的弹塑性本构模型, 实现了变形和强度的统一, 能较好地描述饱和正常固结黏土的应力应变关系, 被视为是现代土力学的开端; 统一硬化模型通过引入一个独特的硬化参数进一步发展了剑桥模型, 将适用范围扩大到超固结黏土. 作者认为, 未来岩土体本构模型研究的挑战是: 如何考虑岩土体在受力过程中土骨架相变与多场耦合, 以解决目前本构模型尚无法定量分析的能源、交通、环境和水利相关的重大岩土工程问题. 超重力物理模拟具有缩尺效应和缩时效应, 克服了常重力物理模拟中模型的应力水平低于原型的缺点, 特别适用于大尺度、长历时问题的模拟. 相较数值模拟, 超重力物理模拟的优势在于能够检验本构模型的合理性, 揭示本构模型无法描述的未知特性. 最后, 介绍了采用数值模拟和物理模拟联合分析大直径钢管桩水平受荷特性的工程案例.     

土体的本构模型和超重力物理模拟

数值模拟和物理模拟是分析土体沉降和稳定性的主要手段. 本构模型作为描述土体应力应变关系的数学表达式, 是数值模拟的基础. 土体具有碎散性, 这一基本物理特性导致了其具有压硬性、摩擦性和剪胀性, 这是土的力学特性区别于金属的主要特征, 在土体的本构模型中必须反映这3个基本特性. 传统土力学将土体的变形和强度分离考虑, 分别采用弹性理论和基于刚塑性模型的极限平衡理论分析, 虽然应用广泛, 但由于不能全面地反映土的基本力学特性, 计算结果的精度常常难以满足定量分析的需要. 剑桥模型作为第一个全面反映压硬性、摩擦性和剪胀性的弹塑性本构模型, 实现了变形和强度的统一, 能较好地描述饱和正常固结黏土的应力应变关系, 被视为是现代土力学的开端; 统一硬化模型通过引入一个独特的硬化参数进一步发展了剑桥模型, 将适用范围扩大到超固结黏土. 作者认为, 未来岩土体本构模型研究的挑战是: 如何考虑岩土体在受力过程中土骨架相变与多场耦合, 以解决目前本构模型尚无法定量分析的能源、交通、环境和水利相关的重大岩土工程问题. 超重力物理模拟具有缩尺效应和缩时效应, 克服了常重力物理模拟中模型的应力水平低于原型的缺点, 特别适用于大尺度、长历时问题的模拟. 相较数值模拟, 超重力物理模拟的优势在于能够检验本构模型的合理性, 揭示本构模型无法描述的未知特性. 最后, 介绍了采用数值模拟和物理模拟联合分析大直径钢管桩水平受荷特性的工程案例.      

制样含水量对软黏土力学特性影响的试验研究

为分析制样含水量对重塑软黏土的力学特性影响,用单向固结仪和三轴仪分别对不同泥浆含水量固结而成的重塑样开展了单向压缩试验和固结不排水剪切三轴试验。试验结果表明,重塑样的初始孔隙比随制样含水量的增大而增大,从而引起压缩曲线的上移以及压缩指数的增大,土体的抗剪强度减小,孔隙水压力增大;但初始含水量对土体的有效应力比和临界状态影响不大;制样含水量对重塑样力学特性的影响的界限含水量约为2.0倍液限含水量。最后,用孔隙指数对试验结果归一化,得到不同初始孔隙比重塑样的压缩曲线和剪切强度可基本归一化为土的固有压缩曲线和固有强度曲线。     

Undrained shear strength for K0{K}_{0}K0 overconsolidated clays K01)}K0

结合K0超固结土模型、旋转角K0\omegaK0公式、临界状态不排 水条件以及基于SMP的变换应力张量建立了不排水抗剪强度的统一表达 式;采用三轴压缩、三轴拉伸的应力洛德角K0\thetaK0、旋转角K0\omega K0建立了三轴压缩、三轴拉伸条件下的不排水抗剪强度公式;基于临界状态土力学,推导出了 平面应变条件下的应力洛德角K0\thetaK0、旋转角K0\omega K0的表达式,进而得到平面应变条件下的不排水抗剪强度公式. 分别采用三轴压缩、三轴拉伸 和平面应变条件下试验数据对所提出的不排水抗剪强度公式进行验证,预测结果和试验数据 的基本吻合表明了不排水抗剪强度公式的合理性.     

结构性饱和黄土动力特性试验研究

基于室内不排水动三轴试验,研究了5种因素,即围压、超固结比、偏压固结比、动剪应力比、加载频率等对饱和黄土动力特性的影响。本文强调了结构性在饱和黄土动力特性研究中的重要性,结构性的破坏是影响土体动力力学特性的一个重要转折点。并阐明了用塑性残余变形来表征土体内部结构的变化并以此作为孔压增长函数自变量的合理性。     

基于进化多项式回归方法的土体本构关系

进化多项式回归方法是近几年来在国际上引起广泛关注的一种新颖的数据挖掘方法。本文在土样固结排水试验数据的基础上,首次使用该方法建立了土体本构关系。采用上海嘉定区某地软土的固结排水试验结果对模型进行了验证。结果表明,该本构关系能够更精确地描述土体的应力-应变特性,其预测精度比修正剑桥模型高19.6%~57.7%。另外,本文还用切线刚度法,对基于进化多项式回归方法的土体本构关系进行了ABAQUS二次开发,对软土固结排水试验进行了有限元数值模拟。     

循环荷载作用下饱和粘土中的有效应力原理的实验研究

有效应力原理是土力学中的经典理论,在土动力学中,有效应力原理的应用基本上是沿用土静力学中的方法,即通过建立合理的孔压模式,利用有效应力原理对土体的破坏进行分析。但是通过动三轴试验发现,在动三轴不固结不排水试验中,整个试验过程中孔压不发生变化,土体强度却发生了明显的衰减。这种现象利用有效应力原理无法得到合理的解释。针对这种现象,本文建议引入损伤变量D,作为反映土体结构变化的参数,对有效应力原理进行修正。经过修正后的有效应力原理反映了在循环荷载作用下,循环扰动造成的结构损伤对有效应力的影响,可以合理地解释动力作用下土体中孔压和有效应力相互转换,以及土体强度衰减的原因。     

K0超固结结构性黏土的本构模型

K₀固结黏土在自然界广泛分布, 其通常同时具有超固结性与天然结构性, 而K₀超固结性又与K₀正常固结性质存在很大差异. 为了有效的描述K₀超固结性质, 在结构性模型基础上, 做了如下三点改进, 使得原模型拓展为同时考虑K₀超固结特性与天然结构性影响的本构模型. (1)引入相对应力比来描述屈服面, 并引入初始各向异性转轴参量ξ来表达初始各向异性对屈服面在p-q空间的位置影响. (2)基于给定的屈服面方程, 推导得到变相应力比参量, 并将变相应力比引入到统一硬化参数中, 利用统一硬化参数可以有效描述初始各向异性固结黏土在剪切加载下的剪缩与剪胀, 应变硬化及软化现象. (3)引入反映结构性胶结强度性质的胶结参量p_e, 并给出p_e随塑性偏应变的衰减演化方程, 利用胶结参量可描述结构性黏土的剪胀特性. 预测与试验结果对比表明, 所提的K₀超固结结构性模型可有效描述K₀超固结黏土的刚度提高效应, 黏土的包辛格效应, 结构性黏土胶结强度的损失现象以及结构性黏土的应变软化现象. 证明了所提模型的适用性以及合理性.      

一种初始各向异性砂土本构模型的数值应用及试验验证

基于砂土颗粒的毛细效应特性制备砂土试样,在0°～90°范围内选取若干沉积方向,在中围压条件下进行三轴固结排水剪切试验。试验表明:沉积方向对试样强度和变形特性有显著影响。通过对试验数据进行拟合得到沉积方向和偏应力的关系,结合试验结果对Mohr-Coulomb屈服准则进行修正,建立一种密砂初始各向异性本构模型;对本构模型进行数值积分,并对密砂固结排水剪切试验进行数值模拟,分析偏应力、体积变化以及主应力方向的变化。将数值分析结果与试验结果进行对比,结果表明:二者相吻合,本构模型能够合理地预测试验结果。所建立的本构模型可用于砂土初始各向异性的研究工作中。     

江苏大丰海域海洋土HSS模型主要参数试验研究

小应变硬化土（hardening soil with small strain stiffness, HSS）模型能反映土体在小应变范围内的非线性,广泛应用于土工变形分析。海上风电基础对变形控制要求高,需考虑土体的小应变特性。通过固结试验、三轴固结排水试验、三轴固结排水加卸载试验与共振柱试验,获得了江苏大丰海域海洋土HSS模型主要参数,并建立了HSS模型相关模量参数与土体物理参数之间的关系。试验成果可为海洋土HSS模型分析及参数取值提供重要参考,具有一定的工程价值。     

考虑渗流影响的球孔扩张理论解答

为研究沉桩过程中渗流作用下球孔扩张引起的土体力学响应,基于桩端应力为三轴压缩状态下的空间滑动面(SMP)准则和非相关联流动法则,考虑渗流和剪胀特性等因素的综合影响,结合弹塑性边界条件推导了饱和无黏性土球孔扩张问题的弹塑性解答。利用体积守恒并考虑塑性区的弹性变形条件,得出了极限扩孔压力的理论解答。在此基础上,通过与不考虑渗流影响的球孔扩张解答对比,研究了渗流体积力对球孔扩张中应力和塑性区半径的影响。研究结果表明:随着渗流体积力的增大,扩孔压力和塑性区半径均减小;剪胀特性对土体的位移和变形影响显著,随着剪胀角的增加,扩孔周围土体的径向位移减小,并沿径向逐渐趋于零;随着土体强度的增大,扩孔压力明显增大。该解答可为富水工程中进行扩底沉桩等岩土渗流问题提供必要的理论依据。     

复杂应力状态下GCr15轴承钢的动态剪切及熔融特性研究

本文探究了GCr15轴承钢压剪试样在冲击载荷下的绝热剪切和熔融破坏特性．首先,实验研究发现GCr15轴承钢的力学性能具有拉-压不对称性、应力状态及应变率敏感性．因此,通过引入应力三轴度、洛德角、应变率和绝热剪切温升机制扩展了经典J-C本构模型,并对GCr15轴承钢的动态单轴压缩和压剪试验结果进行了数值实现．研究结果表明,应力三轴度和洛德角是影响动态冲击下压剪试样的绝热剪切产生和熔融特性的重要因素．     

超固结土的一维固结理论及其试验研究

基于超固结饱和土固结理论,针对变荷载、自重应力分布等条件下提出3了相应的一维超固结土问题的控制方程,总结出六个超固结土的一维线性固结计算参数.并采用半解析法编制了求解该问题的Fortran计算程序.利用GDS高级固结仪对萧山黏土进行超固结土的一维固结渗透联合试验以及一维固结压缩试验,将测定的一维超固结土计算参数引入理论程序中,分别对比了位移、平均固结度、底部孔压这三者随时间变化的理论和试验曲线.结果表明:超固结土的一维线性固结理论比正常固结土的一维线性固结理论更接近试验结果,验证了超固结土的固结理论,表明了考虑土体应力历史对固结计算的重要性.     

一个反映土体复杂加卸荷路径的弹黏塑性模型

基于Perzyna 过应力理论,构造了一个土体各向异性弹黏塑性本构模型. 模型引入Wheeler 旋转硬化法则,能够较好的描述土体的初始各向异性和应力诱发各向异性. 借助ABAQUS 软件中UMAT 子程序接口,模型采用隐式积分算法——图形返回算法实现. 通过对一组复杂加卸荷路径的三轴不排水剪切试验(HKMD) 及一组分级加载三轴不排水蠕变试验(Sachville clay) 的模拟,表明本模型能够合理反映土体的率效应、应力松弛、蠕变及土体各向异性现象,验证了模型的有效性.