土结构性本构模型研究现状综述

土本构模型的建立是一个重要而又复杂的问题,到目前为止,国内外学者们已提出数以百计的土本构模型,诸多文献也对这些模型进行了评述和归纳。然而这些土本构模型多是在扰动土或砂土的基础上发展和建立起来的,它们难以描述由于土结构性引起的各种非线性行为,其计算结果与实际情况相差甚远。天然土体一般都具有一定的结构性,所以有必要建立考虑土结构性影响的土本构模型。针对这个现实,目前有些学者已基于各种理论和方法,提出了一些可以考虑土结构性影响的土本构模型,并得了较好的应用。但在目前的文献中还很少有对土的结构性本构模型研究进行归纳,基于此,本文简要介绍了一下目前土的结构性本构模型研究现状,并提出了这些本构模型在应用中所存在的问题。     

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．     

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.      

土体颗粒物流动物质点法模拟的弹塑性和非牛顿流体本构模型比较研究

土体颗粒物流动是一种典型的大变形破坏,具有非牛顿流体的流动特征。准确模拟土体颗粒物的流动及冲击过程,对滑坡和泥石流等地质灾害的防治具有重要意义。物质点法是一种无网格粒子类方法,已在各类大变形问题中得到了广泛应用。以往土体颗粒物流动的模拟,通常采用弹塑性本构模型,但缺乏对非牛顿本构模型的模拟分析。本文引入非牛顿本构模型的模拟分析,旨在为土体颗粒物流动模拟提供一种新的方法与思路。非牛顿本构模型的模拟分析是将非牛顿广义Cross模型引入三维物质点法,通过人工阻尼力模拟颗粒间的摩擦力,对土体颗粒物的坍塌、沿斜面滑动以及冲击障碍物等问题进行了动态模拟,研究了其运动全过程,并与弹塑性本构模型的模拟结果进行了对比验证。结果表明,基于非牛顿流体本构模型的物质点法可以较好地模拟土体颗粒物加速、减速到再次稳定的流动全过程及其对障碍物的冲击效应。     

含离子类溶质黏土的C-H-M本构模型

在水力-力学本构模型基础上,采用化学软化公式引入孔隙水中含盐、碱类等离子类溶质对土体前期固结压力的影响,得到土体的化学-水力-力学耦合本构模型(C-H-M模型).根据试验结果对化学软化公式的参数进行数值拟合,通过算例验证了C-H-M本构模型的有效性.     

脆性固体非弹性和软化性能的损伤本构模拟

本文概要地介绍了作者近年来在脆性固体粘塑性损伤本构模型方面的工作。首先，通过假设损伤率依赖于粘塑性应变率和应力变化率，提出了一个考虑损伤演化及其对材料力学性能的影响的粘塑性损伤本构模型。     

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.     

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。     

含离子类溶质黏土的 C-H-M 本构模型简

在水力-力学本构模型基础上,采用化学软化公式引入孔隙水中含盐、碱类等离子类溶质对土体前期固结压力的影响,得到土体的化学-水力-力学耦合本构模型（C-H-M 模型）. 根据试验结果对化学软化公式的参数进行数值拟合,通过算例验证了C-H-M 本构模型的有效性     

纯锆的本构模型研究

采用基于位错动力学理论的USCD模型，经拟舍得到纯锆的本构模型。针对其在较高应变率和较低温度下的预测结果和实验数据偏差较大的缺点，考虑锆塑性变形过程中孪晶演化的影响，对模型进行了修正。修正后的本构模型可以较好地描述纯锆在较宽温度范围内、不同应变率下的塑性变形行为，本构模型预测结果和实验数据吻合很好。     

半圆柱壳挠曲问题解析解精确性的研究

壳体力学已于上世纪由多位专家发展成熟,其中简支柱壳挠曲问题采用改进莱维解法的三角级数法解出,但是其解法复杂,手算难以完成．为讨论其结果的精确性,通过编写运行基于MATLAB的运算程序导出实例化解析解,与基于力学基本理论的推想假设对比,再引入有限元计算结果进行比较研究．最终发现,理论解析解应力和位移具有分布形式大致准确性,但仍存在不容忽视的细节与局部性问题．研究表明,理论解法工程意义有限,结果尚需改进．     

分数导数粘弹性模型描述的土中管桩竖向振动的频域解

在分数导数粘弹性本构模型的基础上综合考虑桩周土和桩芯土的平衡方程和几何方程建立了桩周土和桩芯土的竖向运动的控制方程．在频率域内利用分离变量法和分数导数的性质求解了桩周土和桩芯土竖向振动控制方程．考虑管桩与桩周土、管桩与桩芯土的边界连续性条件以及三角函数的正交性得到了分数导数粘弹性模型描述的土中管桩的竖向振动,通过数值分析研究了管桩和土体模型参数和几何参数对管桩的桩顶复刚度的影响规律．结果显示：桩芯土本构模型的分数导数的阶数对管桩竖向振动的影响较桩周土本构模型的阶数要小,且与频率有一定关系;桩芯土与桩周土的模型参数比τ1 和τ2 对等效阻尼的影响较对刚度因子的影响要大;管桩桩周和桩芯的直径比d 越小,管桩复刚度的实部和虚部就越大;土体力学性能对管桩竖向振动的影响要比管桩桩身力学性能的影响小．     

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

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

饱和土中爆炸波传播问题的数值模拟

应用流体弹塑性力学的框架描述了爆炸荷载作用下饱和土介质的本构模型,包括体积压缩关系和强度关系。应用LS-dyna软件分析了三相饱和土介质中的爆炸波传播及其与结构的相互作用问题,并与先前完成的试验结果进行了对比,两者吻合较好。饱和土中爆炸波传播的一些特殊现象被重现,表明本构模型的描述是可行的。     

土-地铁隧道动力相互作用模型试验分析

本文对土的动力特性本构模型以及土-结构的接触面模型进行了较详细的探讨,最后分别选用非线性等价粘弹性模型和Ramberg-Osgood模型。分析表明,在进行模型试验设计时,不仅材料要满足相似性原理,而且在设计边界条件和地震波输入时也应以上述模型为参照。通过对一圆形隧道的地震反应分析,表明拱顶处的最大动应力是圆形隧道出现裂痕的主要原因,进而分析了孔隙率对结构横向变形的影响,分析结果与实际工程情况较为吻合。本文的研究成果可为地铁隧道的抗震设计提供一定的参考意见。     

关于土—结相互作用界面力学行为的数值模拟

根据土 -结 (桩 )相互作用典型的界面力学行为特点——两者相互作用直至剪切破坏的滑动面一般都是在土体一侧内部发生的 ,滑动层的厚薄与土性及结构物表面粗糙度等有关等 ,提出了把二者所谓相互作用的界面在概念上做广义化的处理 ,即泛化为一有限的区域 ,认为结构与土体相互作用的界面应是一个广义的相互作用影响范围而非绝对地仅只限于两者的相互接触界面 ,两者间相互作用的界面行为可近似地通过这有限薄层范围内土体材料的本构行为来模拟 ,从而形成了本文关于土 -结相互作用界面行为的模拟关键实质上可以归结为土体的非线性本构行为及其数值分析途径的研究等观点 ,仅供同行参考     

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

On the basis of the sufficient consideration of vectorial characteristics of stress, a new nonlinear constitutive model for cohesionless soil under plane strain and 3-D conditions was presented in a way that the action effects of stress vector are decomposed into the action effect of mean effective stress and that of the stress ratio vector (ratio of deviatoric stress vector to mean effective stress). The constitutive model can take account of the influence of both numerical and directional changes of stress vector on deformation of soil simultaneously, and is applicable of both static and dynamic loading. Biography: Shi Hong-yan (1964-)     

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

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