基于坐标平移法的正常固结非饱和土三剪弹塑性本构模型

采用单应力变量法和双应力变量法建立了非饱和土的三剪统一强度准则,在此基础上用坐标平移法分别推导了相应的破坏应力比.将所得破坏应力比与非饱和土修正Cambridge模型进行结合,分别建立了单应力变量及双应力变量下的正常固结非饱和土三剪弹塑性本构模型,并对其做了ABAQUS二次开发.以南昌非饱和重塑红土为研究对象,分别对其做了非饱和土三轴固结排水试验验证、真三轴固结排水试验模拟,并研究了中间主应力影响系数b和基质吸力s对重力式挡土墙计算模型的影响.计算结果表明:所提的2种本构模型在三轴固结排水试验中均能很好地描述正常固结非饱和土的变形特性,且双应力变量下采用坐标平移法的模拟结果相对更为接近真实试验结果;在真三轴固结排水试验模拟中,采用双应力变量法相对单应力变量法所得偏应力和体应变偏大,随着中间主应力影响系数b增大,2种本构模型的偏应力和体应变也会随之增大;双应力变量下的重力式挡土墙计算模型更为稳定,随着中间主应力影响系数b或基质吸力s的增大,挡土墙模型土体位移相应减小,而墙后土体强度及稳定性相应增大.     

非饱和土固结的混合物理论（Ⅰ）

非饱和土是由土粒、水、气组成的三相介质，本以混合物理论为基础研究了非饱和土的固结问题。中导出了各向异性多孔介质及非饱和土 的有效应力的理论公式，把有效应力原理和Curie对称原理作为非饱和土的两个重要的本构原理，建立了非饱和 土固结的数学模型：由25个方程求解25个未知量。在增量线性化的情况下，本模型简化为5个控制方程求解5个未知量：3个固相位移、孔隙水压力和孔隙气压力。模型中包含7个材料参数，都可由试验测定，便于工程应用，Biot理论是本模型的特例。     

非饱和膨胀土的结构损伤模型及其在土坡多场耦合分析中的应用

针对原状膨胀土对气候变化反映敏感的特点和其具有胀缩性、裂隙性、超固结性等力学特性,以非饱和土力学和损伤力学为基础,建立了一个非饱和膨胀土的弹塑性损伤本构模型及相应的固结模型．把原状膨胀土看成是由未损部分和损伤部分的复合体,未损部分用非饱和土的非线性本构关系描述,损伤部分用损伤演化方程和两个屈服面（即,加载屈服面和剪切屈服面）描述．其中的损伤演化方程包括加载引起的损伤和干湿循环引起的损伤两个方面,用作者研制的CT-三轴试验确定．设计了相应的有限元程序UESEPDC;对非饱和膨胀土边坡进行了三相多场耦合问题的数值分析．分析分为4个阶段,得到了边坡在每一分析阶段的应力场、位移场、孔隙水压力场、孔隙气压力场、含水量场、基质吸力场、结构损伤演化场和塑性区扩展的动态图,较好地揭示了膨胀土边坡在开挖和气候变化条件下逐渐发生失稳滑动的现象及其机理．     

非饱和土本构关系的混合物理论(Ⅰ)——非线性本构方程和场方程

以混合物理论为基础建立了非饱和土非线性本构方程和场方程.把非饱和土作为3种组分构成的饱和混合物来研究.首先根据土力学成果提出了非饱和土混合物的基本假设,推导出适用于非饱和土混合物的熵不等式;然后采用混合物理论处理本构问题的常规方法得出了非饱和土非线性本构方程;最后把非线性本构方程代入混合物组分动量守恒定律,获得了非饱和土各组分运动的非线性场方程;并且给出了非饱和土混合物的能量守恒方程,从而形成了解决非饱和土混合物热力学过程的完备方程组.     

非饱和土本构关系的混合物理论（I）——非线性本构方程和场方程

以混合物理论为基础建立了非饱和土非线性本构方程和场方程，把非饱和土作为3种组分构成的饱和混合物来研究，首先根据土力学成果提出了非饱和土混合物的基本假设，推导出适用于非饱和土混合物的熵不等式；然后采用混合物理论处理本构问题的常规方法得出了非饱和土非线性本构方程；最后把非线性本构方程代入混合物组分动量守恒定律，获得了非饱和土各组分运动的非线性场方程；并且给出了非饱和土混合物的能量守恒方程，从而形成了解决非饱和土混合物热力学过程的完备方程组。     

定荷载和双面排水条件下非饱和土一维固结的解析解

基于多孔介质弹性理论,结合粒间吸应力表示的有效应力原理,建立了非饱和土固结的耦合偏微分控制方程.考虑一维问题,采用Laplace积分变换,得到了定荷载和双面排水条件下非饱和土固结的解析解答.通过数值算例,分析了土体饱和度对超孔隙水压力、有效应力以及土层沉降的影响规律.结果表明,土体的初始饱和度越高,则孔隙水压力消散得越快,有效应力增加越快.     

非饱和土一维固结的半解析解

首先对Fredlund的非饱和土一维固结理论进行简化,由得到的液相及气相的控制方程、Darcy定律及Fick定律,经Laplace变换及Cayley-Hamilton定理构造了顶面状态向量与任意深度处状态向量间的传递关系;通过引入边界条件,得到了大面积瞬时加荷情况多种边界条件下Laplace变换域内的超孔隙水压力、 超孔隙气压力及土层沉降的解;采用Crump方法编制程序实现Laplace逆转换,得到了时间域内的超孔隙水压力、超孔隙气压力、土层沉降的半解析解;引用典型算例,对单面排水排气情况,与已有的解析解进行对比,验证其正确性;对单面排气不排水情况,与差分法结果进行对比进一步证明半解析解的正确性,并进行固结特性分析．该研究对非饱和土一维固结的研究具有重要的意义．     

非饱和土本构关系的混合物理论(Ⅱ)--线性本构方程和场方程

通过对非饱和土非线性本构方程和场方程的线性化，推导出了非饱和土的线性本构方程和场方程，把线性方程表示为与Biot饱和多孔介质方程相似的形式；证明了Darcy定律对非饱和土的适用性；说明了Biot饱和多孔介质方程是这些线性方程的特征。所有这些都表明用混合理论处理非饱和土本构问题的正确性。     

非饱和土层一维固结问题的解析解

对一有限厚度,处于一维受荷状态,表面为透水透气面,底面为不透水不透气面的非饱和土层,依据Fredlund的非饱和土一维固结理论,由液相及气相的控制方程、Darcy定律及Fick定律,经Laplace变换及Cayley-Hamilton数学方法构造了顶面状态向量与任意深度处状态向量间的传递关系;通过引入初始及边界条件,得到了Laplace变换域内的超孔隙水压力、超孔隙气压力以及土层沉降的解;实现Laplace逆变换,得到了时间域内的解析解;用一典型算例,与差分法结果进行对比,验证了其正确性．     

饱和粘土非线性渗流规律与径向固结

以多孔介质等效渗流概念得出粘土平均孔隙微尺度数量级范围在0.01 μm至0.1μm,与测试结果一致．实验结果表明饱和粘土微尺度孔隙渗流为非线性流．理论推导表明固液界面作用与渗透率平方根或孔隙半径成反比,固液界面相互作用是导致饱和粘土非线性渗流的重要原因．提出了精确描述饱和粘土微尺度孔隙非线性渗流基本规律的数学模型,其参数量纲明确,物理意义清楚．建立了饱和粘土非线性渗流新定律,统一描述了从较低到较高水力梯度全过程渗流曲线特征,达西定律是其特例．基于新定律,建立了饱和粘土非线性渗流定流量径向固结数学模型．以粘性边界层思想与稳态依序替换法及积分方程法,导出了粘土非线性渗流平均质量守恒方程及活动边界运动方程,给出了饱和粘土非线性渗流超孔隙水压力分布公式与平均固结度计算公式,获得了粘土层压力分布规律和平均固结度随时间变化规律．结果表明:饱和粘土非线性渗流使活动边界运动速度减小．研究结果为粘土地质工程与岩土工程应用提供了新的科学依据．达西渗流径向固结计算是新的非线性渗流固结计算的特例．     

Numerical simulation of nonlinear consolidation problems by models based on the network method

The nonlinear consolidation problem in saturated soils, for any type of constitutive dependences of the hydraulic permeability and the void ratio on the effective pressure, has been numerically simulated by the network method. Three different network models, based on logarithmic and/or potential constitutive dependences, called the Davis and Raymond, Juárez-Badillo and Cornetti and Battaglio models, as well as a fourth one with dependences in tabulated form, are solved. In addition, new network models that delete the two restrictive hypotheses assumed by these authors are presented. These hypotheses are the influence of the void ratio changes in the term of contraction of the governing equation and the influence of the thickness change of the volume element as consolidation progresses. Only a few rules based on elementary theory of circuits are required for the design of the models, whose solution is reliable with relatively small grids and computational times. After verifying the results of the network method with the solutions of the classic authors, the extended models have been used to address a real case of consolidation.     

Uncertainty analysis of transport of water and pesticide in an unsaturated layered soil profile using fuzzy set theory

Incomplete information is notoriously common in planning soil and groundwater remediation. For making decisions groundwater flow and transport models are commonly used. However, uncertainty in prediction arises due to imprecise information on flow and transport parameters like saturated/unsaturated hydraulic conductivity, water retention curve parameters, precipitation and evapo-transpiration rates as well as factors governing the fate of pollutant in soil like dispersion, diffusion, degradation and chemical transformation. Different methods exist for quantifying uncertainty, e.g. first and second order Taylor’s Series and Monte-Carlo method. In this paper, a methodology based on fuzzy set theory is presented to express imprecision of input data, in terms of fuzzy number, to quantify the uncertainty in prediction. The application of the fuzzy set theory is demonstrated through pesticide (endosulfan) transport in an unsaturated layered soil profile. The governing partial differential equation along with fuzzy inputs, results in a non-linear optimization problem. The solution gives complete membership functions for flow (suction head) and pesticide concentration in soil column.     

土壤和多孔介质静力和动力特性的基本公式

本文把土壤和岩石或混凝土等多孔性介质当作“固体骨架”和填隙流体所组成的二相介质.对于填充得不饱和的材料而言,还考虑了第三相问题.本文研究了这类介质的本构方程和动力以及运动方程式.也研究它们的各种近似以及其适用范围,包括像固结压实和不排水状态等极有工程价值的特殊情况.最后还研究了有限元离散化,以及各种述及时间问题的土壤问题的解.     

Existence for a time-dependent rainfall infiltration model with a blowing up diffusivity

A difficulty in the modelling of water infiltration into an unsaturated soil is due to the presence of a diffusion coefficient that blows up at the moisture saturation value. This is put in evidence in some well-known hydraulic models like those of Broadbridge and White and van Genuchten. In this paper, we obtain results concerning the existence, uniqueness and regularity properties of the solution of unsaturated water flow determined by a time-dependent rainfall, with a nonlinear flux boundary condition on the outflow boundary and a singular diffusion coefficient. Some considerations related to the possibility of saturation occurrence and the extension of the results to the model describing the infiltration into an nonhomogeneous stratified soil are finally made.     

任意荷载下成层粘弹性地基的一维固结

针对成层粘弹性地基模型,运用Laplace变换及矩阵传递法求解了任意荷载下成层粘弹性地基一维变形问题,得到了频域内的通解,通过Laplace逆变换,即可计算成层粘弹性地基在任意荷载下的一维变形.Terzaghi一维固结理论解是本文的一个特例.结合三层地基的算例,可以看到粘弹性地基的固结相对于弹性地基有个滞后过程,但随时间最终趋于一致;循环荷载下粘弹性多层地基固结时,其有效应力和变形都呈振荡增长,且不与荷载同步,而要相对滞后.此外,通过一工程实例,对该方法的可靠性进行论证,以证明该法确能指导工程实践.