土的统一硬化模型及其发展

土的统一硬化模型是以修正剑桥模型为理论基础,以采用统一硬化参数使其简明反映土的剪胀性、以采用变换应力方法使其合理反映土的三维特性为标志性特征,可针对不同类型土的特性,通过对统一硬化参数作适当调整,来建立与其相应的模型。统一硬化模型被发展为黏土和砂土的统一硬化模型、统一硬化超固结土模型、统一硬化K0超固结土模型、考虑砂土软化的模型、考虑土的材料各向异性的模型等十余种模型。这些模型能分别描述土的剪缩、剪胀、硬化、软化、超固结性、初始应力各向异性、材料各向异性、结构性、蠕变压缩和渐进状态等特性以及大应力条件下颗粒破碎和循环加载条件下土的变形特性等。     

超固结非饱和土的本构关系

Alonso等提出的巴塞罗那(Barcelona)弹塑性本构模型是非饱和土本构模型中的代表,将巴塞罗那本构模型与姚仰平等所提出的超固结土UH本构模型相结合,使之适用于超固结非饱和土。该模型在吸力等于零的时候就退化成饱和土的UH本构模型;在吸力不为零且无超固结的情况下,就退化成巴塞罗那本构模型;该模型不仅使超固结状态下的湿化模拟更为合理,而且也能够反映超固结非饱和土的硬化、软化、剪缩、剪胀特性和不同应力路径对超固结非饱和土变形特性的影响,同时能够反映湿化使超固结程度降低甚至使超固结消失的特性。与巴塞罗那模型相比,本文所提出的模型没有增加任何新的材料参数,且与已有的试验结果对比分析,表明该模型能够较为合理地描述超固结非饱和土的基本力学特性。     

K0超固结土的统一硬化模型

将所建立的超固结土模型推广为能够反映超固结土的初始应力各向异性的弹塑性模型。它是通过将潜在强度Mf、特征应力比M和状态应力比ηk引入到模型的统一硬化参数中,使模型具有预测超固结土的初始应力各向异性、剪缩、剪胀、硬化、软化和应力路径依赖性等基本特性的功能。采用SMP强度准则并结合变换应力方法对模型实现了三维化。通过与试验结果比较表明,提出的模型能够较好地描述初始应力各向异性超固结土的应力应变特性。     

三维胶结结构性土UH模型

为反映胶结对结构性土剪切最终应力比以及剪胀规律的影响,将p–q坐标中静态的临界状态线(CSL)扩展为与CSL平行并随结构性衰减而从左侧移向CSL的动态临界状态线(MCSL),构造与MCSL匹配的屈服面和剪胀方程,从而将以考虑加载体积垮塌为主的结构性土统一硬化(UH)模型扩展为能考虑胶结影响的胶结结构性土UH模型。在此基础上,应用变换应力三维化方法,将所提模型应用到三维应力空间。相对于结构性土UH模型,三维胶结结构性土UH模型增加了1个模型参数描述初始胶结程度。该参数可由无侧限压缩试验近似确定。通过4种结构性土的试验结果与模型预测对照表明,三维胶结结构性土UH模型能够较合理地反映受胶结影响的结构性土等向压缩、常规三轴剪切与真三轴剪切等特性。     

冻土的本构关系

对冻土的应力-应变特性进行了深入研究,在姚仰平等考虑温度的UH模型的基础上,提出考虑温度影响适用于冻土的UH模型。与原有考虑温度的UH模型相比,提出的新模型仅增加了1个抗拉强度参数,既能反映冻结黏土的前期固结压力随温度降低而升高的特性,又能反映冻结黏土随温度降低黏聚力提高的强度特性。新模型的温度适用范围为-1~-30℃,与已有的试验结果进行对比,结果显示,新模型能够较为合理地描述冻土的基本力学特性。     

上海粘土的准超压密特性

室内试验成果表明,上海粘土的准先期固结压力较天然有效上复压力大得多。本文根据临界状态原理来讨论准先期固结压力对土特性的影响。通过室内三轴试验测定出上海粘土的正常固结线、临界状态线及天然强度线,并给出各线的表达式。从土的固结、强度、应力-应变关系及孔隙压力的变化规律说明天然地基具有轻度的准超压密特性。最后,我们认为在进行此类地基的沉降计算及稳定分析时,应考虑准先期固结压力的作用,以提高设计水平。     

考虑时间效应的K_0各向异性UH模型

将所建立的考虑时间效应的超固结土统一硬化模型(时间UH模型)推广为能够考虑K0各向异性的弹黏塑性模型。基于广义非线性强度准则的变换应力三维化方法,将新模型扩展到三维应力状态。使用新模型预测K0固结土的一维和三轴等应变率加载试验,预测结果表明新模型能够合理反映应变率对K0固结土前期固结压力和应力应变曲线的影响。根据模型的基本方程,推导三轴压缩条件下不排水抗剪强度的理论公式,并将该公式的计算结果与试验结果进行对比,发现该公式能够反映不排水抗剪强度随超固结度和应变率的增大而提高的性质。     

UH模型系列研究

岩土材料的本构模型是岩土工程学科的重要理论基础。合理的本构模型既能定性地揭示岩土的变形强度机制,也能定量地进行岩土体强度和变形计算。笔者20余年来潜心于土的本构模型研究,取得了以下3个方面的理论成果:1在修正剑桥模型的基础上,通过引入统一硬化(unified hardening,UH)参数,建立UH模型,该本构模型能够反映饱和超固结土的剪缩、剪胀、硬化、软化和应力路径相关性等特性,模型所用土性参数与修正剑桥模型完全相同;2扩展UH模型,使其考虑多种外部因素(温度、时间和基质吸力)、复杂特性(各向异性、结构性和小应变特性)和复杂加载条件(循环荷载、部分排水即渐近状态)等的影响;3提出广义非线性强度准则和满足热力学定律的变换应力三维化方法,从而实现了本构模型的合理三维化。UH模型已被嵌入到数值计算软件中,并被用于分析岩土工程问题。以上研究包括本构建模、强度准则、三维化方法和数值分析等方面,形成了独具特色的岩土本构理论和应用体系。     

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。     

Stress-fractional soil model with reduced elastic region

The original stress-fractional plasticity approach was developed for the axisymmetric stress state. However, it cannot accurately capture the stress-strain behaviour, e.g., quasi-steady state flow, temporary stress peak and state-dependent dilatancy of soils under different loading conditions. In this study, a modified fractional-order plasticity model for soils under the general stress state is developed using an alternative yielding surface with a reduced elastic region at the dry side of the critical state line. The proposed model is then validated against the results of a series of drained and undrained tests conducted on different soils, including sand, rockfill, ballast and clay, subjected to different loading paths. It is observed that the proposed model can reasonably simulate the key features, such as the hardening/softening, contraction/dilation, liquefaction, quasi-steady state flow and steady state flow behaviour, of different soils.     

考虑颗粒破碎的动力UH模型

在已发展的考虑颗粒破碎效应的静力UH本构模型基础上,采用变换应力方法,将原模型拓展为适用于无黏性土的动力统一硬化模型（DUH模型）。具体做法：①针对静力模型中屈服面形状随当前应力状态变化而改变的现状,采取含有 p 变换的变换应力方法,将原真实应力空间中变化的屈服面变换为变换应力空间中的椭圆屈服面;②采用旋转硬化规则,在变换应力空间中椭圆的位置以及形状由旋转轴来确定,并建立了一并考虑等向硬化以及旋转硬化的混合硬化参数;③在变换应力空间中,参考屈服面与当前屈服面之间通过应力比参数 R 来建立联系。模型参数较少。通过3种不同岩土材料在高围压下的单调以及循环加载试验结果的比较,验证了所提DUH模型的合理性。     

基于lnv-lnp与v-lnp线性关系的统一硬化模型对比

原始统一硬化模型是基于在等向压缩条件下土的比体积与压力的对数呈线性关系而建立的。由于v-lnp线性关系在理论上存在某些不合理,Hashiguchi等建议采用lnv-lnp线性关系以消除这些不合理性。基于此,推导出基于等向压缩的lnv-lnp线性关系的统一硬化模型,并通过对两个模型分别进行试验结果与预测结果的比较,结果表明:在一般条件下两个模型都能合理描述土的应力应变特性,差别不大。     

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...     

砂土的UH模型

在UH(Unified Hardening,统一硬化)模型的基础上,通过分析砂土特性,建立了砂土的本构模型。该模型具有以下几个特点:1通过引入压硬性参量,模型可以描述在e–lnp空间内砂土的等向压缩线为曲线的特性;2通过引入剪胀性参数,模型可以合理描述砂土的剪胀特性,即松砂的特征状态应力比较大,密砂的特征状态应力比较小的特性;3通过引入临界状态参数来建立砂土的水滴形屈服面,模型可以合理描述临界状态线(CSL)在e–lnp空间内的位置。相对于UH模型,本文所提的砂土模型只增加了3个材料参数,且3个参数都可通过室内常规试验确定。最后,利用该模型对砂土排水和不排水试验进行预测,预测结果与试验结果吻合很好。     

UH模型在双层地基受力变形分析中的应用

基于姚仰平等提出的 UH 模型，将土层的初始超固结比 OCR 引入到 UH 模型的有限元程序中，通过设置不同土层的 OCR 来控制土层的软硬程度，采用 UH 模型的有限元程序对上硬下软双层地基进行了有限元分析。首先将 UH 模型与简化双层地基应力系数法、 Boussinesq 弹性理论计算的附加应力进行了比较，从而证明 UH 模型在分析上硬下软双层地基应力特性方面的优越性，它能够反映上硬下软地基的应力扩散现象；然后用 UH 模型有限元程序计算了土层为不同 OCR 的上硬下软双层地基的附加应力，研究了土层 OCR 对双层地基应力状态的影响；最后对上硬下软双层地基的固结沉降进行了有限元分析，研究了地基沉降、土体应力应变特性和孔压变化规律。     

基于下加载面概念的饱和黏土温度–应力耦合弹塑性模型

温度对黏土力学特性具有重要影响,温度变化将引起黏土的体积变形发生变化,并对其前期固结应力、剪切强度、弹性模量等具有重要影响。基于黏土"热陷"特性,引入热屈服面以描述不同超固结比的黏土在温度升高时所产生的塑性变形,并进一步开展以下工作:(1)建立考虑温度影响的下加载面模型,由于保留了下加载面模型对超固结黏土应力–应变特性优异的描述能力,并考虑了温度对黏土的2种作用(即温度使超固结黏土的超固结比降低和温度塑性应变对屈服面的硬化效应),该模型可以描述温度变化对不同黏土力学特性的复杂影响;(2)证明了所提出的模型严格满足热力学第一、第二定律;(3)采用该模型模拟Pontida clay和MC clay在不同压力下的排水加热试验和在不同温度下的三轴排水/不排水试验,模拟结果与试验结果对比分析表明,模型能合理地描述不同超固结比的黏土在温度变化时产生的体积变形以及温度对黏土强度的影响等。     

结构性超固结土的统一硬化模型

统一硬化超固结土模型是在下加载面和剑桥模型理论框架下,提出的能够描述超固结土的剪缩、剪胀、硬化和软化特性的简单、实用的模型。它通过将与土的结构性有关的参数引入到超固结土模型中,来建立结构性超固结土模型。与剑桥模型相比,它只增加了2个材料参数,即伏斯列夫面的斜率Mh和结构性参数α。采用新模型对结构性超固结土的应力-应变关系进行预测的结果表明:所建立的结构性超固结土模型基本能够描述结构性超固结土的特性。     

挠动土的结构性参数

按照Desai的挠动状态理论,双对数坐标下结构性土的压缩曲线可以简化为两段直线。基于这个双段线的压缩模型,提出了一个土的结构性参数,这个土性参数可以反映结构性土压缩过程中塑性自由能和耗散能的比例关系,并且可以表述结构性土和超固结土力学性状的不同。同时,本文指出挠动土的历史最大屈服压力可以结合双段线压缩模型,利用能量原理确定。     

竖向荷载作用下螺杆灌注桩受压承载机理的试验研究

螺杆灌注桩是一种上部为圆柱形、下部为螺丝形的组合式灌注桩,由于具有承载力高、节约材料、文明施工程度高等特点,在工程中得到广泛应用。螺杆灌注桩由于其特有的施工工艺及截面形式,使得其承载机理不同于等截面灌注桩。通过室内模型试验,采用图像处理技术直观地得到螺杆桩和直杆桩的破坏形态,进而对其承载机理和承载力计算进行探讨,并采用现场试验进行验证。模型试验和现场试验表明,螺杆桩的单桩承载力高于同直径的等截面桩,螺纹段的侧阻力与等截面桩的侧阻力相比明显提高。螺纹段和直杆段的极限侧阻力产生机理有所不同。对于螺纹段,在极限状态下,由于螺牙的机械咬合作用使得螺牙以及螺牙之间的土体作为整体与周边土体产生剪切位移,螺纹段的极限侧阻力表现为周边土体的抗剪强度,破坏面为连续的拱形,拱形截面的平均直径大于螺牙的外径;对于直杆桩,在极限状态下,侧阻力表现为桩体与桩周土体的摩擦阻力,破坏面为桩周的圆柱面。根据试验结果,给出螺杆灌注桩单桩极限承载力的表达式,并给出相关参数的取值建议。     

土的负蠕变特性及其本构模型

蠕变是指有效应力不变的情况下,变形随时间的发展。土力学中,蠕变往往指压缩蠕变,如山区机场高填方工程中填方区的工后沉降。然而,高填方工程中有时还需要对山体进行大体积深开挖,以得到大面积的平整场地。开挖后,土体的膨胀变形不能在短时间内稳定,而是随时间继续发展。将这种随时间发展的膨胀变形定义为负蠕变,相对应地,将压缩蠕变定义为正蠕变。试验表明,正、负蠕变都有趋于稳定的趋势。因此可以假设,在e–lnp空间中,当时间足够长时,不论发生正蠕变还是负蠕变,土体都稳定在一条平行于正常压缩线的直线上,这条线为稳定线。在上述概念的基础上,提出了一个可以合理地描述土的负蠕变效应的一维计算公式,结合UH模型,建立了考虑负蠕变效应的UH模型。最后,将模型预测结果与三轴不排水剪切正负蠕变试验结果进行了对比,验证了模型的正确性。