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。     

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。     

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。     

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.     

基于深基坑监测数据的土体小应变刚度参数优化分析

考虑土体小应变特性的HSS模型在深基坑的数值分析中得到较多的应用,但受试验条件的限制,其刚度参数往往不易获得。为对HSS模型的初始剪切模量G_0~(ref)、小应变参数r_(0.7)、三轴实验割线模量E_(50)~(ref)等三个刚度参数进行优化分析,以厦门市某一地铁深基坑工程为依托,基于施工过程的实测数据,提出一套简便易行的刚度参数优化方法。基于地表沉降和围护墙水平变形的实测数据,以修正后的极差和标准差为收敛指标,对深基坑的浅部开挖工况进行弹塑性位移反分析;然后对深部开挖工况继续进行优化分析,通过不同工况、不同断面的实测数据进行若干次参数优化,可将收敛误差控制到较小范围内;最后得出厦门地区代表性土层淤泥质土、粉质粘土、残积砂质粘性土的刚度优化参数,积累了土工参数的地区经验值。该方法不仅可用于刚度优化分析,也可用来预测深基坑开挖引起的周边环境风险。     

聚丙烯纤维对风积沙改性土三轴压缩特性的影响研究

为了研究聚丙烯纤维加固风积沙改性土(95%风积沙+5%水泥)的效果和机制,改善风积沙改性土的脆性破坏特性,将聚丙烯纤维以0.1%、0.2%和0.4%质量百分比掺入到风积沙改性土中,进行固结不排水三轴压缩试验。试验结果表明：风积沙改性土的应力-应变曲线具有弹塑性变形特征,应变初始阶段出现应力陡增的孔隙压密期后有完整的弹性阶段、塑性变形阶段和破坏阶段;聚丙烯纤维的掺入增加了土样的塑性变形能力,提高了残余强度,破裂面因纤维的拖拽牵引而呈现圆弧形,抑制了土样的脆性破坏,增加了其延展性;风积沙改性土的内聚力随着聚丙烯纤维含量的增大而增大,基本呈线性正相关关系,内摩擦角随着聚丙烯纤维含量的增大而减小,整体呈现负相关关系;风积沙改性土的峰值应变随着聚丙烯纤维含量的增大而增大,应力-应变曲线由应变软化转变为应变硬化型,可用双曲线进行有效拟合;同一围压下应力-应变双曲线拟合模型参数b随聚丙烯纤维的含量增大而减小,在同一聚丙烯纤维含量下,模型参数b均随围压的增大而减小。本文研究成果可为风积沙改性土的实际工程应用提供试验参考。     

基于微结构指标主成分分析的沉桩挤土效应研究

前期研究已认识到,土的宏观力学性质及其表现从本质上应取决于土的微观结构。在结构性较强的软土中沉桩,桩周土体内部结构会发生显著变化,土体的强度与变形性质是这种内在变化的宏观表现,研究土体微观结构与宏观力学行为变化之间的关系,对认知土体的力学性质,从微观出发去认识沉桩挤土效应的机理,指导工程实践具有重要地理论和现实意义。本文基于天津滨海地基土实际静压桩工程,在沉桩的不同时刻、沿桩身的不同位置取桩周土体原状土样进行室内三轴固结不排水剪切试验,得到土体强度指标参数,同时进行对应的微观结构试验,得到垂直与水平方向的10个微结构指标。采用主成分分析方法,在微结构指标中提取3个主成分,较好地分析了土体微结构特征。研究表明: 3个主成分与黏聚力之间存在较好的相关关系,而与内摩擦角之间的相关性相对较弱; 第一主成分对各微结构信息的提取比较充分,第二、第三主成分是对第一主成分未反映信息的进一步补充。同时主成分分析表明,土体微结构性质对强度性质起控制作用,在沉桩过程中,近地表和下部土层宏观力学指标表现出了相反的变化规律。主成分分析方法较好地表述了土体的微结构性质,为进一步从微观入手解释沉桩挤土效应机理提供了有力依据。     

考虑中主应力影响的黄土强度和变形特性研究

为研究考虑中主应力影响下黄土的强度和变形特性,利用西安理工大学新型真三轴仪开展天然黄土的真三轴固结排水试验,根据原状黄土在不同固结围压和不同中主应力比条件下的应力-应变关系曲线,探讨破坏时应力不变量与平均主应力以及大主应力与中主应力的关系,在此基础上对比分析不同强度准则得到的考虑中主应力影响的强度参数,结果表明Mats...     

基于混合物法则根土复合体本构模型的研究

为探究根土复合体的应力-应变关系,将其视为两相体,根系采用线弹性模型,土体采用邓肯-张模型,并考虑根系与土体之间的相对滑移关系,基于混合物法则建立根土复合体本构模型。通过素土与不同含根量的根土复合体三轴压缩试验,得到其应力-应变关系,通过单根拉伸试验得到根系的弹性模量。结果发现,(1)根土复合体的极限主应力差随含根量的增加先增加后减小,含根量0.3%为最优含根量。(2)单根的直径与抗拉力、抗拉强度符合幂函数关系,与弹性模量符合多项式关系。(3)通过反分析的方法,建立滑移关系,得到模型计算值的应力-应变关系,发现模型计算值与试验值的拟合度(R²)为0.96。该研究为根土复合体本构模型的建立提供新思路,并为根土复合体的数值分析提供参数。     

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.     

考虑非饱和粘性土含水量变化的地铁隧道围岩土体稳定性分析

含水量是非饱和土力学性质的重要控制因素,非饱和粘性土是北京地铁苏州街车站隧道的主要围岩土体类型,应用钻孔取样的方法取得隧道周边区域内的土体系统样本,通过三轴试验和含水量测试建立了非饱和粘性土围岩的变形和强度参数与含水量的相关性,进而明确了该工程场地非饱和粘性土的主要参数与含水量的关系,以此为基础确定了工程场地不同区域的土体力学参数,通过有限元数值分析方法研究了施工过程中的围岩土体稳定性与地表沉降量,明确了考虑土体含水量变化条件下的隧道开挖施工过程中的围岩土体稳定性状况。     

原状土e-lgp曲线的S形函数表达及简化加载固结试验方法

为能够较为合理地确定土体压缩参数并简化固结试验加载过程,结合京沪高铁李窑试验段地基原状细粒土样标准固结试验数据,对比分析了多项式和三种S形曲线函数在描述原状土e-lgp曲线发展规律时的差异性,探讨了先期固结压力的合理计算原则,提出了简化加载级数的固结试验方法。结果表明,多项式函数易受数据波动而导致整体拟合偏差,S形曲线函数的待定参数可良好稳定地反映曲线最小曲率半径点和直线段斜率,为较理想的e-lgp曲线数学函数表达式;通过分析Arvidsson法、Gregory法和Casagrande法,确定先期固结压力时的不同取值原则,获得了先期固结压力值的变化区间,提出土体由超固结过渡到欠固结状态时存在正常固结状态带的概念,用于判断土体固结特性较为客观合理;利用土体初始孔隙比和两级或三级荷载下的变形值可确定S形曲线函数待定参数,据此建立了简化加载级数的固结试验方法。上述研究成果可为准确判定土体固结特性、快速获取土体压缩参数提供理论指导。     

压实粉土非线性应力-应变关系的试验研究

对京九线路基粉土用GDS三轴仪进行固结不排水剪试验,研究不同围压、含水量、压实度下压实粉土样的应力-应变关系。结果表明:压实粉土在低围压下为应变软化,高围压下为应变硬化,存在一个屈服应力;含水量和压实度对粉土强度和应力-应变关系影响显著,随着含水量的减小、压实度的增大,压实粉土样强度增大,应力-应变曲线上升。对围压小于屈服应力的应变软化曲线,用常规的土的软化关系式进行拟和;对围压大于屈服应力的应变硬化曲线,用邓肯-张模型进行拟和;这二者的结合能描述压实粉土的应力-应变关系曲线,效果良好。     

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.     

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．     

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.     

超固结土的一维固结理论及其试验研究

基于超固结饱和土固结理论,针对变荷载、自重应力分布等条件下提出3了相应的一维超固结土问题的控制方程,总结出六个超固结土的一维线性固结计算参数.并采用半解析法编制了求解该问题的Fortran计算程序.利用GDS高级固结仪对萧山黏土进行超固结土的一维固结渗透联合试验以及一维固结压缩试验,将测定的一维超固结土计算参数引入理论程序中,分别对比了位移、平均固结度、底部孔压这三者随时间变化的理论和试验曲线.结果表明:超固结土的一维线性固结理论比正常固结土的一维线性固结理论更接近试验结果,验证了超固结土的固结理论,表明了考虑土体应力历史对固结计算的重要性.