基于能量耗散的土体本构关系及其参数确定

从热力学基本理论出发，研究了土体受力变形过程中的能量耗散函数，据此构造了土的弹塑性模型。模型的屈服轨迹、塑性流动、硬化规律及弹性规律均可通过自由能函数和耗散增量函数推导得到。研究中区分塑性功与能量耗散，引出了储存塑性功的概念，定性地讨论模型参数的物理意义及其取值。并通过拟合三轴试验曲线，确定了模型参数；将计算的应力一应变曲线及体变曲线或孔压增长与试验结果比较，验证了模型的有效性。这种本构模型的构造方法掘弃了以德鲁克公设为基础的传统塑性理论，自动满足热力学定律，具有较为严密的理论基础。     

多种应力路径下结构性土胶结破损演化规律离散元分析

结构性土体通常指粒间含有胶结的土体,可看成一种特殊的胶结颗粒材料,探明结构性土体的胶结破损演化规律是加深结构性土体宏微观力学性质认识及建立结构性土本构模型的关键。由于试验手段难以定量获取胶结破损信息,通过离散单元法分析了结构性土体的胶结破损演化规律。首先采用相对完备的胶结接触模型建立了结构性土体离散元试样,接触模型考虑了颗粒及胶结物质的抗转动和抗扭转作用以及胶结尺寸对刚度和强度的影响;然后开展了结构性土侧限压缩、等向压缩、等应力比压缩以及常规三轴和真三轴试验的离散元数值分析,再现了结构性土的主要宏观力学特征;在此基础上的胶结破损演化分析表明胶结破损参量B0演化具有明显的应力路径相关性,而新提出的破损参量Bσ应力路径相关性低,通过Bσ与等效塑性应变的指数函数关系,可以描述结构性土体的胶结破损演化情况。     

土体结构性损伤模型研究

结构性土体具有明显的损伤破损效应,结构性土体可看作是重塑土附含有一定的结构性。在荷载作用下,结构性土体的结构性逐渐消失,即土体的结构性发生损伤,直至结构性土体转化为重塑土。基于此认识,可将结构性土体的损伤变量与经典连续介质损伤力学中关于损伤变量的定义一致,同时也是经典损伤力学的扩展。将损伤而耗散的能量定义为损伤耗散能,并引入到土体的能量平衡方程中。通过对结构体元的能量分析,推导了相应的损伤演化方程,并给出了模型参数的确定方法。最后将试验结果和本文方法的结果进行对比,结果表明本文方法能较好反映土体损伤演化规律。     

土体耗散势的不存在与不可解耦

从热力学出发,发现了基于不可逆热力学土体损伤理论所存在的两大基本问题：①岩土材料是否存在耗散势函数;②耗散势函数可否分解为塑性势函数和损伤势函数,即塑性、损伤两种耗散机制可否解耦。分别给出了全量型和增量型两种耗散势函数存在的充分必要条件并加以严格证明,结合土体的基本变形性质,证明了土体不存在耗散势函数。进一步考察耗散势函数的解耦性,给出了全量型和增量型这两种耗散势函数塑性耗散与损伤耗散可解耦的充分必要条件并进行了严格论证,结合土体的基本变形性质,证明了土体塑性耗散和损伤耗散机制不可解耦。从而证明了塑性耗散势与损伤耗散势都是不存在的。     

基于能量方法的结构性土体损伤演化规律研究

结构性土体的力学特性具有明显的损伤破损效应。根据岩土材料复合体损伤理论,结构性土体可看作是由结构相和损伤相各占一定比例的复合材料。结构性土体的损伤过程本质上是土体中结构相的变形能向相变损伤耗散能转化,相变损伤耗散能促使结构相退变为损伤相的损伤发展过程。从任意方向截面上看,结构相表面损伤后即变为损伤相的表面。基于此认识,把结构性土体的损伤变量与结构相、损伤相所占的截面面积联系起来,从而与经典连续介质损伤力学中关于损伤变量的定义一致。将土体结构的损伤引起的外力多做的那部分功定义为相变损伤耗散能,并将此引入到土体的能量平衡方程中。通过对结构性土代表体元的能量分析,推导了基于结构损伤耗能条件下的损伤演化方程,给出了模型参数的确定方法。最后将试验结果和本文方法的结果进行对比,表明本文方法能较好反映土体损伤演化规律。     

滨海相软土结构性试验研究

渤海近海口地区土质属于含水率较高、承载力较低的淤泥质软黏土,土体的灵敏度较高,施工扰动会对土体强度产生影响。滨海相软土一般具有很强的结构性,为了探究滨海相软土具有的这种突出结构性与软土基本物性指标的内在联系,进而了解软土结构性的形成机理,通过试验,结合相关资料和文献的参考,对渤海近海口滨海相软土的结构性进行研究。研究中通过无侧限抗压强度试验得出了渤海近海口地区土体的灵敏度数值分布,并分析了塑性指数和初始孔隙比对土体结构性的影响。结果表明,软土的结构性与塑性指数、初始孔隙比具有很好的线性相关关系。     

饱和土体固结压缩和蠕变的热力学本构理论及模型分析

岩土热力学模型（thermodynamic soil model,TSM）是基于颗粒固体的非平衡态热力学理论,建立的一种崭新的描述岩土力学问题的统一理论模型。该模型引入“颗粒熵运动”和“弹性弛豫”,对土体颗粒层次的耗散机制进行了合理地考虑,这些使得模型能够更深入描述土体的变形和能量耗散机理,从而能够在统一理论框架中描述岩土体复杂多变的物理力学行为。基于该理论模型,研究了饱和土体的固结压缩和蠕变问题,分析了加载速率、应力/应变路径和非单调荷载等因素的影响规律。模拟结果表明：模型具有描述复杂条件下的饱和土体的固结压缩和蠕变特性的能力,具有较高的理论和工程应用价值。     

岩石结构超塑性损伤本构理论及热力学框架

 基于热力学势函数引入损伤理论,建立适用于深部岩体的新结构超塑性损伤本构框架。通过定义新内变量对：应变(损伤积累应变,结构重排应变)及相应广义应力、温度和熵,用4种热力学能量函数：内能,Helmholtz自由能,焓和Gibbs自由能描述岩石结构超塑性本构关系。本理论框架即能满足热力学定律具有严格物理意义又能对结构性进行较合理考虑。通过Legendre变换建立各能量形式间的转换。利用运动内变量参数及其共轭变量(广义应力)引出耗散势。给出承压变温条件下深部岩体的塑形耗散函数或屈服函数形式,可反映损伤并考虑结构重排的体变行为,两者通过Legendre变换的退化特例进行联系。构建适用深部岩体热力学本构理论框架下具体的应力–应变增量本征关系及其新应用实例,并提供应用性的判断依据。该理论对深部地下工程实践中岩石的力学分析具有借鉴意义。     

纯主应力旋转条件下饱和黏土累积变形的热力学模型分析

不同于岩土弹塑性模型和经验回归模型,提供了一个基于颗粒固体流体动力学的热力学本构模型。该模型通过对岩土颗粒固体的弹性弛豫和颗粒熵运动等耗散机制的定量描述,可以模拟土体的非线性硬化、软化等宏观力学行为,尤其适用于主应力旋转土体累积塑性应变的模拟。纯主应力旋转条件下杭州黏土的模拟结果表明:即使不改变土体的主应力大小,纯主应力方向的旋转依然会引起土体的非弹性变形的积累。在主应力旋转过程中,土体的应变方向与应力方向并不一致,存在明显的非共轴现象。并且应变峰值的出现明显落后于应力峰值,应力–应变关系曲线存在较大的滞回圈,表明纯主应力旋转过程中也存在能量耗散,并非完全弹性过程。模型分析结果符合现有的试验结论。     

饱和土非等温固结和不排水剪切的热力学本构模型

基于非平衡态热力学理论，建立了一种无需屈服面、流动法则等概念的非弹性多物理场力学模型。该模型引入耗散力、耗散流及颗粒熵概念，将土体颗粒层次的耗散机制及其引发的宏观能量耗散统一地描述为一组迁移系数和能量函数模型，从而得到非弹性变形的本构关系。考虑了温升时孔隙内原本无法自由流动的结合水向自由水转化并激发相应能量耗散的过程，以描述饱和土体的非等温固结行为。应用该模型对不同超固结比（OCR）饱和黏性土的非等温固结及温度对不排水剪切的影响进行了模拟并和实测数据进行对比，验证了模型的有效性。模拟结果表明：饱和土体的非等温固结行为与OCR值密切相关，且具有不可逆特性，在循环温度荷载作用下将产生变形累积；而温度对饱和土体不排水剪切强度的影响则依赖于土体类型及OCR值等因素。     

盾构壁后注浆体变形及压力消散特性试验研究

壁后注浆是盾构施工的关键工序.壁后注浆体的变形及力学性质变化直接影响到土体的应力释放、地层位移及作用在管片上的土压力大小.利用自制壁后注浆单元体模型试验装置,研究不同的注浆压力、注浆材料及围岩土质条件对注浆体变形及注浆压力消散的影响规律.较高的注浆压力有利于减小围岩的应力释放量,加快浆体排水速率.在砂性土地层中,浆体变形和浆体压力消散较粘性地层快,说明土质条件对地层位移和围岩应力释放影响较大.     

基于非平衡热力学理论的黏土多组分重金属吸附模型

黏土垫层土颗粒的吸附特性是控制溶质运移的重要关键因素,进而影响对防渗屏障长期服役性能的准确评估。在传统单组分吸附模型的基础上,基于非平衡热力学和Ziegler最大耗散率原理,通过构建弥散型自由能函数和弥散型耗散率函数,采用连续介质力学方法建立了非理想状态体系下适用于多组分重金属离子的非平衡态吸附模型。所建模型预测的多组分重金属离子吸附行为与已有试验结果吻合度较好,对比分析结果表明:所建非平衡态吸附模型能够正确揭示多组分重金属离子在黏土中的吸附动力学机制。     

基于电阻率静力触探的海相黏土成因特性分析

土的电阻率是表征土体导电性的基本参数,也是反映土体固有物性的一个综合性指标。众所周知,土的电阻率影响因素较多,因此电阻率随深度的变化可以反映出土体的许多性状。电阻率静力触探(RCPT)作为一种新型的原位测试技术,除可测锥尖阻力、侧壁摩阻力和孔隙水压力以外,还可以同时测试土的电阻率。首先简要介绍了RCPT测试技术,采用电阻率静力触探(RCPT)在连云港海相黏土场地进行了试验,得到土的原位电阻率测试值。结合连云港海相黏土的室内物理化学分析试验,研究了其矿物成分、沉积化学特征,分析了该海相软黏土的电阻率指标与矿物成分、离子含量、胶结特性和氧化环境间的关系。分析表明:基于RCPT测试成果是可以充分反映出连云港海相黏土的成因特性的。     

Macroscopic and microscopic investigation of the structural characteristics of artificially structured marine clay

Artificial structural soil is the best medium for simulating the structural characteristics of undisturbed soil, which is a unique property of undisturbed soil. To figure out the macroscopic and microscopic structural properties of artificially structured soil, this study proposed a method of disposing artificial structural soil to simulate in situ marine clay. In addition, a series of one-dimensional compression tests considering three influencing factors—the initial void ratio, interparticle cementation strength (determined by cement content) and pore size distribution (determined by initial salt content)—were conducted to explore the macroscopic structural properties of artificially structured marine clay. Then, SEM and MIP tests were performed to investigate the microstructure properties of artificially structured marine clay. With respect to the macro-scale experiment, the results show as the initial void ratio increases, the yield stress decreases while the compressibility increases in postyield stage. The pore size distribution mainly affects deformation, which increases with the quantity of relatively large pores. In terms of the micro-scale test, we found that the general microstructure is composed of aggregates of small clay platelets, some of which are either attached to the aggregates or linked to the surrounding aggregates with cemented bridges crossing the interaggregate pores. The most and least common pore space types feature entrance pore diameters of 1 ～ 17 μm and larger than 17 μm, respectively. An increase in cement content causes increases in intra-aggregate pore space and interparticle cementation strength. Initial salt particle content exerts an influence predominantly in the pores with entrance diameters of 0.3 ～ 1 μm and 1 ～ 17 μm.     

土壤地盘弹塑性分析及其本构关系之参数研究

从热力学出发,采用连体介质热力学定义,先辨识等温变形条件下系统外力作功产生自由能与耗散能的互补关联;再应用热力学状态变数的概念,在自由能势函数与耗散能势函数中导入有效应力、弹性应变、塑性应变及塑性应变增量等状态变数,将热力学状态函数描述系统内能量转移轨迹的功能等效应用,据以推导临界状态本构模型中屈服条件、流动法则及硬化规律的合理表达形式。研究方向着重在土壤弹塑性本构模型参数的研选与物理性诠释,目的是:在此延展的临界状态本构模型中导入新的参数,据以拓展模型描绘土壤材料本构行为的能力。亦由于关键性的参数导入,使得本研究构建的模型更能合理地描述各类型土壤的异向性本构行为;在本文后续的模型验证研究工作中,该项成果的数值模型已可精确地提供数值分析数据,在与工程监测资料的比对上呈现优于莫尔–库仑模型和修正剑桥模型的符合性。     

基于能量耗散理论冻土本构模型的研究

通过损伤理论中的有效应力与损伤影响张量来表现冻土的损伤。冻土耗散函数表示成塑性耗散（DP屈服准则）和损伤耗散之和的形式,其中塑性耗散函数中耦合了损伤变量。通过弹塑性及损伤的演化过程,建立了冻土弹塑性损伤增量本构模型,并给出了其有限元格式。     

水泥改性黄土的抗液化特性与机制

以改性处理减轻饱和黄土的液化势为目标,通过对不同配比的水泥改性黄土进行SEM细观结构测试和动三轴液化试验,研究了水泥改性黄土的液化特征,得出了不同配比水泥改性黄土的动残余应变和动孔隙水压力发展趋势,分析了水泥固化饱和黄土的物化机制,并基于试验结果,提出了水泥改性黄土的最佳配比。结果表明:水泥改性处理在黄土中形成了凝块状胶接结构,优化了土中孔隙分布,增大了土体的结构强度;水泥对土体的密实效应、掺加水泥导致的细粒增加和离子交换对黄土结构的胶结效应和黏粒增加对土中游离水的吸附作用共同提高了水泥改性黄土地基的抗液化稳定性;水泥掺量大于3%后,水泥改性黄土的动残余应变和孔隙水压力随着振次的增加均增长缓慢,且在m=5%时峰值最小,表明5%是水泥改性黄土地基抗液化处理的最佳配比。     

桩-红黏土接触面温控测试及应力-应变关系研究

在对能量桩承载特性进行设计与计算时,能量桩桩-土接触面力学特性十分重要;已有桩-土接触面力学特性研究中考虑温度效应的仍相对较少。采用重庆地区重塑红黏土,通过室内温控直剪试验测试其桩-土接触面力学特性,并与土体本身直剪强度特性进行对比;基于能量耗散原理推导的桩-土接触面模型,分析红黏土温度效应试验结果,归纳形成两个温度因子?1、?2,建立考虑温度效应的桩-红黏土接触面模型。通过新模型模拟结果与实测值的对比,验证文中所建立的桩-红黏土接触面温度效应模型的准确性和可靠性。研究结果表明,文中试验条件下,温度升高,桩-红黏土接触面的剪切强度略有增大;桩-红黏土接触面温度效应模型可以较好地模拟不同法向应力下的接触面应力-应变曲线,并且可以在一定程度上反映温度对接触面力学特性的影响。