超固结饱和黏性土的弹塑性本构模型及三轴试验模拟

针对饱和超固结黏性土现有的下加载面修正剑桥模型破坏应力比为定值,不能反映土体在不同应力状态下强度特性存在差异这一问题,为了更好地反映应力状态变化对破坏应力比的影响,基于三剪统一强度准则确定超固结土的破坏应力比。在此基础上得到了超固结土的弹塑性本构模型,该模型的特点是能够描述土体受力时的中间主应力效应、应力区间效应、拉压差影响。基于该本构模型作了常规三轴压缩条件下超固结饱和黏性土的模拟结果与试验结果对比,结果表明:该模型能够反映不同超固结比下土的变形、剪胀、孔隙水压力变化特性和规律。利用该本构模型模拟了排水和不排水条件下的真三轴压缩试验,得到了相应的应力-应变特性曲线。     

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。     

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。     

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。     

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.     

浙东大运河非饱和粉质黏土抗剪强度特性的试验研究

浙东大运河绍兴段的土体整体上受河流相和海相沉积的影响,地质条件非常复杂．其中粉质黏土作为浅表层土体,受雨水影响较大,其状态经常处于饱和状态与非饱和状态之间．为了进一步探究绍兴段典型非饱和粉质黏土的稳定性差异,以及本构关系和强度指标的变化规律,通过全自动非饱和土应力路径三轴仪,对试验土样进行了三轴剪切试验．试验结果表明,初始干密度从1.4 g/cm3增加到1.6 g/cm3时,土体的抗剪强度、总黏聚力、有效内摩擦角和吸附内摩擦角均增大,应力-应变关系曲线由应变硬化型向应变软化型转变,并且基质吸力和净围压越大,区别越明显;基质吸力从0增加到300 kPa时,土体的抵抗变形能力提高,抗剪强度和总黏聚力增大,有效内摩擦角基本无明显变化,吸附内摩擦角逐渐减小．研究结果揭示了浙东大运河绍兴段非饱和粉质黏土的抗剪强度特性的变化规律,为该地域土质边坡、基坑等工程提供理论依据．     

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。     

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.      

Fractional plasticity for over-consolidated soft soil

The stress–strain response of over-consolidated soft soil, e.g., clay, is dependent on its pre-consolidation history and material state. In this study, a state-dependent constitutive model for over-consolidated soft soils is proposed by extending the fractional plasticity originally developed for granular soil. The state-dependent stress-dilatancy and peak failure behaviour of over-consolidated soft soil are analytically captured through stress-fractional gradient of the current yielding surface. In addition, a reference yielding surface describing the pre-consolidation history of soft soil is proposed. A combined hardening rule expressed as a function of both the incremental plastic volumetric and shear strains is suggested. To validate the proposed model, a series of drained and undrained test results of different soft soils with a wide range of over-consolidation ratios are simulated and compared. It is found that without using additional plastic potentials and state parameters, the developed fractional model can capture the state-dependent hardening and softening responses of soft soils subjected to different over-consolidation states.

     

Micromechanics-based model for cement-treated clays

Cementation is produced by mixing a certain amount of cement with the saturated clay. The purpose of this paper is to model the cementation effect on the mechanical behavior of cement-treated clay. A micromechanical stress-strain model is developed considering explicitly the cementation at inter-cluster contacts. The inter-cluster bonding and debonding during mechanical loading are introduced in two ways: an additional cohesion in the shear sliding and a higher yield stress in normal compression. The model is used to simulate isotropic compression and undrained triaxial tests under various confining stresses on cement-treated Singapore clay with various cement contents. The applicability of the present model is evaluated through comparisons between numerical and experimental results. The evolution of local stresses and local strains in inter-cluster planes is discussed in order to explain the induced anisotropy due to debonding at contact level under the applied loads.     

软化Mohr-Coulomb材料强度参数的测定方法

为了得到试件的粘聚力和内摩擦角随轴向塑性压应变变化的曲线提出本方法。试件的弹塑性本构关系遵循相关联的Mohr-Coulomb强度准则;对常规三轴试验,试件受力进入塑性状态后,处在棱椎状屈服面的棱上,加载过程遵循Koiter流动法则。按经典塑性力学理论,推导得到轴向塑性压应变与轴向应力与轴向应变的关系;在常规三轴试验机上获得不同围压下试件的全程应力-应变曲线,进而可得到各自围压下轴向塑性压应变随加载过程的变化曲线;把来自不同围压下对应同一轴向塑性压应变的应力分别代入屈服面方程,即可求得对应的粘聚力和内摩擦角。结果表明,Mohr-Coulomb材料的两个强度参数的变化由轴向塑性压应变确定。轴向塑性压应变可以作为塑性变形的状态参数,它和试件的受力过程可以唯一确定试件的变形过程。     

考虑水化学损伤的岩石真三轴蠕变本构模型

为了准确描述岩石在酸性环境下真三轴蠕变行为的各阶段特征,基于水岩作用的化学动力学理论,定义了考虑PH值与时间的化学损伤因子,将弹性体,非线性Kelvin体,线性Kelvin体和黏弹塑性体进行串联,并考虑岩石在真三轴应力作用下的实际情况,建立岩石酸腐与真三轴应力耦合作用下的损伤蠕变本构模型,通过已有的蠕变试验数据对该模型进行参数辨识与验证,并通过数据拟合得到岩石在真三轴应力下的屈服面方程,探讨中间主应力对蠕变模型的影响.结果表明,推导的本构模型能很好地描述岩石在酸腐作用下真三轴蠕变行为的各阶段特性,验证了其合理性与准确性.     

Mechanical behaviour of the upper layers of a sandy loam soil under shear loading

The mechanical behaviour of the upper layers of a sandy loam soil was studied under standard triaxial compression and direct shear box tests. Variations of soil material properties were investigated at four different initial dry bulk densities of 1410, 1520, 1610 and 1670 kg/m³. Soil deformation and volume change under the triaxial compression loading were also studied at these bulk densities. Results from the two tests showed increases in the soil mechanical properties with the initial dry bulk density. The internal friction angle values measured with the triaxial compression apparatus exceeded those measured with the direct shear box. In contrast, the soil cohesion values measured with the direct shear box exceeded those measured with the triaxial compression apparatus. Under the triaxial compression test, the loose soil samples underwent contraction and volume reduction, whereas the dense samples swelled and failure cracks appeared clearly at various planes. The soil contraction for the former case characterizes the occurrence of soil compaction, whereas the cracks propagation and volume increase in the latter case characterizes the breaking up and loosening of soil during tillage operations. For the loose and moderately compacted states, the engineering Poisson's ratio increased with the axial strain until loading was completed. It also increased at the compacted and very compacted states until reaching given loading stages, after which its value started to decrease. This shifting in the engineering Poisson's ratio during loading may provide another identification of the moment of soil failure occurrence, in addition to that of the maximum shear stress.     

A simple anisotropic clay plasticity model

An anisotropic clay plasticity constitutive model is extended to include a non-associative flow rule for the successful simulation of the response under undrained loading for some normally consolidated sensitive clays, including possible softening response, without altering otherwise the simple basic structure of the formulation. The model has been developed within the framework of critical state soil mechanics (CSSM) for the triaxial space. The model's structure deviates, in general, from the particular premises of CSSM in regards to a unique critical state line in the space of void ratio and effective pressure, in order to simulate observed experimental data.