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。     

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。     

主应力轴旋转下黏土累积变形的分数阶元件模型

在长期交通载荷作用下土体塑性累积变形本构模型对路基沉降计算至为关键.元件组合模型可以计算岩土体循环累积应变,但现有的各类元件模型未能反映饱和软黏土的主应力轴循环旋转现象.在对饱和软黏土进行等向固结条件下的主应力轴循环旋转加载试验及非等向固结下的循环扭剪试验基础上,将Abel黏壶代替Burgers模型中的Newton黏壶,得到分数阶Burgers模型;利用遗传算法优化循环塑性累积应变的Burgers模型和分数阶Burgers模型的参数,通过对比两组模型的计算值与试验值,发现分数阶模型更适合模拟计算循环载荷下饱和软黏土的累积变形.     

含主应力轴旋转的土体本构关系研究进展

主应力轴旋转对岩土工程的影响日益受到人们的重视．本文从纯主应力轴旋转、纯应力洛德角变化、多种因素变化、排水与不排水等方面较全面地描述了含主应力轴旋转情况下土体的基本变形特性．对当前较有影响的含主应力轴旋转的土体本构模型（基于一般应力空间的土体本构模型、运动硬化模型、边界面模型、土体弹塑性应力应变关系的完全应力增量表述等等）进行了较为系统的评述．提出了合主应力轴旋转的实验研究中存在的核心问题与建立合主应力轴旋转的土体本构关系的根本途径．      

恒定主应力偏转角下黏土不排水剪切特性分析

天然土的结构性、各向异性对其强度有影响.进行固结压力100kPa、主应力轴恒定偏转角为0°,15°,30°,45°,60°的恒定主应力轴偏转角的固结不排水剪切试验,分析了不同恒定主应力轴偏转角对饱和软黏土固结不排水剪切强度影响;推导了总应力控制恒定主应力轴偏转角剪切试验总应力路径,编制了总应力控制剪切三维点积分程序,对比恒定主应力轴偏转角饱和软黏土固结不排水剪切强度计算值与试验结果,表明程序能很好地反应各向异性对土剪切强度影响.     

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.      

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.     

存在定流量汇项的分数阶导数黏弹性饱和土体一维固结解析

采用半解析方法对外部荷载和内部汇项共同作用所诱发的分数阶导数黏弹性饱和土一维固结特性进行了研究。首先,将分数阶微积分理论引入Kelvin-Voigt黏弹性模型以表征饱和黏土的流变性;然后利用Laplace积分变换,解析求解了Laplace变换域内存在外部荷载和内部汇项的分数阶导数Kelvin-Voigt黏弹性饱和土体一维固结微分方程;并采用Crump数值解法实现Laplace数值逆变换,从而得到了物理空间一维固结问题的半解析解。将所得半解析解与经典弹性饱和土体一维固结的解析解及均布荷载(无内部汇项)所诱发的分数阶导数黏弹性饱和土一维固结的解析解进行了对比,验证了本文半解析解的有效性。最后开展了参数研究,讨论了分数阶导数阶次、固结系数和汇项强度对饱和黏土固结行为的影响。结果表明:分数阶导数阶次主要影响固结发展速率,分数阶导数阶次越大,饱和黏土达到固结稳定所需的时间越短;固结系数对存在内部汇项诱发的固结问题的影响与传统由荷载诱发的固结问题的影响不同。固结系数、汇项强度和汇项位置均主要影响饱和黏土的最终沉降量,固结系数越大,最终沉降量越小;汇项强度越大或汇项位置离透水边界越远,固结沉降量越大。且存在汇项后,双面排水条件下的最终沉降量小于单面排水条件下的最终沉降量。     

土剪胀性的应力路径相关规律及其模拟

建立能够反映土的变形和强度特性应力路径依存性的本构模型, 首先需要解决土剪胀规律的应力路径依存性问题. 对黏土和砂土剪胀性的应力路径依存性做了系统的分析和比较,模型预测与试验结果的比较表明: 剑桥模型和统一硬化模型在描述土的这一特性方面都有一定缺陷; 采用部分塑性体应变与塑性剪应变耦合的思路建立的渐近状态模型能够较好地反映土剪胀性的应力路径依存性.      

循环荷载作用下考虑Hansbo渗流的饱和黏土固结分析

针对传统一维Terzaghi固结理论的局限性,本文引入了考虑时间效应的UH (unified hardening)本构模型,将Hansbo渗流模型耦合到UH本构模型固结方程中,建立了几种典型循环荷载作用下基于UH模型和考虑Hansbo渗流模型的固结方程。采用FlexPDE软件进行了数值分析,将计算结果与已有文献结果对比,验证了该算法的可靠性。在此基础上,研究了饱和黏土在几种典型循环荷载作用下的渗流固结特性,分析了各模型参数对饱和黏土固结特性的影响。结果表明:在循环荷载作用下,地基的平均固结度、沉降量等始终处于循环状态;Hansbo渗流模型参数对平均固结度的影响相对于Darcy渗流参数影响程度较大,其中UH模型中次固结系数对固结过程影响程度较大。另外,Hansbo渗流参数及土的回弹指数和渗透指数等对固结过程的影响主要体现在中期,固结过程后期将处于稳定循环状态。     

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。     

复杂应力状态下岩土材料非线性本构模型研究

基于统一强度理论,将洛德参数引入统一强度理论,推导出材料的统一强度参数,进而分析中间主应力以及主剪应力系数对材料统一强度参数的影响。在此基础上,对邓肯张双曲线模型进行改进,使得该模型能够反映复杂应力状态下的应力应变关系。采用粘土的平面应变试验进行验证,结果表明:在平面应变情况下,当b=0.4时,模型能够较好地反映粘土的应力应变关系,及其强度参数。分析了洛德参数以及中间主应力系数对模型的影响,进一步说明岩土材料存在主应力效应。该模型能够反映不同材料在复杂应力状态下的应力应变关系,有其更为广泛的适用性。     

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。     

单向压缩状态下上海地区软土的蠕变变形与次固结特 性研究

基于上海地区原状软土的一维固结试验,讨论了在不同加荷比、加荷速率及超载预压情况下软土的蠕变变形特性和次固结特性。试验结果表明:蠕变变形随应力水平、加荷速率的增大而增大。相同应力水平下,加荷比较大的土样蠕变变形较小。蠕变变形为非线性,随着应力水平的增加,蠕变变形从粘弹性到粘塑性转变,加荷比较大时,这种转变更明显。对试验结果进行曲线拟和,确定Metchell一维经验模型参数,拟和曲线与试验结果吻合较好。通过对次固结阶段试验数据的线性拟合可知,对于正常固结土,次固结系数Ca值受应力水平和加荷比的影响不大,而与加荷速率密切相关,加荷速率较大时,Ca值随荷载的增大急剧增大后略有降低。超载预压可有效减小次固结系数,从而有利于减小工后次固结沉降。     

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。     

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。     

欧拉描述的大变形固结理论

以往大变形固结理论主要基于一般的固体力学模型，其控制方程忽视了固结过程中排水引起 的质量变化. 提出饱和土的连续介质模型，并基于连续介质力学的公理体系推导了反映质量 变化的欧拉描述的大变形固结控制方程. 发现传统固结理论中：(1)忽视了渗流速度对土体平衡条件的影响；(2)决定土体平衡的总应力张量只有在土体变形速度和渗流速度方向相同时才具有对称性等. 在忽略变质量效应等条件下，传统理论成为本文理论的特例. 通过算例 的有限元分析，比较了欧拉描述与两种物质描述方法的差别，得到初步结论：(1)欧拉描述 方法计算的地基沉降量要小于物质描述方法的结果；(2)欧拉描述方法计算的侧向位移偏大 于两种物质描述结果.     

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．     

含主应力轴旋转的土体平面应变问题弹塑性数值模拟

在含主应力轴旋转的土体本构关系研究的基础上,通过含主应力轴旋转的土体平面应变问题的弹塑性数值模拟结果分析,总结主应力轴旋转对土体应力分布与应形影响的规律,得出需要考虑主应力轴旋转的条件及影响的相对大小。