非饱和颗粒材料的多孔连续体有效压力与有效广义Biot应力

多孔连续体理论框架下的非饱和多孔介质广义有效压力定义和Bishop参数的定量表达式长期以来存在争议,这也影响了对与其直接相关联的非饱和多孔介质广义Biot有效应力的正确预测.基于随时间演变的离散固体颗粒-双联液桥-液膜体系描述的Voronoi胞元模型,利用由模型获得的非饱和颗粒材料表征元中水力-力学介观结构和响应信息,文章定义了低饱和度多孔介质局部材料点的有效内状态变量:非饱和多孔连续体的广义Biot有效应力和有效压力,导出了其表达式.所导出的有效压力公式表明,非饱和多孔连续体的有效压力张量为各向异性,它不仅对非饱和多孔连续体广义Biot有效应力张量的静水应力分量的影响呈各向异性,同时也对其剪切应力分量有影响.文章表明,非饱和多孔连续体中提出的广义Biot理论和双变量理论的基本缺陷在于它们均假定反映非混和两相孔隙流体对固相骨架水力-力学效应的有效压力张量为各向同性.此外,为定义各向同性有效压力张量和作为加权系数而引入的Bishop参数并不包含对非饱和多孔连续体中局部材料点水力-力学响应具有十分重要效应的基质吸力.所导出的非饱和多孔介质广义Biot有效应力和有效压力公式(包括反映有效压力...     

非饱和多孔介质中混合元法的化学-热-渗流-力学耦合的本构模拟

在文献[1]中建立的多孔介质中化学-热-渗流-力学(CTHM)本构模型基础上,针对文献[2]建立的非饱和多孔介质中热-渗流-力学耦合分析的混合有限元方法,发展了非饱和多孔介质中混合元的化学-热-渗流-力学(CTHM)耦合本构模拟算法。采用非关联流动多重屈服准则模拟非饱和多孔介质的材料非线性行为。推导了u-pw-pa-T形式的包含了耦合率本构方程积分的向后欧拉映射算法和一致性弹塑性切线模量矩阵(单元刚度矩阵)的混合元一致性算法。本文给出了临界状态线(CSL)和状态边界面(SBS)两个屈服准则的一致性算法。数值结果显示了本文所发展的混合元耦合本构模拟算法在模拟由热、化学、力学荷载共同引起的多孔介质中化学-热-渗流-力学(CTHM)耦合行为的能力和有效性。     

不同排水条件下非饱和土中柱孔扩张问题的解析分析

现有的圆柱孔扩张理论已可为诸如石油工程中井筒稳定性鉴定、 及旁压和圆锥贯入实验分析等提供理论依据, 但在非饱和地基压力注浆, 复合地基处理等实际工程问题中却鲜有应用. 基于弹塑性理论和非饱和土力学原理, 采用统一强度理论, 对非饱和土中柱形小孔扩张问题进行了解析研究. 首先将柱孔周围土体分为弹性区和塑性区, 并考虑在弹性区遵循小应变理论, 在塑性区遵循大应变理论, 同时考虑了中间主应力及粒间吸力对非饱和土体强度的影响. 其次应用有效应力表示的统一强度准则, 在本构关系、几何方程、动量平衡方程等基本方程的基础上, 结合相应的边界条件, 最终获得了不同排水条件下柱孔扩张时周围弹塑性区域内的应力场、应变场、位移场及极限扩孔压力的解析表达式. 通过数值算例和参数分析, 在与现有的饱和及非饱和土中柱孔扩张理论进行退化验证的同时, 分析了吸力、剪胀参数、中主应力效应参数及初始径向有效应力等对弹塑性区域内的应力场、应变场及位移场的影响规律, 验证了本文理论的正确性及有效性, 以期为实际工程问题提供合理的理论依据.      

深基坑开挖中饱和-非饱和土体渗流-沉降的耦合分析

基于饱和-非饱和土体渗流理论,以及土体渗透系数与基质吸力之间的相互联系,将基坑非稳态渗流场的动态变化在时间和空间上进行离散,分别引入到基坑降水的应力应变分析中.以Fredlund非饱和土理论和Mohr-Coulomb屈服准则为基础,采用土体弹塑性本构模型,对高水位地区深基坑开挖采用井点降水措施引起的基坑渗流场的变化及地表沉降进行了数值模拟分析,得出不同降水条件下渗流场的变化规律以及渗流-沉降的内在联系.     

土中爆炸波与地下结构相互作用计算方法研究综述

土中爆炸波与结构相互作用是地下工程结构抗爆计算的理论基础,理论研究中通常在宏观试验基础上,引入合理的介质动力本构模型分析波动问题。针对工程防护中的计算模型和解析方法,综述了岩土介质中爆炸波与结构相互作用的现状和研究进展,内容包括土的动力本构模型,自由场中爆炸波的传播、爆炸波与箱型、圆柱形和直墙圆拱型等地下结构的相互作用等。重点阐述了常用的非饱和土和饱和土的动力本构模型、考虑松弛效应的土的综合弹塑性模型,一维平面波在不均匀介质和分层介质中的传播及地下结构爆炸荷载计算方面的研究成果,分析了各种模型和计算方法的适用范围和存在问题。     

ADVANCES IN TRUE TRIAXIAL TEST OF UNSATURATED SOILS

研究非饱和土的强度是非饱和土理论及其工程应用的首要问题,但因复杂应力状态下基质吸力的控制技术、量测技术和吸力平衡时间等原因,非饱和土真三轴试验研究的进展迟缓. 在介绍非饱和土刚性真三轴仪、柔性真三轴仪和刚柔复合型真三轴仪的基础上,重点分析已有非饱和土刚性和柔性真三轴试验结果,总结现有非饱和土真三轴仪及其试验研究的不足,同时指出Mohr-Coulomb 强度准则和外接圆Drucker-Prager准则对非饱和土真三轴试验结果的不适用性. 应开展更多不同种类非饱和土的完整真三轴试验研究,特别是非饱和黏性土;应结合非饱和土的应力状态变量和强度特性,建立符合工程实际受力状况的非饱和土真三轴强度准则,完善非饱和土的理论基础.     

基于van Genuchten模型的非饱和土非线性抗剪强度研究

为了更直观和全面地揭示非饱和土的抗剪强度变化规律,针对土体剪切破坏面上抗剪强度与法向应力呈非线性关系以及基质吸力关联摩擦角随基质吸力改变呈非线性变化这两种实验现象,结合vanGenuchten土水特征曲线模型,提出了非饱和土的非线性抗剪强度包络壳模型,进而推导得出了基于土水特征曲线(SWCC)相关参数的非饱和土非线性抗剪强度计算公式。研究表明:模型中各参数较易获取且无须增加额外的试验;与Fredlund包络(平)面模型相比,本文模型参数获取过程更为客观,可有效保证计算的唯一性和准确性;通过与已有文献所给试验结果进行对比分析,本文模型的适用性与可靠性得到了验证,相较于著名的Fredlund非饱和土抗剪强度计算公式,由本文方法给出的非线性抗剪强度与土体真实抗剪强度更为接近。     

水饱和岩石中爆炸应力波传播的数值模拟

基于连续介质力学和不相融混合物理论,假定组分间无相对运动,采用B-W-N-B有效应力准则,在屈服面中引入孔隙影响因子,提出了一种多孔含水介质流固耦合的本构模型,并给出了孔隙的演化方程,对水饱和凝灰岩介质中的爆炸应力波传播作了数值模拟。数值计算给出的应力波形与实测结果有良好的一致性。采用本文中所述流固耦合本构模型,可很好地预测水饱和岩石中爆炸波的演化规律。     

基于介观结构的饱和与非饱和多孔介质有效应力

基于描述含液颗粒材料介观结构的Voronoi 胞元模型和离散颗粒集合体与多孔连续体间的介-宏观均匀化过程, 定义饱和与非饱和多孔介质有效应力. 导出了计及孔隙液压引起之颗粒体积变形的饱和多孔介质广义有效应力. 用以定义广义有效应力的Biot 系数不仅依赖于颗粒材料的多孔连续体固体骨架及单个固体颗粒的体积模量(材料参数),同时与固体骨架当前平均广义有效应力及单个固体颗粒的体积应变(状态量) 有关. 提出了描述非饱和多孔介质中非混和固体颗粒、孔隙液体和气体等三相相互作用的具介观结构的Voronoi 胞元模型.具体考虑在低饱和度下双联(binary bond) 模式的摆动(pendular) 液桥系统介观结构. 导出了基于介观水力-力学模型的非饱和多孔介质的各向异性有效应力张量与有效压力张量. 考虑非饱和多孔介质Voronoi 胞元模型介观结构的各向同性情况,得到了与非饱和多孔连续体理论中唯象地假定的标量有效压力相同的有效压力形式.但本文定义的与确定非饱和多孔介质有效应力和有效压力相关联的Bishop 参数由基于三相介观水力-力学模型, 作为饱和度、孔隙度和介观结构参数的函数导出,而非唯象假定.      

相间交界面对非饱和土应力状态的影响

非饱和土是一种三相多孔介质,不同相之间的交界面尤其是气液交界面的存在直接影响了非饱和土的宏观行为.首先对土中交界面的形式和作用进行了探讨,指出气液交界面对非饱和土的行为有重要影响,并给出了界面功和气液比表面积的表达式.在已有的非饱和土变形功表达式基础上,引入界面能影响,得到了考虑交界面影响的非饱和土自由能方程.利用所得的自由能方程,给出了考虑交界面影响的非饱和土固相和液相相应的应力变量.对考虑交界面面积的液相流动方程进行了探讨,给出了非平衡条件下的土水特征曲线表达式,指出在平衡条件下土水特征曲线中应当考虑交界面面积的影响,传统土水特征曲线是三维关系在吸力-饱和度平面上的投影.将比表面积与土水特征曲线的关系,利用已有试验数据验证了该表达式的合理性.利用界面面积的表达式计算有效应力,将其与已有试验结果进行对比,表明给出的比表面积表达式可很好地反映实际情况.不同于已有现象学研究,本文推导具有严格的理论基础,研究表明完整的有效应力表达式中应考虑土体内部作用力的影响,其不仅包含基质吸力,同时还包含其他形式的作用力,其大小与界面比表面积有关.该表达式为下一步研究界面效应对土体变形、强度和流动特性的研究提供了基础.     

Macroscopic thermodynamics of porous media

A macroscopic thermodynamical theory of unsaturated porous media is studied. The porous media under consideration contain air, liquid water and its vapour encountering phase changes. To the classical state quantities, viz. temperature and densities, we add the volume fractions. These fractions are submitted to constraints, for instance their values lie between 0 and 1. The constraints are taken into account by the free energies which become non-smooth functions. The constitutive laws are obtained by classical thermodynamics and a careful treatment of the non-smooth functions. The constitutive laws account for experimental properties of unsaturated porous media: hysteresis of the sorption and desorption, capillary suction ...     

Effective Stress in Unsaturated Soils: A Thermodynamic Approach Based on the Interfacial Energy and Hydromechanical Coupling

In recent years, the effective stress approach has received much attention in the constitutive modeling of unsaturated soils. In this approach, the effective stress parameter is very important. This parameter needs a correct definition and has to be determined properly. In this paper, a thermodynamic approach is used to develop a physically-based formula for the effective stress tensor in unsaturated soils. This approach accounts for the hydro-mechanical coupling, which is quite important when dealing with hydraulic hysteresis in unsaturated soils. The resulting formula takes into account the role of interfacial energy and the contribution of air?Cwater specific interfacial area to the effective stress tensor. Moreover, a bi-quadratic surface is proposed to represent the contribution of the so-called suction stress in the effective stress tensor. It is shown that the proposed relationship for suction stress is in agreement with available experimental data in the full hydraulic cycle (drying, scanning, and wetting).     

CONSTITUTIVE RELATION OF UNSATURATED SOIL BY USE OF THE MIXTURE THEORY (Ⅱ)—LINEAR CONSTITUTIVE EQUATIONS AND FIELD EQUATIONS

IntroductionInpart(Ⅰ )ofthework[1],byuseofmixturetheory ,thenonlinearconstitutiveequationsandthefieldequationsofunsaturatedsoilwereconstructed ,andthecompleteequationsforthethermodynamicsystemofunsaturatedsoilwasformed .Inthispart,thelinearconstitutiveequationsandfieldequationsofunsaturatedsoilareobtainedthroughlinearizingnonlinearequations,andthelinearequationsarewrittenintheformssimilartoBiot’sequationsforsaturatedporousmedia .ItisprovedthatDarcy’slawissuitabletodescribethemotionofliquid…     

Hyperelastic Multiphase Porous Media with Strain-Dependent Retention Laws

This article presents poroelastic laws accounting for a retention behavior dependent also on porosity, as suggested by experimental evidence. Motivated by the numerical formulation of the corresponding boundary-value problem presented in a companion article, these constitutive equations employ displacements and fluid pressures as primary variables. The thermodynamic admissibility of the proposed rate laws for stress and fluid contents is assessed by means of symmetry and Maxwell conditions obtained from the Biot theory. In the case of strain-dependent saturation, the two elasticity tensors describing the drained response in saturated and unsaturated conditions, respectively, are proven to be in general not coincident, with their difference depending on capillary pressure and porosity. Furthermore, it is shown that besides the stress decomposition proposed by Coussy, also the stress split proposed by Lewis and Schrefler is consistent with the Biot framework. The former decomposition is obtained for retention laws depending only on capillary pressure, as expected. The Lewis–Schrefler split is proven to be consistent with retention models depending also on porosity. In these developments, the compressibility of all the phases is taken into account, in order to assess the thermodynamic consistency of an extension of the Biot’s coefficient to partially saturated anisotropic porous media.     

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．     

非饱和土土水特征曲线(SWCC)测试与预测

非饱和土土水特征曲线(SWCC)表示了土中含水量与吸力之间的关系。文章介绍了6种常用方法,各有其适用范围。体积压力板仪可量测最大基质吸力值为1500kPa的干燥曲线和浸湿曲线;超过1500kPa时,可用盐溶液法进行量测;Tem-ple仪可量测基质吸力达100kPa的干燥曲线;滤纸法可用于测量土体的基质吸力与总吸力;Dew-point电位计可用于量测土样总吸力变化,尤其适合渗透吸力的量测;TDR探头适合于量测小于300kPa的基质吸力。用GDS非饱和土三轴仪可以进行SWCC测试,测试范围主要取决于陶土板的进气值。用准确的数学模型对测得的含水量、吸力数据进行拟合,对于预测非饱和土力学性质、渗透系数、抗剪强度及分析边坡稳定性有重要意义。由于准确测试SWCC难度较大,并且测试影响因素较多,所以根据土体孔隙大小分布和颗粒大小分布情况预测SWCC,也是一种较好的方法。     

An elastoplastic model for unsaturated rocks and concrete

This paper presents an elastoplastic model for unsaturated rocks and concrete. The formulation is based on the poroplastic theory of porous media. The effect of water saturation on plastic deformation is described through a generalised effective stress. Plastic shrinkage and swelling due to suction change are taken into account. All model’s parameters can be determined from specific laboratory tests. Comparisons between numerical simulations and experimental data are provided for a claystone.