考虑初始各向异性的砂土弹塑性本构模型及试验验证

基于复杂应力条件下的试验结果,就针对不同主应力方向对应力–应变关系的影响进行了试验研究,并在此基础上结合状态概念提出了基于应力–剪胀关系和应力–应变拟双曲线关系的弹塑性本构模型。利用应力–应变拟双曲线关系描述了主应力方向对有效应力路径、应力–应变发展模式的影响,并通过常规三轴试验测定了试验参数,同时与试验结果进行对比,说明基于状态概念,引入状态参数,利用主应力方向对塑性模量的影响,能够同时描述初始物理状态及初始各向异性对砂土应力–应变关系的影响。     

基于椭圆–抛物双屈服面模型的砂–聚苯乙烯颗粒轻质填料应力应变分析

砂–聚苯乙烯颗粒轻质填料由工程细砂和聚苯乙烯颗粒按一定比例混合形成,有利于节省胶凝材料、降低土工填料附加应力和减小地基沉降,探讨该材料的应力应变关系对指导其工程实践变得尤为重要。基于椭圆–抛物双屈服面模型,推导了考虑轻质填料配比和围压特征的应力应变增量形式方程,结合轻质填料三轴固结排水剪切试验中的应力应变特性,分析了所推导的应力应变增量形式方程的合理性。研究发现,基于椭圆–抛物双屈服面模型的考虑轻质填料配比和围压特征的应力应变增量形式方程能较好地拟合材料偏应力–轴向应变–体变规律,能较好地反映材料的弹塑性、剪胀性和剪缩性,并结合轻质填土的变形机理给予相应解释。     

基于统一硬化参量的原状饱和黏土的结构性本构模型

根据饱和结构性黏土特有的剪胀特点,基于统一硬化参数,对原有的超固结土UH模型进行修正,使之适用于反映结构性土的应力-应变关系,主要结论如下:(1)通过将屈服面在p-q坐标系中向左平移,得到能用来反映具有一定拉伸强度特性的屈服面,且由于屈服面左端位于原点左侧,为了能够描述随体应变发展而造成的胶结强度的损失规律,建议一个屈服面左侧移动的演化方程;(2)通过引入状态参量c来描述体变剪缩到剪胀转换时所对应的变相应力比强度特性,使得体变大小以及体变转换规律符合不同胶结程度而变化的特点;(3)对于结构性土在剪缩下的大体积剪缩特点,提出结构性应力比参量R*,并给出基于R*的结构性潜在强度的关系式。使用上述潜在强度来修正统一硬化参数,并最终得到了能反映结构性土应力-应变关系的简单模型,可以用来反映结构性土的高应力比强度特性,胶结特性随体变逐渐损失特点,大体积剪缩,伴随着胶结损失而产生的应变软化,剪缩、剪胀等主要变形特性。     

状态变量相关三维饱和黏土结构性本构模型

针对天然结构性饱和黏土具有大孔隙、强度高,具有一定胶结性的特点,将原有超固结土UH模型扩展为状态变量相关三维结构性模型。将p-q空间中屈服面左侧端点向原点左侧平移,使之能够考虑一定程度拉伸的胶结特性,并提出胶结性强度参数的演化规律方程。通过引入状态参量χ来修正屈服面方程,并给出状态参量的表达式,使得剪胀方程能够描述体变剪缩到剪胀的变相应力比强度特性。提出结构性应力比参量R~*的概念,并使之来修正统一硬化参量。基于t准则的变换应力方法,使该模型的应力表示一般化,使一般化后的模型能够描述真三轴的应力–应变关系。试验与预测对比结果表明,所提的三维结构性本构模型具有较强的适用性以及应用性。     

椭圆抛物双屈服面弹塑性模型三维各向异性修正及其试验验证

 粗粒料作为高土石坝的重要筑坝材料,其应力–应变规律受初始不等向固结和后续施工影响。考虑粗粒土各向异性特性的同时兼顾其剪胀性和初始不等向应力状态等主要性质,结合室内试验资料,运用应力变换方法和引入新的应力比参数等手段对经典双屈服面弹塑性模型的屈服轨迹和硬化轴进行修正。通过试验数据和预测结果的对比,表明修正的三维化各向异性双屈服面弹塑性模型能够较合理地反映粗粒土在初始不等向固结状态下的强度和变形特性。     

基于微观破损规律的结构性土本构模型

在岩土破损力学理论的基础上,通过考虑土体结构性破损的微观机理,建立了结构性土的本构模型。通过定义与重塑土屈服面几何相似的结构性屈服面,模型可以反映结构性对土体力学特性的影响;通过引入表征结构性损伤的破损参数,确定了结构性土加载过程中的硬化规律。该破损参数基于岩土破损力学中应力应变分担的概念而提出,具有明确的力学意义;模型的硬化规律同时考虑了塑性体应变及塑性主应变的影响,可以更好地反映土体结构性损伤过程。将该本构模型用于结构性土室内固结试验及三轴压缩试验结果的模拟,初步验证了该模型的合理性。     

堆石流变试验及双屈服面流变模型的研究

通过对两类不同岩性的堆石料作室内三轴流变试验,研究了堆石料的流变特性,试验结果表明流变体积应变和广义剪应变随时间均呈双曲线变化。殷宗泽曾以椭圆–抛物双屈服面弹塑性模型为基础,提出了一个综合反映堆石料瞬时变形和流变的双屈服面流变模型的初步框架。结合堆石流变试验规律,将该模型用于模拟试样在不同应力状态下的流变变形的发展,确定了模型参数的计算方法,初步验证该模型的合理性和有效性。该模型能反映复杂加载情况,反映剪胀、剪缩特性和流变特性。     

基于统一硬化模型的结构性松砂应力-应变关系

在临界状态理论的基础上,通过引入修正屈服函数的结构性参数,可更好地描述松砂的塑性变形特性。通过引入状态参数来调整硬化参数和剪胀方程,从而更好地反映松砂的剪缩特性和对密度、有效主应力的双重依赖性。同时,模型采用砂土等压固结线和临界状态线在有效应力幂函数平面内呈线性关系的特性,更准确地反映了砂土的应力-应变特性。通过数值模...     

城市固体废弃物的复合指数应力–应变模型及其应用

在大三轴固结排水剪试验研究的基础上,提出了城市固体废弃物(MSW)的复合指数应力–应变模型。该模型参数少且有明确的物理意义,既可反映MSW在小应变情况下的非线性变形特性,也可反映其在大应变情况下的明显应变硬化特性。采用有限差分程序FLAC内置的Fish语言将复合指数应力–应变模型耦合入FLAC程序,并通过三轴压缩试验数值模拟得到了验证。最后利用该模型分析了某填埋场在竖向扩建堆体荷载作用下的应力压缩沉降、侧向变形以及新老填埋场交界面处中间衬垫系统的应变。结果表明:复合指数模型的计算结果总体上位于莫尔–库仑模型和邓肯–张模型之间;中间衬垫系统的拉伸应变可能导致压实黏土层发生破坏。     

天然软黏土屈服特性及主应力轴旋转效应的本构模拟

为合理模拟主应力轴旋转等复杂加载应力状态,对已有的结构性黏土的各向异性边界面模型中屈服面在π平面上的形状函数M(θ)进行修正,使其适用范围更加广泛,并将模型由三轴应力空间拓展到一般的三维应力空间。通过对天然沉积上海软黏土的一维压缩试验、等压及偏压固结三轴不排水剪切试验 、 一系列 K ₀ 固结三轴排水应力路径试验以及不同中主应力系数和主应力轴旋转角度下的空心圆柱不排水剪切试验,对上海软黏土的屈服特性和主应力轴旋转效应进行了系统的研究。试验研究表明天然沉积的上海软黏土具有明显的结构屈服特性和塑性各向异性,初始状态边界面在 p′-q平面上呈并非以 K ₀ 线为对称轴的 倾斜椭圆形状,临界应力比随中主应力系数的增大而减小,验证了模型中所用的三维边界面方程的合理性;主应力轴旋转对天然沉积软黏土的应力应变关系及强度均有着重要的影响。通过天然沉积上海软黏土等压及偏压固结不排水三轴试验结果对模型参数进行标定,并对应力路径三轴排水试验以及主应力方向旋转的空心圆柱剪切试验结果进行计算,初步验证了拓展后模型在模拟复杂加载路径及主应力轴旋转效应的合理性和有效性。     

土的基本特性、本构关系及数值模拟研究综述

按照对土的力学行为影响的程度,将土的基本特性分为三类:基本特性、亚基本特性与关联基本特性。基本特性包括三种:压硬性、剪胀性与摩擦性,它们是土区别于其他材料的最根本特性。亚基本特性包括应力历史依存性、应力路径依存性、软化特性、各向异性、结构性、蠕变特性、颗粒破碎特性以及温度特性等等,它们通过影响三种基本特性的发展演化规律而间接影响土的应力应变关系。关联基本特性包括屈服特性、正交流动性、相关联性、共轴特性以及临界状态特性等等,它们是考虑建立土的弹塑性本构模型过程中需要关注的基本概念或基本假定。在详细论述土的基本特性及其相互关系后,又通过对非线性弹性的Duncan-Chang模型、弹塑性的Cam-clay模型及其系列UH模型、Asaoka模型、Li-Dafalias模型、Yin-Graham EVP模型以及大陆学者的诸多模型进行深入剖析,具体阐述怎样对土的基本特性进行抽象概括建立本构模型、各本构模型能分别反映哪些特性以及是通过怎样的途径实现对土的基本特性的反映。随后,又探讨了将本构模型应用于数值模拟中的诸多思考以及土工计算方面的个人体会。分别讨论了土工数值模拟的精度以及影响因素,数值模拟中本构模型的选取及参数的获得,变形计算分析中土体初始状态的考虑方法,土体破坏过程模拟分析中对应变局部化的处理,以及在土与结构的接触特性分析中解决二者位移不连续问题的建议。     

考虑围压依存性的软岩结构性下加载面模型

软岩具有典型的弹塑性变形特点,同时由于其内部的胶结作用具有较强的结构性,因此将软岩视作结构性超固结黏土。软岩残余强度随围压变化是软岩峰后力学特性的一个显著特性,在实际工程中具有显著的意义。通过对孔隙比之差的概念进行扩展,使之能够同时考虑软岩的结构性和超固结性,并且给出合理的发展式。通过引入结构性下加载面的概念,在剑桥模型的基础上建立起软岩的结构性下加载面模型。该模型能够反映围压对软岩结构性破坏速率的影响,最终导致不同围压下软岩达到残余强度变形阶段时所保留的残余结构性存在差异,使得软岩的残余强度随围压变化。将理论计算结果与软岩的三轴压缩排水试验结果进行对比分析,结果表明该模型能够较好的描述软岩的应变硬化和软化特性及体积变形剪胀特性,同时能较好的描述软岩的残余强度随围压变化这一力学特性,并给出合理解释。     

基于状态参数的筑坝粗粒土本构模型

粗粒土的应力应变关系与其密实度有着密切的关系。当前常用的粗粒土本构模型无法考虑密实度对其力学行为的影响,在粗粒土三轴试验基础上建议了一个基于状态参数的粗粒土双屈服面模型,推导了其应力应变表达式。该模型能够反映不同初始孔隙比条件下粗粒土的峰值强度、剪胀性、应变硬化或软化规律。通过与多组粗粒土三轴试验结果比较,验证了模型的适应性。     

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。     

结构损伤对膨胀土屈服特性的影响

 利用与CT机配套的非饱和多功能土工三轴仪,对干湿循环不同次数的膨胀土进行控制吸力为常数的各向等压试验,从细观上研究损伤对膨胀土屈服应力的影响。研究表明：屈服应力随着结构损伤的增大而减小;屈服前压缩指数随着结构损伤的增大而增大。根据细观试验数据,分别提出结构参数与屈服应力和宏观变量之间的定量表达式,进而将Barcelona膨胀土模型推广到结构损伤情况。     

岩石在冲击载荷下的过应力本构模型研究

 采用分离式霍布金森压杆(SHPB)试验系统对深井软岩材料进行动态力学性能测试,测试的应力–应变曲线表现出显著的塑性变形特性。基于修正的过应力模型本构方程,根据 的变化量与应变率和应变之间的函数关系,采用量纲一化分析法对修正的过应力模型本构方程进行简化,得到简化的过应力模型本构方程;考虑动载作用下损伤对岩石动载强度的影响,将连续损伤理论和统计强度理论引入到简化的过应力模型本构方程,建立简化的损伤型过应力模型本构方程,使得本构模型方程适用于动态全程应力–应变曲线。采用简化的损伤型过应力模型本构方程对实测曲线进行曲线拟合,实测曲线和拟合曲线两者具有很好的一致性。     

结构性土在能量转化过程中的损伤演化规律

结构性土在受荷变形过程中,随着结构的破损,土体的力学性质逐渐由天然状态向完全破损状态(重塑状态)转变,而损伤变量及其演化规律是反映这种转变的核心所在。从损伤耗能的角度,定义了适应结构性土损伤机制的损伤变量表达式。从体应变与剪应变引起的土体损伤耗能不同机制,按照相容概率事件的叠加原理,建立了一般应变状态下土体损伤演化规律的基本表达式。通过一系列的结构性土的三轴压缩试验结果分析,得出了该土体的损伤演化方程,揭示了体应变与剪应变引起的损伤遵守不同的演化规律。理论计算结果与试验吻合,表明按此方法得到的损伤演化方程能够较好的反映结构性土的应力应变关系。     

利用压汞试验确定软土结构性损伤模型参数

在分析结构性土的变形机理基础上,通过压汞试验对结构强度丧失过程中孔径分布变化规律进行了研究,提出了孔隙结构破损势的概念,在此基础上结合堆砌体模型提出利用微观孔径分布试验结果确定结构性损伤模型     

不同应力路径下结构性土的力学特性

天然土在受荷过程中会经历不同的应力路径，开展结构性土在不同的应力路径下的力学特性的试验研究可以为建立复杂应力路径下的合理结构性本构模型提供试验依据。对结构性土样在不同应力路径下的力学特性进行试验研究。所用土样是人工室内制备的结构性土试样，共进行不同的固结应力状态下常围压、减小围压和增大围压时施加竖向应力直至土样破坏的固结排水和固结不排水三轴试验，对结构性土样在不同的应力路径下的强度特性、破坏特性和变形特性进行探讨和分析。