砂土的双硬化特性与弹塑性本构模型

 基于高精度的丰浦砂三轴等向加卸载试验与多应力路径平面应变压缩试验结果,提出平面应变条件下的修正塑性功体积硬化函数,得到双硬化框架下的修正塑性功剪切硬化函数,建立应力路径不相关的丰浦砂修正塑性功剪切–体积双硬化函数。在该双硬化函数基础上,推导基于修正塑性功的增量型剪切–体积双硬化弹塑性刚度矩阵,构建可以考虑多种变形强度影响因素的丰浦砂本构模型。数值计算与室内试验结果的比较表明,该砂土双硬化弹塑性本构模型可以合理地模拟砂土材料的变形强度特性。     

采用修正塑性功硬化参数的双屈服面模型及应用

 首先对国内外双屈服面模型的发展进行回顾,指出土体模型中双屈服面概念的必要性和合理性。其次以平面应变试验结果为基础,直接推导出双屈服面模型各部分关系式,其中体积屈服面以塑性功为硬化参数,硬化函数与试验结果吻合程度较好,剪切屈服面以修正塑性功为硬化参数,满足了其与硬化面关系唯一性的要求,并可反映硬化–软化全过程。为使其能较方便地应用于数值计算方法,推导适用于双屈服面模型的弹塑性刚度矩阵。最后应用该模型对一高填土工程的变形进行计算,比较显示其与实测结果较为吻合。     

砂土应力路径不相关的修正塑性功硬化 参量与函数

砂土的变形强度特性明显存在着应力路径效应,因此在砂土的弹塑性本构建模时硬化参数和函数的选取并不是一个简单的事情.针对砂土的这一特性,用密实砂土进行一系列多应力路径的平面应变压缩试验.试验结果表明,所有的应变增量(例如轴向、横向、剪切以及体积应变等增量)及塑性功增量都与应力路径具有较大的相关性,因而在传统的砂土弹塑性分析中利用以上任何一个状态量作为硬化参数并假设其与应力路径不相关是不合理的.基于广泛的多应力路径平面应变压缩试验结果以及细致的数据处理分析,发现一个特殊的修正塑性功参量以及相关的函数,它们与应力路径不相关,因此在砂土的弹塑性解析中假定它们作为硬化参量和函数是与理论假设一致的.理论计算结果与室内试验相比较表明,利用提出的修正塑性功作为硬化参数和硬化函数所构成的砂土的弹塑性模型可以很好地模拟砂土材料变形及强度的应力路径效应.     

基于改良型平面应变仪的砂土特性研究

平面应变试验是研究开发时间较早但仍未完全成熟的一种土力学试验。近年来该试验方法在许多新的方向中得以应用，显示其仍具有相当的重要性。回顾国内外平面应变仪的研究历程，对几种主要类型的平面应变仪各自的优缺点作了阐述，指出仍有必要进一步提高其试验精度和可靠性。以此为目的，从装置构造、量测方法、控制精度及数据整理方法等方面进行革新，开发改良型平面应变仪，并对影响试验结果的各因素进行详细深入的探讨，在此基础上对砂土试验结果进行分析，表明该试验仪的精度和可靠性。同时，以建立在该试验仪试验结果上的砂土破坏准则为依据，对应于平面应变状态下的应力关系，推导平面应变条件下的砂土强度参数与三轴条件下参数的换算关系，并与类似的关系式进行比较。     

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。     

黏土和砂土简单的三维本构模型(英文)

把修正剑桥模型推广为适合于黏土和砂土的简单、统一三维本构模型是基于以下两点提出的 :第一点 ,把由笔者已提出的基于SMP准则的一个变换应力张量用于修正剑桥模型使其简单实现了三维化 ,改进的模型对于黏土实现了从剪切屈服到剪切破坏的统一及临界状态理论同SMP准则的结合 ;第二点 ,为了建立对于黏土和砂土简单、统一的本构模型 ,推导出了一个新的硬化参数 ,新硬化参数不仅能描述砂土不同程度的剪胀性 ,对于正常固结黏土又能退化成塑性体积应变 ,所提硬化参数的合理性也被各种路径下分别在三轴压缩和三轴伸长下的试验结果所证实。所提模型的计算参数仅为 5个常规试验参数 ,易于确定     

堆石料广义塑性模型研究

通过分析试验资料和以往研究成果,修正了堆石料不同围压下剪切过程峰值应力比表达式,论述了塑性模量对平均应力的依赖性。基于广义塑性理论框架,借鉴Lade-Duncan单屈服面模型中引入塑性功定义硬化规律的思路,对塑性模量进行了修正,提出了一种改进的广义塑性模型。为了验证改进方法的合理性,塑性模量改进方法被应用于刘恩龙模型,同时使用提出的修正广义塑性模型预测了另外两种堆石料试验。不同围压下模型的预测结果与试验结果吻合较好,表明修正的模型可以较好地预测堆石料的应力–应变特性。     

冻融循环下青藏粉砂土双屈服面本构模型研究

 基于青藏粉砂土在冻融循环下的常规三轴固结剪切试验,通过引入模量残余比和冻融循环次数,建立考虑冻融循环影响的双屈服面本构模型。试验结果表明,粉砂土的应力–应变关系呈应变硬化型,而在整个剪切过程中,体变呈现剪缩的特性。粉砂土的剪切模量随着围压的增大而增大,随着冻融循环的发展而出现先减小后增大的趋势。与未冻融粉砂相比,冻融以后的弹性剪切模量可降低约36%左右。其应力平面p-q上的剪切屈服面和体积屈服面可分别用过原点的线性函数和椭圆型曲线进行描述。对于剪切和体积硬化特性,建立与塑性应变及冻融循环次数相关的硬化参数,且均采用非相关联的流动法则。所提出的双屈服面本构模型能够很好地反映土体的应力–应变特性,模型计算值与试验值较为吻合,该模型能较为准确地预测不同围压及不同冻融循环次数下的应力–应变关系曲线,较好地反映冻融循环对粉砂力学性质的影响。     

考虑剪切硬化的砂土临界状态本构模型

基于临界状态土力学框架,建立了一个剑桥类砂土本构模型,适用于单调静力荷载,加入了剪切硬化、依赖状态的剪胀的概念。屈服面采用倒子弹头型,硬化规律不是采用剑桥模型的体变硬化,而是借鉴Hashiguchi次加载面模型的思想,推导出与Norsand砂模型相同的增量形式的塑性剪应变硬化表达式。流动法则采用加入状态参数概念的修正的Rowe应力剪胀关系,该模型能考虑砂土变形特性对密度和固结压力的双重依赖型,只用一组材料参数就能模拟不同密度和固结压力下的应力应变响应,可反映材料的软化。通过与常规三轴试验、等p路径三轴试验等结果的对比,表明该模型是合理的、有效的。     

一种基于蛋形屈服函数的黏土等效塑性功硬化模型

为了研究不同加载路径下土体的硬化规律,首先进行一系列不同应力路径的黏土排水三轴试验,结果表明:塑性功Wp具有一定的应力路径依赖性,因而不适宜作为硬化函数参量。在此观察基础上通过引入等效塑性功Wp消除该种应力路径依赖性,进而在蛋形屈服函数框架内提出一种广义的硬化模型。该模型以等效塑性功函数H(Wp)作为硬化参量,并借助于临界状态线/Hvorslev线等概念对等效硬化参数H做归一化处理,进一步结合试验结果可以发现归一化后的等效硬化参数与等效塑性功之间的关系是独立于加载路径的,仅与初始硬化时的应力状态(以应力比η0表征)有关。以此为基础分别提出适用于应变硬化/软化模型的等效塑性功硬化函数,该硬化函数仅只依赖于初始硬化时的应力比η0。最后通过数值结果与试验结果的比较表明,该硬化模型可以有效地反映不同应力路径下土体的应力-应变特征。     

土的清华弹塑性模型及其发展

 土的清华弹塑性模型具有独特的建模方式。在Drucker假说的基础上,无需其他的附加假设,通过试验资料直接确定塑性势面和塑性势函数,选择适当的硬化参数使屈服函数与塑性势函数一致。通过真三轴试验及平面应变试验,利用该模型的建模方法,在π平面上确定了一种双圆弧的屈服轨迹,从而建立了该模型的三维形式,提出了相应的流动规则表达式;在小浪底堆石料的三轴湿化试验基础上,发现湿化应变作为一种塑性应变与通过该点的屈服面正交,因而只需分别确定干土与饱和土的清华弹塑性模型的参数,同时进行各向等压条件下的湿化试验,测量其湿化体应变,就可以计算出在任意应力状态下浸水湿化的应力应变全过程;与湿化的清华模型相似,进行了不同含水率的土的三轴试验,并进行在干土试样中预加冰屑然后在指定应力状态下使其融化均匀增湿的三轴试验,发现屈服函数不变,硬化参数可以表示为塑性应变和含水率的函数,从而绕过了基质吸力这一变量,建立了非饱和土的清华模型,试验表明它可以合理地预测从干试样增湿到其他含水率的应力应变全过程;密实的永定河砂的试验表明,在相同应力状态下,应变硬化段与应变软化段的塑性应变增量的方向是一致的,将硬化参数表示为塑性功的函数,则可以描述土的应变软化,模型试验结果表明了建立的反映应变软化的清华模型可以合理地计算浅基础的荷载沉降关系;将等向硬化改为旋转硬化,就可以计算砂土在减载和循环加载下的应力应变关系。清华弹塑性模型是一个具有很大发展空间的模型。     

Strain Energy-Based Elasto-Viscoplastic Constitutive Modelling of Sand for Numerical Simulation

It is shown that the use of visco-plastic shear or volumetric strain as the stress history-independent hardening parameter in an elasto-viscoplastic model for sand may result in inaccurate numerical simulations of geotechnical boundary value problems. A new elasto-viscoplastic constitutive model for sand is proposed, formulated based on a stress path-independent irreversible (or visco-plastic) strain energy-based hardening function. The function was derived based on results from drained plane strain compression (PSC) tests on saturated dense Toyoura sand along a wide variety of stress path. The model is coupled with an existing isotropically work-hardening and -softening, non-associated, elasto-plastic model for sand. The constitutive model takes into account the effects of loading rate due to viscous properties on the stress-strain behaviour as well as those of pressure level, inherent anisotropy and void ratio and work softening associated with strain localization into a shear band. It is shown that the proposed model can much better simulate the effects of stress history on the deformation characteristics of sand than many previous models. The FEM code incorporating the model is validated by simulating physical PSC tests and bearing capacity model tests of a strip footing on sand performed by previous studies.     

平面应变加–卸载试验中砂土的黏性特征及本构模型化

 通过丰浦砂的平面应变循环加载试验,分析砂土在加–卸载条件下相应的黏性特征。试验比较不同加载应变速率下2组砂土的应力–应变响应,进行蠕变加载,着重研究卸载过程中砂土的黏性特征。试验表明砂土的黏性特征与加载速率以及应力水平密切相关,且加载速率变化所引起的砂土黏性会随着加载的继续和应变的增大而逐渐衰减。卸载开始后,砂土垂直应变并未立即降低,而在一段时间范围内仍旧保持增大趋势。卸载过程中的蠕变试验还表明砂土具有“蠕变恢复”的特性。针对砂土的以上黏性特征,基于三要素模型的基本框架,提出瞬时黏性效应(TESRA)模型用以模拟加载和卸载阶段砂土黏性特征。根据试验所得到的砂土应力–应变关系,对第一次加载循环(初始加载–卸载)的砂土应力–应变响应和时程响应进行模拟,并证明瞬时黏性效应(TESRA)模型能够比较精确地模拟砂土在加–卸载循环中的黏性特征。     

玻璃砂透明土变形特性三轴试验研究

玻璃砂透明土是一种由玻璃砂、正十二烷和15号白油按质量比1∶4的混合液体制备而成的新型人工合成透明土;该材料具有透明度高,与天然土体相似度更好等优点,可以用于基于透明土材料的可视化模型试验。为了研究其变形特性,对不同级配的玻璃砂透明土,进行三轴固结不排水剪切试验和三轴固结排水剪切试验,并与同等条件下的福建标准砂试验结果进行对比分析;测得固结不排水剪应力-应变曲线、以及孔压应变曲线形态等工程特性。试验结果表明,随着相对密度的增加,玻璃砂的应力-应变关系从应变硬化型向应变软化型过渡,破坏时的孔压系数A_f降低,变形模量变大;与标准砂相比,玻璃砂透明土的应力-应变曲线峰值来的相对更慢一些。