一个可考虑结构性影响的土体本构模型

以往的土体材料本构模型基本上没有考虑结构性这一最为根本的内在因素的影响。在回顾与评价剑桥模型的基础上，基于经典塑性理论，提出了一个可考虑结构性影响的土体本构模型，分析验证了这一模型的合理性，指出了模型的适用条件。     

非饱和结构性黄土本构模型的研究

本文在饱和土扰动概念基础上,提出了可以考虑外力和增湿两个扰动因素对非饱和土结构性影响的耦合扰动变量。根据复合材料均匀化理论的思想建立了适用于非饱和结构性黄土的本构模型,并给出了耦合扰动变量的演化方程。通过将BBM模型和本文模型的计算结果分别与已有的实验结果进行对比说明,本文模型能够更好地反映非饱和原状黄土的力学特性。通过对结构性参数β、α进行分析说明,所给出的耦合扰动变量的演化方程能够较好地描述土结构性随变形劣化的规律。     

基于扰动状态概念的结构性粘土本构模型研究

考虑结构性粘土的本构模型研究中存在的问题．引入了Desai C S的扰动状态概念,并对关键参数——扰动函数进行了扩展,增加了土体体积应变的影响,建立了结构性粘土的弹塑性扰动状态本构模型．最后通过三轴不排水剪切试验对模型进行了检验,结果表明该模型反映了上体的变形特征,说明在类似条件下能较好的满足工程实际的要求．     

泡沫铝本构行为研究进展

作为泡沫金属的典型代表, 泡沫铝是一种集结构性和功能性于一体的新型材料, 随着生产工艺的提高及国民经济的发展, 泡沫铝在航空航天、交通运输、建筑工程、机械制造等领域的应用日趋深入和广泛. 工程中复杂的载荷工况, 对泡沫铝本构模型的准确性及实用性提出了更高的要求. 国内外学者对泡沫铝进行了大量的试验研究及有限元数值分析工作, 随着各种研究和数值分析本构模型的提出、验证及修正等, 人们对泡沫铝的力学性能及其应用的认识逐渐提高. 本文首先简要概述了泡沫铝力学性能的试验研究及有限元数值分析的进展, 然后重点综述泡沫铝本构行为的国内外研究进展及现状. 最后, 针对目前存在的问题, 讨论并展望了泡沫铝本构行为的研究发展趋势. 完善本构模型表征所需的特征参量, 将各向异性或横观各项同性材料假定引入模型构建体系, 明确静水压缩响应及单轴压缩响应在材料强化中的权重, 建立例如随动强化般更加真实且准确反映泡沫铝强化过程的强化准则, 将应变率效应研究成果引入本构模型中等是现有泡沫铝本构模型体系中的重要研究方向.      

泡沫铝本构行为研究进展

作为泡沫金属的典型代表,泡沫铝是一种集结构性和功能性于一体的新型材料,随着生产工艺的提高及国民经济的发展,泡沫铝在航空航天、交通运输、建筑工程、机械制造等领域的应用日趋深入和广泛.工程中复杂的载荷工况,对泡沫铝本构模型的准确性及实用性提出了更高的要求.国内外学者对泡沫铝进行了大量的试验研究及有限元数值分析工作,随着各种研究和数值分析本构模型的提出、验证及修正等,人们对泡沫铝的力学性能及其应用的认识逐渐提高.本文首先简要概述了泡沫铝力学性能的试验研究及有限元数值分析的进展,然后重点综述泡沫铝本构行为的国内外研究进展及现状.最后,针对目前存在的问题,讨论并展望了泡沫铝本构行为的研究发展趋势.完善本构模型表征所需的特征参量,将各向异性或横观各项同性材料假定引入模型构建体系,明确静水压缩响应及单轴压缩响应在材料强化中的权重,建立例如随动强化般更加真实且准确反映泡沫铝强化过程的强化准则,将应变率效应研究成果引入本构模型中等是现有泡沫铝本构模型体系中的重要研究方向.     

非饱和土力学理论的研究进展

回顾了非饱和土有效应力的发展,目前普遍认同采用两个应力变量来建立本构模型,且对基质吸力中毛细和粘吸两部分作用进行了阐述。分析了非饱和土强度问题,包括抗剪强度和抗拉强度。讨论了非饱和土的本构模型问题,包括基于净应力和基质吸力的弹塑性模型,基于Bishop有效应力和基质吸力的水力力学耦合弹塑性模型,以及双孔隙结构的模型。最后探讨了热力学方法和多孔介质理论在非饱和土中的应用,基于多孔介质理论在多场耦合条件下土体复杂的行为是当前值得研究的问题。     

土本构关系的尖点突变模式

本文首次应用突变理论的尖点突变模型分析土的本构特性,建立了土相应的统一本构关系方程。该方程可以考虑软化土的应力路径,亦可分析硬化土的应力路径,统一本构方程通过试验检验是令人满意的。     

深部土高压卸载变形结构性量化参数确定及本构模型

用取自山东巨野矿区埋深300～600m的深部粘土样,在三轴伺服仪上进行原状和重塑土的高压三轴卸载试验,对比分析其变形特点;提出一种描述深部土高压卸载变形与强度连续变化的土结构性参数的方法,并根据三轴卸载试验结果,确定了巨野矿区深部土高压卸载变形结构性参数,建立了描述巨野矿区深部土高压卸载结构性本构模型。     

近代海积软土结构性及弹-塑性模型研究

土的结构性数学模型是 2 1世纪土力学的核心问题。本文分析了近代海积软土的结构性以及其塑性体应变硬化和塑性偏应变硬化的机制 ,建立了弹塑性本构模型 ,模型采用了具有双硬化参数的屈服轨迹及含结构性参数 m的塑性应变方程。     

土的各向同性化变换应力方法

在不同方向的力学参数、结构特性及应力应变关系的不同为材料的各向异性, 建立能够反映这种复杂特性的强度准则、本构模型, 对于材料本构关系的研究具有重要的理论意义. 但材料的各向异性一直是其力学特性描述的难点, 对此, 郑泉水院士提出了各向同性化定理, 为后续研究解决材料的各向异性问题提供了方向及思路. 作者等针对土的应力诱导各向异性提出了变换应力方法, 这种方法同样遵循对材料进行各向异性问题各向同性化处理的思路, 与郑泉水院士的各向同性化定理是一脉相承的, 也是对各向同性化定理的发展. 本文旨在通过分析各向同性化定理与变换应力方法明确两者间的内在联系, 并以土材料的应力诱导各向异性处理为例, 说明在具体材料的各向异性处理过程中面临的现实问题以及变换应力方法是如何解决这些问题的. 分析并给出了变换应力方法应用时的三个合理假设, 推导出了具体的变换应力数学公式, 阐明了在考虑土的应力诱导各向异性的具体函数已经给出的情况下, 在构造土的弹塑性本构模型中采用变换应力方法的必要性.      

基于土体细观结构的土质加固分类方法初步分析

目前的土质加固与地基处理技术,大都摒弃土体原有结构不用,或实施强力重新构造土体的结构,以耗费大量的能 量、费用为代价。基于土的细观结构,从加固体的力学特性以及加固土体的结构变化角度对地基处理类别进行三类划分、按 土体加固技术的实施路径进行二类划分,目的是更多地关注加固体与土的相互作用、重视土的结构作用。若能在加固时充分 利用土体的原有强度,在已有的土体结构形式上实施结构上的补强,在理论上将使能量使用更经济、从而节约工程造价,而且 将减少对环境的影响和扰动。     

Sinkage tests for mobility study, modelling and experimental validation

The sinkage of the bearing tracks or wheels of a vehicle in soil induces a resistance to travel motion. Usually it is determined with methods based on the modelling of soil pressure-sinkage curves. This article presents a new method for modelling soil penetration tests as a result of experimental study of three standard soils. These soils have been chosen to represent the mechanical properties of a range of soils: a sand for frictional soils, a silt for cohesive soils and a silty sand for cohesive frictional soils. The models take into account the mechanical behaviour of soils where a small vertical sinkage can be assumed analogous to elastic behaviour, while for large sinkage, the analogy is with plastic behaviour. A New Model of Mobility (N2M) is proposed. A new equation relating the pressure p and the sinkage z is governed by four parameters which are constant for a specific soil in a given physical state. These parameters can be calculated with two sinkage tests made with two different plate diameters and are particularly stable: a small change of one of them involves a small change of the modelling. They are independent of the size of the sinkage plate and hence could pave the way for the extrapolation to the scale of full size vehicles. For the tested soils, comparison of the model results with experimental tests is very promising.     

基于数字图像的土、岩和混凝土内部结构定量分析和力学数值计算的研究进展

土、岩及混凝土是一种内部结构极其复杂的材料,内部细观组成和结构决定了它们在外力作用下内部应力和应变等物理场的分布状态,在很大程度上控制了它们的宏观力学响应和破坏机理和过程。自1995年以来,数字图像处理技术作为一种材料细观空间结构及几何形态的精确量测和数字表述手段快速地被应用于沥青混凝土、水泥混凝土、土和岩体材料细观结构定量分析中来。本文在研究相关文献的基础上,分析和研究了数字图像技术在土、岩及混凝土内部结构定量分析和力学数值计算中的发展过程和研究成果,内容包括:单个骨料颗粒形态特征定量分析;土、岩和混凝土内部结构定量分析;岩体结构定量分析中的应用;基于数字图像处理的土、岩和混凝土细观结构力学计算。在此基础上,本文进一步对数字图像技术在岩土领域中的应用进展及未来的发展趋势进行了探讨,认为数字图像作为一种空间分布测量手段和数字表述方法使得它具有巨大的潜力,特别是在岩土领域的纵深发展过程中,它可能实现考虑细微观结构性的岩土力学和工程分析和预测的、新的方法和理论。     

一种土的非线性弹性本构模型参数的反演方法

旨在提出一种土的非线性弹性本构模型参数反演的方法。以现今普遍实行的地基载荷试验为基础,依据遗传算法的组合优化理论,采用正演计算和遗传算法优化相结合的方式,建立了土层非线性弹性本构模型参数反演的方法;并依据某黄土场地地基载荷试验数据,实施了黄土土层非线性弹性本构模型参数反演的全过程。计算结果表明,所建立的方法可以实现土层非线性弹性本构模型中相互关联的多个参数的组合优化,并在对初始值要求较低的情况下,可以获得良好的参数反演精度。从而为土的变形特性分析和土与其中及相邻结构的共同作用分析,提供了较好的土体本构模型参数的确定方法。     

A STRESS VECTOR-BASED CONSTITUTIVE MODEL FOR COHESIONLESS SOIL (Ⅱ)-APPLICATION

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＡｃｏｍｐａｎｉｏｎｐａｐｅｒ [1 ]ｄｅｓｃｒｉｂｅｄａｓｔｒｅｓｓｖｅｃｔｏｒ＿ｂａｓｅｄｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｍｏｄｅｌｆｏｒｃｏｈｅｓｉｏｎｌｅｓｓｓｏｉｌ.Ｔｈｅｍｏｄｅｌｉｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｃｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｏｆｓｔｒｅｓｓｖｅｃｔｏｒｆｏｒｔｈｅｍａｉｎ .Ｔｈａｔｉｓ ,ｕｎｄｅｒｐｌａｎｅｓｔｒａｉｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ,ｔｈｅａｃｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｏｆｓｔｒｅｓｓｖｅｃｔｏｒｃａｎｂｅｅｑｕｉ…     

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.      

A STRESS VECTOR-BASED CONSTITUTIVE MODEL FOR COHESIONLESS SOIL (Ⅰ)-THEORY

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＯｎｅｏｆｔｈｅｐｒｉｍａｒｙｐｒｏｂｌｅｍｓｉｎｇｏｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｉｓｔｏｃｏｎｓｔｒｕｃｔａｓｏｉｌｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｍｏｄｅｌａｐｐｌｉｃａｂｌｅｔｏｇｅｎｅｒａｌ 3＿Ｄｓｔｒｅｓｓｓｔａｔｅｓ.Ａｌｔｈｏｕｇｈｍａｎｙｔｙｐｅｓｏｆｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｍｏｄｅｌｓｈａｖｅｂｅｅｎｐｒｏｐｏｓｅｄ ,ｆｅｗｃａｎｔａｋｅｐｒｏｐｅｒａｃｃｏｕｎｔｏｆｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｃｈａｎｇｅｏｆｓｔｒｅｓｓｖｅｃｔｏｒ (ｉ.ｅ .,ｒｏ…     

A STRESS VECTOR-BASED CONSTITUTIVE MODEL FOR COHESIONLESS SOIL (Ⅱ)-APPLICATION

The stress vector-based constitutive model for cohesionless soil, proposed by SHI Hong-yan et al., was applied to analyze the deformation behaviors of materials subjected to various stress paths. The result of analysis shows that the constitutive model can capture well the main deformation behavior of cohesionless soil, such as stress-strain nonlinearity, hardening property, dilatancy, stress path dependency, non-coaxiality between the principal stress and the principal strain increment directions, and the coupling of mean effective and deviatoric stress with deformation. In addition, the model can also take into account the rotation of principal stress axes and the influence of intermediate principal stress on deformation and strength of soil simultaneously. The excellent agreement between the predicted and measured behavior indicates the comprehensive applicability of the model. Biography: SHI Hong-yan (1962-), Associate Professor, Doctor