三维化方法对土的平面应变强度和变形的影响分析

临界状态本构模型需要通过三维化来反映材料在三维应力状态下的力学特性。采用不同三维化方法在描述应力罗德角和偏应力对应力应变的影响程度上具有差异性,在平面应变条件下,这种差异性对土的应力应变计算结果影响往往非常显著。以K₀固结土的统一硬化(UH)本构模型和空间滑动面(SMP)强度准则为例,分别采用变换应力(TS)方法和g(θ)方法这两种常用方法对模型三维化,推导了相应的三维弹塑性刚度矩阵[D_ep],阐述了不同方法在三维应力应变计算过程上的本质区别。相比g(θ)方法,TS方法可以合理描述不同K₀状态下土的应力水平对偏平面上屈服曲线形状的影响规律,即由低应力比下的近圆形转变为剪切破坏时的SMP破坏准则形状,实现了土体从剪切屈服到剪切破坏的一致性。通过对一系列平面应变单元试验和边值问题的分析计算结果表明,采用TS方法三维化的UH模型预测结果与已有试验规律更为吻合。在不同K₀固结条件下,由于计算得到的破坏面呈现不规则形状,采用g(θ)方法往往过高或过低地估计平面应变条件下土体的应力水平。     

黏土的结构性定量化表征及其弹塑性本构模型研究

结构性可增强土骨架的稳定性,在相同的应力条件下,结构性土与重塑土相比可保持更大的孔隙比。从结构性土的形成过程出发,详细分析了结构性对土体变形特性的影响及变形过程中结构性的衰退规律,提出了土体结构的定量化表征参数——相对结构度,并给出了该变量在土体变形过程中的演化方程。随后基于该参数推导了结构性土的体变方程,该方程反映了结构性土在变形过程中土体结构对压缩特性的影响。最后,结合修正剑桥模型推导了三轴应力状态下结构性土的本构模型,该模型可较好地预测结构性土的力学与变形特性,通过3种天然结构性土的试验结果与模型预测对比验证了本模型的合理性。     

非饱和土耦合本构模型的三维化

非饱和土本构关系模型通常是建立在修正剑桥模型的基础上,并采用了广义的von Mises准则,以描述非饱和土在一般应力状态下的本构行为。该准则假设在π平面上屈服面是个圆形,高估了土体除三轴压缩以外的强度,在平面应变中也会错误估计中主应力比。空间滑动面破坏准则（SMP）考虑了第三应力不变量的影响,屈服面在π平面上为曲边三角形,可以较好地描述一般应力状态下土体的剪切屈服和破坏特性。采用变换应力方法,将SMP准则应用到最近建立的非饱和土耦合本构模型中使其合理的三维化,能够有效地将模型从轴对称应力状态扩展至一般应力状态。根据与试验结果对比表明,改进后的模型在不增加任何参数的情况下,能够较好地模拟非饱和土在三轴伸长等一般应力状态下的行为特性。     

基于K_0固结排水卸荷应力路径试验粉土应力–变形特性研究

针对开挖土体复杂卸荷应力路径,按不同初始应力状态和卸荷应力比,对南水北调南干渠粉质黏土开展了K_0固结排水卸荷应力路径试验。试样首先在不同围压条件下K_0固结稳定,然后根据不同的轴向应力和径向应力卸荷比,进行卸荷试验,以模拟实际土体开挖过程中的应力路径。试验结果表明土体的应力应变特性与应力路径密切相关:不同卸荷应力比条件下,试样可能为压缩,先伸长再压缩或者为伸长变形;卸荷应力路径下压缩和伸长应力比临界值与初始固结状态和土性相关;相同平均应力增量条件下,卸荷应力比越小,试样体积膨胀绝对值越大;土体强度参数受加荷方式和应力路径影响不大。试验结果和常规三轴试验有显著区别,需要发展能够描述卸荷应力路径下的土体本构模型,对开挖土体开展符合工程实际的应力变形分析。     

土的三维渐近状态准则

天然地基中土是在某种约束下而受力变形的，试验结果表明，土在等应变增量比的路径约束下，无论应力路径的起点如何最终都会逼近于应力比为一常数的稳定状态，称为渐近状态。简要分析了渐近状态下土的剪胀规律，应变增量比作为反映剪胀性的一个参数，可以用来描述渐近状态应力比，结合广义非线性强度准则，把土渐近状态应力比的计算推广到三维，提出了土的三维渐近状态准则，并详细分析了该准则中各参数对渐近状态应力比的影响程度，最后通过试验验证了准则的有效性。     

等应力比路径下粗粒土湿化试验研究

采用古水面板坝玄武岩堆石料进行了等应力比路径下的粗粒土湿化试验。试验结果表明,在等应力比路径下的土体的湿化变形不仅受应力状态的影响还受加载应力路径的影响。在传统湿化变形公式中引入应力路径参量,并采用体积应力和参考应力水平描述应力状态对湿化变形的影响,建立了等应力比路径下的湿化变形公式。所建立的湿化变形公式能够很好地描述等应力比路径下的粗粒土湿化变形。     

基于修正关口-太田模型的归一化#br# 变形量开挖边坡失稳判据

由于普通土体本构模型不能反应土体初始应力状态及开挖应力路径,在进行有限元计算时得到的特征点位移也会与工程实际有偏差。选用可以对开挖前边坡土体的初始K0应力状态以及开挖应力路径进行合理描述的修正关口太田模型,对开挖边坡进行有限元计算。根据位移突变判据,采用单因素敏感性分析,对54例简单边坡进行有限元计算,得出与边坡位移量呈正、负关联的基本参量。利用灰色关联分析方法,首次同时考虑了土坡几何参数、物理参数、本构模型等基本参数,将边坡的变形量进行归一化处理,构建以变形量为基础的归一化失稳判据Fu及警戒位移值U′1,从而可以通过实时监控边坡位移及时给出滑坡体的安全性评价。     

基于修正关口-太田模型的归一化变形量开挖边坡失稳判据

由于普通土体本构模型不能反应土体初始应力状态及开挖应力路径,在进行有限元计算时得到的特征点位移也会与工程实际有偏差。选用可以对开挖前边坡土体的初始K_0应力状态以及开挖应力路径进行合理描述的修正关口太田模型,对开挖边坡进行有限元计算。根据位移突变判据,采用单因素敏感性分析,对54例简单边坡进行有限元计算,得出与边坡位移量呈正、负关联的基本参量。利用灰色关联分析方法,首次同时考虑了土坡几何参数、物理参数、本构模型等基本参数,将边坡的变形量进行归一化处理,构建以变形量为基础的归一化失稳判据F_u及警戒位移值U_1′,从而可以通过实时监控边坡位移及时给出滑坡体的安全性评价。     

天然软黏土的弹黏塑性本构模型：进展及 发展

天然软黏土由于土结构的存在表现出比较复杂的力学特性：应力应变关系的时效特征;固有各向异性和诱发各向异性;土颗粒间的胶结和大孔隙结构在变形过程中的破坏。基于上述某些试验现象,学者们提出了很多一维和三维的弹黏塑性本构模型。为了弥补现有模型对软黏土力学特征的描述考虑不足,作者在弹黏塑性力学理论的框架下,由浅入深地建立了一系列的天然软黏土的本构模型： ① 在 非结构性 土的一维压缩试验基础上建立一维弹黏塑性本构模型; ② 在 非结构性 土 的 三轴试验基础上扩展一维模型到三维弹黏塑性本构模型; ③ 在 结构性 土 的 一维压缩试验基础上扩展一维非结构性土模型到一维结构性土模型; ④ 结合前面的模型和结构性土的三轴试验现象提出三维结构性软黏土的弹黏塑性本构模型。 所有模型均得以验证。 三维 结构性 土 模型需要的试验成本同修正剑桥模型,且所有参数的确定都非常直接。     

硬化土模型在无锡地区深基坑工程中的应用与分析

深基坑工程开挖规模大、深度深、应力路径复杂,土体本构模型的选取是深基坑工程数值计算和分析的关键。在对硬化土(HS)模型及模型参数进行理论分析的基础上,基于室内不同应力路径试验,确定无锡地区典型土层的HS模型参数。以三维Z_Soil软件对无锡地铁2号线车站基坑与紧邻恒隆基坑的施工过程进行数值分析,计算结果与实测数据吻合较好。研究表明,HS模型不仅能够反映土体应力、应变的非线性特性,还能够反映深基坑工程复杂的应力路径。无锡地区土质较硬,土体本构模型适合HS模型,由试验确定的HS模型参数可用于无锡地区深基坑工程的计算分析,同时也说明本文所采用数值计算方法的可靠性。     

横观各向同性黏土的非正交弹塑性本构模型

为了描述土体各向异性对应力应变关系的影响,基于特征应力的概念,建立横观各向同性黏土的非正交弹塑性本构模型。建模思路如下:(1)借鉴修正应力方法将组构张量引入到特征应力概念中;(2)根据修正特征应力空间中八面体面上的摩擦规律,建立可以综合反映土体各向异性和中主应力效应的横观各向同性土的β强度准则;(3)在修正特征应力空间中,采用倾斜屈服面描述非等向固结对土体屈服特性的影响,并引入体应变相关的硬化参数;(4)通过基于分数阶微分的三维非正交塑性流动法则,确定横观各向同性黏土的塑性应变增量方向。模型仅需要6个可通过常规三轴试验确定的材料参数,所涉及3个模型参数均可通过材料参数得到。预测结果与试验数据的对比表明,本文提出的模型可以合理地描述横观各向同性黏土的强度及变形特征。     

隧道开挖围岩土压力拱效应分析

采用弹塑性理论应力反馈算法,研发材料本构模型子程序,将土的应力路径本构模型嵌入大型有限元软件ABAQUS,通过对三轴压缩和三轴拉伸试验条件的数值模拟,验证了子程序的精度。利用二次开发后的ABAQUS对隧道开挖过程进行了三维有限元分析,从不均匀变形、应力重分配、应力路径和地表沉降规律四个方面研究了由重力引起的大主应力改变产生的土压力拱效应。研究结果表明:隧道开挖过程中,围岩土体中的应力路径变化非常复杂,并受几何位置和开挖进程影响;隧道埋深较浅时,土压力拱作用至地表,尚未完全发挥支撑作用,表现为隧道上方土体的整体沉陷变形;隧道埋深较深时,土压力拱的作用未影响至地表,充分发挥了支撑作用,表现为隧道上方土体的塌落变形;土压力拱的作用范围受隧道埋深影响不大,约为隧道半径的3倍。     

循环荷载作用下软黏土不排水累积变形特性

在原状样与重塑样循环三轴试验的基础上,研究了软黏土在无静偏应力和有静偏应力循环荷载作用下的不排水瞬态累积变形特性,提出了考虑循环应力、循环振次、超固结比及静偏应力影响因素的土体应变本构模型。结果表明:软黏土变形规律受固结应力水平和土结构破坏影响甚大,当固结压力大于土体结构屈服应力时,其变形规律将趋近于重塑样;在循环荷载作用下,土样变形存在转折点,标志着土结构的破坏,本构模型宜按试样破坏前、后分段描述。     

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。     

考虑密实度和应力水平效应的粗粒土定量化本构模拟

亚塑性理论是一个相对较新的本构理论框架,适合于模拟土体等具有强烈非线性特性的颗粒材料。针对Gudehus和Bauer建立的一个亚塑性模型,建议了一个修正模型。原始模型虽能定性地反映粗粒土的剪胀性和应变软化特性随土体初始密实度和应力水平变化的规律,但模型对粗粒土应力–应变关系的定量预测还不能达到令人满意的程度。在Gudehus-Bauer模型基础上,通过在本构方程中增加一个随剪应力水平变化的因子来修正张量函数的结构,增强了模型描述各种应力路径的能力。修正模型还采用了应力变换的方法来改善对粗粒土在三维应力条件下力学响应的模拟质量。论文中给出的数值结果表明,修正后的模型不仅能定性地反映粗粒土的力学响应,还能在很宽广的密实度和应力范围内得到和实验数据相一致的定量预测。     

正常固结原状饱和黏性土的三剪统一结构性本构模型

基于扰动状态概念,采用非线性弹性本构模型来表征原状黏性土的相对完整状态,将三剪统一强度准则与修正剑桥模型相结合来表征原状黏性土的完全调整状态,提出了饱和原状黏性土结构性本构模型。通过坐标平移法确定的破坏应力比使所提出模型能够反映全应力状态变化下的强度区间效应和拉压差,也能够描述黏聚力在土体受力过程中的作用。为验证所提出模型的正确性,以江西原状饱和红黏土为试验土样,做了排水和不排水条件下的常规三轴压缩试验,将模型计算结果与试验结果进行对比,结果表明,所提模型能够较好地反映江西原状饱和红黏土的力学和变形特性。     

软土应力各向异性对基坑开挖变形影响的机理分析

软土条件下,应力各向异性对复杂状态下土体的变形规律有重要影响。卸载状态下的K0固结土体具有其特有的强度和变形特性。本文建立了一个简单、便于工程使用且能够描述土体各向异性的理想弹塑性本构模型,并将该本构模型耦合到ANSYS软件中,模拟分析了各向异性对基坑开挖变形的影响。结果表明:各向异性对土体的变形性状有重要影响,且对土体的水平变形和与竖向变形的影响程度与开挖宽度和开挖深度的比值有关。     

硬化土本构模型在FLAC3D中的开发及应用

 基于塑性增量理论,推导硬化土本构模型的有限差分格式。在VC++编程环境下,利用FLAC3D提供的二次开发平台,编制硬化土本构模型的有限差分程序,实现硬化土本构模型在FLAC3D中的二次开发,并给出二次开发的步骤、方法和编程要点。通过不同应力路径室内试验结果与采用不同本构模型的FLAC3D数值计算结果进行对比分析,验证硬化土本构模型在FLAC3D中二次开发的正确性和必要性。对比分析表明：采用硬化土本构模型的FLAC3D数值计算结果与试验结果吻合较好,而且硬化土本构模型的模型参数可从常规三轴试验获得,模型参数简单,硬化土本构模型不仅能够反映土体的非线性特性,还能够反映深基坑工程复杂的应力路径,与其他土体本构模型相比,硬化土本构模型更适合用于深基坑工程的计算分析。硬化土本构模型在FLAC3D中二次开发的实现,扩大了FLAC3D的适用范围,在一定程度上弥补FLAC3D在分析岩土工程尤其是深基坑工程方面上的不足。     

基坑开挖卸荷应力路径地基土工程特性

基坑工程支挡结构分析计算是否能正确模拟地基土的工程行为,主要在于采用的应力-应变关系及计算参数的选取方法能否符合工程实际的应力路径。本次研究分析了现行基坑工程设计参数试验获取方法的不合理性,认为土体的物理力学试验应确定其初始应力和固结状态,且试验采用的应力路径应能反映基坑开挖引起土体应力状态的变化,所得参数应能将地基土的强度与变形有效地联系起来,应力-应变关系既能表达极限状态,又能描述过程状态。研究提出了一种针对基坑工程的土工试验方法,将基坑开挖应力路径简化为三种,并结合基坑足尺试验场地原状土样的土工试验结果,分析了基坑开挖卸荷路径地基土的强度、变形特征,得到了土体应力-应变关系及归一化方式。研究结果对改进基坑工程设计及计算分析方法具有重要意义。     

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。