宁明非饱和膨胀土的一维本构模型及其应用

针对目前难以建立反映各类岩土且能适用于各类岩土工程的理想本构模型的现象,笔者在前人研究的基础上,根据广义Hook定律、Fredlund的双变量理论,推导建立非饱和土在侧限状态下的一维本构方程,并根据土体的三相指标的换算关系,获得体积含水率或吸力的变化对土体重度的影响,并依据宁明膨胀土的土水特征曲线,通过分层总和法原理,估算宁明非饱和膨胀土地基遇水浸润所产生的变形以及影响该变形的因素。     

饱和、非饱和岩石损伤统计本构模型探讨

基于统计理论和损伤力学对岩石在荷载作用下的破坏、损伤特征进行了探讨,建立了弹性损伤统计本构模型。在损伤演化方程中全部采用有效应力,并能反映岩石剩余强度。在混合物理论基础上,建立了饱和、非饱和岩石损伤软化统计本构模型。该模型能反映岩石在单轴抗压试验中初始加载阶段全应力-应变曲线稍向上凹曲的特征,以及在岩石受力过程中损伤和空隙(或孔隙)中流体对应力-应变关系所起的作用。与试验结果的比较显示模型是合理的。     

非饱和土力学特性及本构模型

地表土几乎全是非饱和土，特别是在干旱和半干旱地区，用饱和土力学理论和实验手段不能正确解释和处理非饱和土工程问题。首先介绍用低吸力和高吸力分别描述土的非饱和程度；简单回顾饱和土力学理论之后介绍现在比较认可的非饱和土力学理论；介绍低吸力下非饱和土持水和力学性质的测试方法，重点说明因使用陶土板而需要注意事项与对策以及非饱和土三轴仪的体积测量方法；用吸力控制压缩试验、三轴试验和真三轴试验的实测结果说明非饱和土的典型力学性质；根据试验结果分析持水曲线的直接影响因素和持水与力学性质的耦合特性，用弹塑性方法建立非饱和土持水和力学特性耦合的本构模型，并用吸力控制或量测的等向压缩和三轴试验结果验证；开发高吸力范围内吸力控制三轴试验方法，用该方法获得广吸力范围内4种典型土的应力应变关系，并用其中两种广吸力范围内强度数据对各种非饱和土强度计算公式的适用性进行分析。     

应力空间变换——岩土本构描述的一条新途径

岩土类摩擦型材料的极限状态线限制了岩土体应力状态的变化范围。岩土体应力状态靠近极限状态时，岩土体塑性剪切变形越来越大，趋以破坏，而离开极限状态线时，结果刚好相反，这是岩土次生各向异性的一种反映，从岩土类材料极限状态线导致的各向异性出发，提出了应力空间变换的思想，以重塑土为例，以修正剑桥模型屈服面的中心为映射中心，导出了重塑土的应力空间变换，应力增量变换的公式，并考虑了应力洛德角的影响，通过应力空间变换，为岩土类材料本构描述提供了一条新途径，使屈服面，边界面只能在允许的应力空间中运动（等向硬化或运动硬化），合理地反映了岩土体次生各向异性与应力路径的影响。     

双剪统一弹塑性本构模型及其工程应用

本文提出了基于俞茂宏统一强度理论的双剪统一相关和非相关流动的弹塑性本构模型，并给出了该统一弹塑性本构模型的有限元实施方法。重点讨论了所谓“奇异屈服面”奇异性的处理方法，定义了两类不同类型的奇异形式，给出了它们的不同处理方法。该方法既直观、简单又便于有限元的实施，它对于其它类型“奇异屈服面”角点奇异性的处理同样适用。应用基于该统一弹塑性本构模型的有限元程序ＵＥＰＰ（ＵｎｉｆｉｅｄＥｌａｓｔｏ－ＰｌａｓｔｉｃｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔＰｒｏｇｒａｍ），验证了作者提出的双剪统一弹塑性本构模型及其实施方法的正确性。统一强度理论和双剪统一弹塑性本构模型可以广泛应用于各种土木、机械、航空和岩土工程的结构分析。     

非饱和土变形及渗流过程的有限元分析

提出了一个关于非饱和土变形及渗流问题的有限元分析数值模型，基于双应力变量公式定义了非饱和土广义有效应力。采用Ａｌｏｎｓｏ本构模型以模拟非饱和土的非线性力学行为。此外，通过引入应力空间下的自然坐标体系，对作为非光滑多重屈服面的Ａｌｏｎｓｏ本构模型推导了一个一致性算法。     

砂土数值建模和有限元分析

基于砂土的常规三轴试验,利用岩土本构关系的数值建模方法,建立砂土的弹塑性本构模型。为了该模型的实际工程应用,文中推导了有限元数值计算的弹塑性矩阵,编制了轴对称有限元程序,将本构模型嵌入到有限元程序中,对3种应力路径下砂土的变形过程进行了分析,并将计算结果与试验进行了对比,验证了数值建模方法的有效性。     

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。     

木材非线性受力行为的表征方法研究进展

木材非线性受力行为的表征方法对木结构构件和节点受力行为的有限元分析具有至关重要的影响。为此,从木材失效行为的判别依据和材料本构模型两方面对该领域的研究进展进行了梳理总结。结果表明,已有的强度准则各有其局限,难以全面地反映木材复杂的失效行为。在数值模拟中常需要结合不同强度准则以提高预测模型的计算精度。弹塑性本构模型能够合理反映木材在压应力作用下的硬化行为,并且能够描述木材出现的残余变形,但该模型难以描述木材在拉应力和剪应力作用下的刚度退化和强度软化行为。弹性损伤理论可在一定程度上反映材料的软化行为和反复加载过程中的刚度退化行为,但该理论不能考虑材料的塑性变形。基于上述理论建立的黏聚区单元的初始刚度和相邻单元长度对计算结果具有显著的影响。三维弹塑性损伤模型已经被应用于木结构构件和螺栓连接节点的有限元分析中,此类模型能有效反映构件和节点区域木材的损伤演化规律。随机损伤本构模型和非局部化损伤模型是未来的发展趋势。     

结构性黄土的本构模型

天然沉积黄土具有结构性，因为其在结构破坏前后表现出非常不同的力学特性。为了真实地反映黄土的结构性、湿陷变形特性，在室内试验的基础上，应用充分扰动饱和粘土的稳定孔隙比和稳定状态原理，根据不可逆变形由团块之向滑移和团块破碎机理所引起的概念及土体损伤演化定律，建立了非饱和黄土的屈服函数和损伤函数，得到了非饱和原状结构性黄土的结构性数学模型。该模型能够模拟加载及其他力学特性，且物理意义明确，数值计算结果与试验结果吻合很好。     

基于岩土介质三维孔隙结构的两相流模型

地下储层中岩土介质一般具有较低的孔隙连通性,宏观流动模拟一般忽略微观尺度的孔隙连通性,通过渗透率、弯曲度等参数反映储层的整体特性。但岩土介质的多孔性及孔隙间复杂的连通性,使得宏观描述流体在岩土介质中流动不能反映其内在流动特征。孔隙结构模型的建立可以反映岩土介质中孔隙的几何形态及空间连通性,为解释流体在复杂多孔介质中的流动特性提供有效手段。通过考虑岩土介质孔隙尺寸分布、孔隙孔喉空间相关性、孔隙连通性等特征参数,建立了反映不同岩土介质连通性、各向异性特征的等效孔隙网络模型。等效孔隙网络模型通过水力特征参数等效的方式反映岩土介质三维微观孔隙结构,通过渗透率计算验证了模型的有效性。此外,基于建立的孔隙结构模型,开发了孔隙尺度动态两相流计算模型,模型可以反映孔隙内弯液面的动态运动过程,直观反映多孔介质中的优势渗流,可以为不同孔隙尺度岩土介质提供表观渗透率、击穿曲线、相对渗透率曲线等宏观计算参数。将孔隙尺度两相流模型应用于页岩气开采中水力阻滞特性研究,结果表明：页岩基质的残余饱和度约为30%,随着平均配位数的增加,残余饱和度显著降低。     

多孔介质中两相流动过程的毛细滞回效应

 含水量大小以及干湿循环变化历史对多孔介质渗流过程有着重要影响。基于多孔介质理论和毛细滞回内变量模型,建立能够考虑含水量变化历史影响的多孔介质两相流动模型,并利用开发的U-DYSAC2有限元程序进行相应的数值模拟。通过模拟结果与试验数据的比较,验证所建数值模型在模拟复杂条件下非饱和多孔介质渗流问题的可靠性与有效性。对干湿循环变化条件下土质边坡渗流过程进行数值分析,结果表明：毛细滞回效应对非饱和土渗流过程具有显著影响,非饱和土水力状态不仅取决于当前含水量或基质吸力大小,而且还与土体所经历的水力历史有关;特别地,如果利用主脱湿线来描述土水特征关系,那么土体中基质吸力的预测结果会偏高,从而使得传统边坡稳定性分析方法高估土体抗剪强度以及坡体安全系数。因此,在模拟非饱和多孔介质复杂渗流问题时必须要考虑毛细滞回效应。     

分层岩土介质爆炸效应的三维仿真模拟

分层岩土介质的爆炸效应是一个复杂的动力学问题,运用离散元框架内的三维梁-颗粒模型模拟分层岩土介质的爆炸效应.把介质用颗粒单元离散化,在相邻颗粒间添加梁,这样研究对象就成为一个由颗粒单元与梁网络形成的复合结构.梁的作用是使颗粒的集合体具有与初始对象近似的强度性质.用离散元法描述颗粒单元的运动,并通过相邻颗粒间的相对位移计算梁的变形,根据梁的强度准则判别梁是否存在;裂纹的产生及碎块的形成通过梁的消失来体现.然后采用矩阵位移法计算梁的受力,并反作用于对应的颗粒单元上.模拟结果表明,梁-颗粒模型可以克服以连续介质力学为基础的有限元等数值方法对于模拟大变形时的局限性,可以逼真地体现爆炸载荷下裂纹的生成、扩展以及碎块的形成及飞离母体等大运动特征,且模拟结果与试验结果基本一致,该方法可用于爆炸效应数值模拟,是一种有效的手段.     

A fully coupled thermo-hydro-mechanical model for simulating multiphase flow,deformation and heat transfer in buffer material and rock masses

This paper presents a numerical method for modeling coupled thermo-hydro-mechanical processes of geomaterials with multiphase fluid flow. A FEM code has been developed and validated for modeling the behavior of porous geological media, and is equally applicable for modeling coupled THM processes in rocks. The governing equations are based on the theory of mixtures applied to the multiphysics of porous media, considering solid phase deformation, multiphase fluid flow, and heat transport. New numerical techniques have been developed for more efficient FEM formulation and equation solution for modeling saturated or partially saturated water flow, gas flow and heat transfer in deformable porous media, as are commonly encountered in performance and safety assessment of underground radioactive repositories. The code has been validated against an experimental benchmark test, which involves bentonite under laboratory conditions, with good results. Several critical outstanding issues for modeling coupled processes of geomaterials are discussed in depth.     

Tests on mechanical behavior of unsaturated decomposed granite and its modelling considering finite deformation

Generally speaking, most of the geomaterials in the surface ground are in an unsaturated state. The mechanical and hydraulic properties of unsaturated soil are much more complicated than those of saturated soil. To rationally describe these properties, it is important to couple the stress-strain relation of the unsaturated soil with its water retention characteristics using rational state variables. In this paper, oedometer and triaxial compression tests on decomposed granite under constant-suction and constant degree of saturation conditions were conducted. Based on the test results, a modified constitutive model was proposed to build an incremental relation between the degree of saturation and suction that considers the influence of finite deformation. The modified model was utilized to simulate the corresponding laboratory tests. It is found that the modified constitutive model has satisfactory accuracy to describe the mechanical and hydraulic properties of unsaturated decomposed granite, which verified the reasonability of the assumption adopted in this paper. The test results are also helpful for the understanding of the moisture characteristics of the decomposed granite under constant degree of saturation condition.     

考虑微观莫尔-库仑准则的拓展虚内键本构模型

拓展虚内键本构模型（augmented virtual internal bond-AVIB）蕴含了微观断裂机理,在模拟材料断裂破坏过程中有着较强的优势,它还不能很好地模拟岩土材料的压剪破坏的力学行为,这限制了它在岩土工程中的应用。为了突破这一局限性,在微观虚内键层面上引入了莫尔-库仑类型的虚内键破坏准则,来模拟岩土材料宏观压剪破坏行为。数值分析表明：通过引入这一微观莫尔-库仑准则,可以很好地再现岩石材料三轴受压情况下的强度特征,并且在大量数值模拟基础上,得出了微观内摩擦角和黏聚力与宏观内摩擦角和黏聚力之间的关系。该关系为本模型的参数标定提供了依据。     

正冻多孔介质耦合模型研究

 通过分析多孔介质孔隙水的相变过程,研究孔隙冰与孔隙水含量随温度改变的变化规律,建立描述冷冻条件下孔隙冰与孔隙水饱和度的数学关系式。通过引入低温多孔介质有效孔隙压力概念,建立基于多孔连续介质力学理论的低温多孔介质孔隙压力变化的耦合模型,提出低温冻结情况下饱和非饱和多孔介质的体积热膨胀系数表达式。应用现有的试验成果论证此研究模型的正确性。研究成果表明建议的模型能够正确地模拟正冻孔隙介质的有效孔隙压力和骨架应力,并能反映冻胀融缩的变形特点,为科学研究低温多孔介质的应力与变形特点提供合理可靠的方法。     

岩土材料的脆性研究

对岩土材料的脆性破坏过程进行正确描述是很困难的。目前,有关脆性的定义和度量还没有统一的说法,脆性既是变形特性又是材料特性。首先对岩土材料的脆性进行了讨论,然后在总结脆性度量方法的基础上建议了一个可以描述材料脆性变化的脆性指数,并验证了这一指数可以较好地描述岩土材料在受荷时的脆性变化,最后应用二元介质模型,对岩土材料在受荷过程中的应力应变特征进行了模拟。模拟结果表明:这一模型可以模拟低围压下的应变软化到高围压下的应变硬化现象,并且脆性指数随着围压的增大而逐渐减小。     

多孔介质中化学–热–水力–力学耦合过程本构模型和数值模拟

本文发展了一个多孔介质中的化学–热–水力–力学(CTHM)耦合本构模型。该模型基于文献[1]中多孔介质热–水力–力学(THM)本构模型、文献[2,3]中的污染物传输本构模型和文献[4]提出的化学–力学本构模型。在本构模型中引入化学软化函数以模拟孔隙水中有机污染物对多孔介质力学性质的影响。考虑了温度对污染物传输机制的影响。本文CTHM耦合本构模型已在多孔介质的热–水力–力学–污染物传输数学模型中建立。在CTHM本构模拟框架中对计及化学塑性效应、描述在热–水力–污染物传输耦合作用下多孔介质力学行为、在应力–吸力–温度四维空间中包含了五重屈服面的耦合本构模型发展了一致性切线模量矩阵。数值结果突出显示了污染物浓度在多孔介质化学–热–水力–力学(CTHM)耦合系统中的影响。     

Failure mechanism of unsaturated landslide dam under seepage loading – Model tests and corresponding numerical simulations

Due to the rapid cracking, sliding and packing of its geomaterials, a landslide dam (LD) is usually weaker in structure than the undisturbed ground and is more vulnerable to seepage loading. In addition, since the naturally packed geomaterials of an LD are mostly in an unsaturated state, it is necessary to use a suitable constitutive model that can describe the mechanical behaviour of the soils under an unsaturated/saturated state in a unified way and whose material parameters can be determined in a rational way in order to accurately simulate the failure mechanism of the LD. In this paper, water retention tests and flume tests were conducted on model LDs prepared with three different ground materials. An unsaturated soil constitutive model was selected for the corresponding numerical simulations. Based on the results of water retention tests and triaxial tests, the parameters of the LD materials were properly determined. Using these parameters, soil-water-air coupling finite element analyses were conducted to simulate the flume tests on the model LDs. By comparing the calculated results with the test results, it was found that the numerical method used in this paper has satisfactory accuracy for describing the different failure mechanisms of the model LDs under seepage loading. The results indicate that the material properties of the LDs, especially the strength and the difference in void ratio between the unsaturated and the saturated states, play important roles. In addition, the influence of the rate of the rise in water head was also investigated by numerical tests. The purpose of this research is to provide a scientific basis for decision-making in the disaster mitigation process of LDs with a comprehensive method for understanding the failure mechanism of these LDs.