超固结土三轴排水不排水试验数值分析

在临界状态土力学的框架内,采用Hashiguchi提出的下负荷面本构模型,建议了一个简化的塑性硬化规律,使之能较合理地描述超固结粘土在正常屈服面和下负荷面之间的变化规律。数值模拟结果表明,修正后的硬化规律能够较好地描述超固结粘土的许多力学特性如应力应变关系、应变软化以及应力剪胀性等。数值预测结果与室内三轴排水试验结果相一致,并可以用来分析超固结粘土的不排水三轴应力路径。     

论土体应力应变关系曲线类型和临界状态

为探讨应力历史对土体本构关系的影响,进行了一系列正常固结土和超固结土的排水剪切常规三轴压缩试验,对比具有不同应力历史的土体应力应变关系曲线发现,对于体应变,超固结比是决定性因素,而体应变对固结压力不太敏感。对于抗剪能力,固结压力是决定性因素,超固结比的影响也不可忽略,超固结比决定了是应变强化还是应变软化,且决定了应变软化的程度,但试样最终会达到一个统一的临界状态,具有大体相同的残余强度。根据塑性体应变与塑性剪应变之间的相互作用原理阐明,土体变形过程中,塑性体应变的变化控制了剪切抗力的升降,从而决定了土体应力应变关系曲线的类型;临界状态实际上是一个纯粹剪切变形过程,其中不发生塑性体应变与塑性剪应变之间的相互作用,压硬性、剪胀性、应力路径相关性统统消失,它与以前所经历的应力历史无关。     

干湿循环下石灰粉煤灰改良膨胀土的双屈服面本构关系

基于椭圆-抛物线弹塑性本构模型,研究了干湿循环条件下石灰粉煤灰改良膨胀土的双屈服面弹塑性应力-应变本构关系。首先通过一系列三轴固结排水剪切试验,分别得到不同干湿循环次数下石灰粉煤灰改良膨胀土的偏应力 与轴向应变 、体积应变 、以及剪应变 的试验曲线;然后根据三轴试验结果拟合本构模型中的各参数与干湿循环次数之间的关系表达式;最后引入干湿循环作用因子,建立考虑干湿循环作用的双屈服面弹塑性本构模型。研究表明：(1)干湿循环作用下,偏应力与轴向应变 关系表现为应变硬化,体应变 表现为应变剪缩。 、 、 等试验曲线都呈现出近似双曲线特征;(2)干湿循环作用下,土体的偏应力 不断减小,体应变 不断增大,干湿循环作用显著降低石灰粉煤灰改良膨胀土体的抗剪切、抗压缩能力;(3)体积屈服面、剪切屈服面在 平面上分别为椭圆、抛物线。干湿循环作用下,体积屈服面不断向原点靠近,剪切屈服面不断向 轴靠近,前9次干湿循环作用的影响较为显著,之后屈服面的变化趋于稳定;(4)通过引入干湿循环作用因子所建立的双屈服面本构模型,可定量反映干湿循环作用对石灰粉煤灰改良膨胀土应力-应变关系的影响,以及双屈服面演化过程。该双屈服面本构模型的应力-应变预测值与试验值吻合度较高。     

考虑塑性体积应变的扰动状态本构模型改进

针对Desai等人提出的扰动状态本构模型只考虑了塑性偏应变对扰动状态的影响,而没有考虑塑性体积应变的影响,对其扰动状态本构模型的扰动函数进行改进,在原扰动函数的基础上引入一个塑性偏应变迹和塑性体积应变迹的耦合形式作为扰动函数的扰动变量.取温州原状结构性软土进行了三轴固结不排水(CU)压缩试验、三轴固结排水(CD)压缩试验和一维压缩试验,通过试验数据对改进了扰动函数的DSC本构模型进行了验证.结果表明,改进前模型对原状结构性软土的不排水强度和排水强度预测均略偏高,改进后的模型对原状结构性软土应力应变关系的模拟精确.     

基于SMP准则改进Lade-Duncan模型

为了解决Lade-Duncan模型的塑性势面由试验结果拟合所得理论上不够严密的问题,采用SMP准则的屈服函数构建塑性势函数,建立一个砂土弹塑性本构模型（SMP-Lade模型）.该模型可以反映砂土应力-应变关系的非线性、应力路径的相关性以及剪胀特性,且塑性势面考虑了3个应力张量不变量的影响.密砂和松砂真三轴试验结果表明：在中主应力参数b=0的条件下,SMP-Lade和Lade-Duncan模型的预测结果与试验结果基本一致;当0相似文献   

接触面等应力增量比路径单剪试验及模型研究

为研究等应力增量比路径下土与结构接触面力学特性,进行高塑性粘土与混凝土接触面等应力增量比路径单剪试验,获得不同应力路径下应力应变关系曲线。试验结果表明,高塑性粘土能够较好地适应大变形,接触面剪应力与切向应变关系呈剪切硬化型曲线,法向剪胀不明显;接触面剪切强度与应力路径无关,应力应变关系与应力路径密切相关;初始法向应力一定,应力增量比越小,剪应力增长越快,对应的破坏剪应力也越高;无剪胀发生情况下,法向应变与法向应力关系曲线与单向压缩试验具有一致性;应力比与切向应变呈良好的双曲线关系。在试验研究的基础上,基于广义位势理论,将土与结构接触面问题看着应力空间上的二维数学问题,采用塑性状态方程代替传统的屈服面,建立了双重势面接触面弹塑性模型。模型能够反映应力路径、初始法向应力对接触面力学特性的影响,具有一般性,参数能够通过试验完全确定,可以方便地应用于有限元分析,具有一定的应用推广价值。     

武汉原状粉质黏土与其重塑土的试验对比研究(Ⅰ):试验结果描述

以武汉沙湖粉质黏土为研究对象,首先借助于高压固结仪,对重塑土和原状土进行了室内侧限的固结试验;其次利用改进的应力控制式常规三轴仪,在不同的加荷路径和排水条件下,对重塑土和原状土分别进行了常规三轴试验研究,并对试验资料进行了较为系统的分析.结果表明:1)原状土的侧压力系数约为0.56,超固结比约等于1.2,为弱超固结土体,其结构屈服压力稍大于其前期固结压力;2)原状土初始的切线模量及其抗剪强度均高于重塑土相应的值;3)在固结排水条件下的三轴剪切试验,原状土的剪胀量要小于重塑土的剪胀量,但在固结不排水条件下,原状土体的剪胀趋势却明显要高于重塑土的剪胀趋势.     

考虑非饱和土吸力效应的圆柱孔扩张有效应力解析

为探究吸力效应对圆柱孔周围土体应力应变的影响,推导了非饱和土中的圆柱孔扩张有效应力析解。在弹性区和塑性区分别采用Hooke定律和修正剑桥模型,将非饱和吸力作为硬化参数,建立圆柱孔周围土体的应力应变控制方程。通过引入辅助变量,将欧拉坐标系下的平衡微分方程转至拉格朗日坐标系,非饱和圆柱孔扩张问题则转换为以弹塑性边界为边值条件求解一阶常微分方程组的问题。以弹塑性边界上的应力和初始比体积作为初值,对非饱和土中圆柱孔扩张问题进行分析。结果表明,受扩孔压力作用,圆柱孔周围土体将从弹性状态进入塑性屈服状态,而土体初始吸力的变化对塑性区应力状态影响显著。随着初始吸力的增加,圆柱孔周围相同位置处的土体各应力分量增大,极限扩孔压力也随之增大。对于初始孔隙比较大的疏松土体,吸力增大使得圆孔周围塑性区范围缩小;塑性区土体比体积沿径向呈单调减小,吸力越大,比体积减小越明显。对于初始孔隙比较小的密实土体,吸力变化对塑性区范围大小影响不明显;塑性区内土体比体积沿径向先增大后减小。这是因为在弹塑性边界附近处出现了剪胀现象,且吸力越大,剪胀现象越明显。最后通过与原位旁压试验和已有数值模拟结果对比,对本文方法的可靠性进行了验证。     

改进超固结状态参量次加载面模型数值实现与应用

为合理描述超固结土复杂的弹塑性力学行为,对现有Hashiguchi次加载面模型中的超固结状态参量R进行修正,在硬化方程中,考虑塑性体应变与塑性剪应变的综合作用,提出了修正超固结状态参量的次加载面模型。同时,着重介绍了该模型的隐式积分算法及数值实现过程,编制了对应的接口子程序,实现了该模型在有限元软件ABAQUS中的应用。通过不同工况和加载方式下的数值模拟验证了程序的合理性,最后应用模型研究了Fujinomori黏土的三轴压缩力学特性并与UH模型的模拟结果、室内试验研究进行对比。结果表明,子程序具有较高的计算精度和可靠性,模型能够准确地模拟黏土的超固结特性。     

砂土弹塑性-损伤本构关系的数值建模

认为岩土介质变形中出现的剪胀现象实质上是一个损伤过程.通过中密砂的三轴压缩试验,发现其在剪胀后,弹性模量和剪切模量大幅度下降,这进一步证实了剪胀的确是个损伤演化过程.引进了一个损伤变量描述这个过程,结果表明,损伤程度相对塑性体积应变的变化速率与初始固结压力相关,且随压力增大而减小.同时利用数值建模方法建立了砂土的弹塑性-损伤模型,考虑了弹塑性变形与损伤的耦合效应,获得了相应的应力应变关系及它的三维曲面.     

反映物态变化的砂土状态参数本构模型

基于状态参数Ψ、峰值应力比、相态转换应力比、依赖于状态的剪胀方程和一个双曲线的应力应变关系,建立了一个静力条件下能统一反映密度和压力对砂土变形特性影响的本构模型。该模型具有8个材料参数,都能从常规三轴试验中确定,模型能很好的模拟不同密度和不同固结压力下砂土的这些变形特性,通过数值试验初步验证了模型的合理性。     

粘土数值建模方法与Duncan模型的对比研究

以塑性体应变与塑性剪应变之间的相互作用原理为指导,对粘土本构关系的数值建模方法进行了研究。采用包含应力路径函数的两个本构泛函作为模型基本框架,可以反映出应力路径相关性。应力应变增量关系的表达式包含两个偏导数的交叉项,用于反映塑性体应变与塑性剪应变的相互作用。利用三轴试验结果建立了粘土的弹塑性本构模型,该模型能够反映出土的三大基本力学特性:压硬性、剪胀性和应力路径相关性。通过可视化,分别给出在整个应力场中剪切和体积的三维变形曲面。此外,从模型的理论基础、基本框架和预测结果等方面与Duncan模型进行对比,显示出数值建模方法优于传统方法。     

Constitutive model for overconsolidated clays

Based on the relationships between the Hvorslev envelope, the current yield surface and the reference yield surface, a new constitutive model for overconsolidated clays is proposed. It adopts the unified hardening parameter, to which the potential failure stress ratio and the characteristic state stress ratio are introduced. The model can describe many characteristics of overconsolidated clays, including stress-strain relationships, strain hardening and softening, stress dilatancy, and stress path dependency. Compared with the Cam-clay model, the model only requires one additional soil parameter which is the slope of the Hvorslev envelope. Comparisons with data from triaxial drained compression tests for Fujinomori clay show that the proposed model can rationally describe overconsolidated properties. In addition, the model is also used to predict the stress-strain relationship in the isotropic consolidation condition and the stress paths in the undrained triaxial compression tests. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 50479001 and 10672010), the National Science and Technology Supporting Item (Grant No. 2006BAK12B12), and the National Basic Research Program of China (Grant No. 2007CB714203)     

飞机荷载作用下超载预压软土地基的长期沉降

为了研究超载预压地基在飞机荷载作用下的长期沉降,通过对温州淤泥质黏土进行室内循环三轴试验,建立饱和软黏土的累积塑性应变模型和累积孔压模型.利用层状弹性理论计算地基中的动偏应力,结合已建立的经验模型得到在交通荷载作用下软土地基的累积塑性应变和孔压消散应变.采用分层总和法计算飞机荷载作用下温州机场跑道超载预压地基的长期累积沉降,将计算沉降值与实测沉降值进行对比,验证了饱和超固结土不排水累积塑性应变模型和累积孔压模型的合理性.     

SSUH model: A small-strain extension of the unified hardening model

A small strain unified hardening (SSUH) model is proposed in the present study to tackle the small strain behavior of clay. The model is an extension of the unified hardening (UH) model for overconsolidated (OC) clays accounting for the small strain stiffness. The new features of the SSUH model over the UH model include: (a) a new elastic hysteretic stress-strain relationship to evaluate the stiffness degradation at small strains and to generate the hysteresis loop under cyclic loading condition; (b) a revised unified hardening parameter to enhance the plastic stiffness at small strains; and (c) a new overconsolidation parameter, which is crucial to make the UH model working with the elastic hysteretic stress-strain relationship effectively. With these enhancements, the SSUH model can describe a high initial stiffness and the highly nonlinear stress-strain relationship at small strains, in addition to the shear dilatancy and strain hardening/softening behaviors of OC clays at large strains. In comparison with the Modified Cam-clay (MCC) model, the proposed model needs two more small strain related parameters, which can be easily obtained from laboratory tests. Finally, some drained triaxial compression tests at large strains, drained triaxial compression/extension tests at small strains, an undrained compression test at small strains and a drained cyclic constant radial stress test are employed to validate the new model.     

考虑应变强化的高压缩性黏土修正双曲线模型

研究了武汉地区高压缩性黏土弹塑性本构模型。基于Duncan E～v双曲线模型,对等压固结条件下CTC应力路径三轴实验数据进行了数据拟合,得到了该条件下的非线性应力应变关系,并将卸载-再加载试验曲线的平均斜率作为卸载模量,引入了加卸载函数作为判定加卸载的准则。将该模型嵌入有限元程序对三轴压缩试验进行数值模拟,并与Duncan模型数值解及试验曲线作对比。结果表明,该模型较Duncan模型能更好的体现正常固结黏土在CTC路径下的应力应变关系,特别是加载后期的应变强化效应,与试验曲线的最大相对误差不超过5％。     

零屈服应力下混凝土三轴受压塑性模型

为了模拟混凝土真三轴压缩的力学性质,在分析混凝土真三轴和常规三轴压缩试验结果基础上,以经典塑性力学为理论基础,建立了混凝土的真三轴本构模型.模型考虑了混凝土初始屈服强度为0的实验特性,采用4参数的Hsieh-Ting-Chen作为破坏准则,假定材料强化和软化符合各向同性和非相关联的塑性流动法则,并将混凝土压缩实验中的扩容和塑性功相联系起来,把lode角引入塑性势函数中.模型与两种不同配比的混凝土立方体试件分别在6组不同加载路径下的试验结果进行了验证.