饱和砂土剪胀性本构模型试验研究

本文结合目前国内外砂土剪胀理论前沿课题,以饱和砂土的剪胀机理及本构模型为研究对象,通过大量的固结不排水(CU)和固结排水(CD)三轴试验,对基于材料内部状态的饱和砂土剪胀性本构模型进行了试验验证.     

砂土内在各向异性的本构模拟

基于砂土的应力-应变-强度关系受土骨架结构朝向和主应力方向间相对关系影响,相同状态砂土在三轴压缩条件下剪切膨胀,在三轴拉伸条件下剪切收缩的研究.介绍一个模拟砂土内在各向异性的本构模型.模型采用描述材料内在各向异性的二阶对称组构张量和各向异性状态变量(组构张量和应力张量的联合不变量)描述土的各向异性.在e-p平面,临界状态线不固定,而与各向异性状态变量相关.塑性模量也与各向异性状态变量相关.模型能在很大应力和密度变化范围内模拟砂土的剪缩和剪胀行为,特别是主应力方向和土骨架结构朝向间夹角对砂土性质的影响.模拟结果与实验数据吻合.     

砂土的三剪统一本构模型

以修正剑桥模型为基础,基于三剪统一强度准则,推导出砂土的三剪统一本构模型,并编写了相应的ABAQUS二次开发子程序。对松砂进行了排水和不排水条件下的常规三轴压缩试验,利用二次开发后的ABAQUS软件模拟了试验模型的应力状态。数值解与实验结果符合较好,证明模型推导和二次开发编程的正确性。在此基础上,模拟不同排水条件下真三轴压缩试验,讨论了中主应力影响系数对应力应变曲线的影响。更多还原     

砂土简化边界面本构模型

基于边界面次塑性模型,简化了模型原始加载和重加载的关系,减少了模型参数,提供了一种适用于描述砂土单向荷载和循环荷载作用下应力路径和应力-应变关系的方法。引进状态参数,从而可用一套参数统一描述不同密度砂土的力学行为。使用Mathematica软件进行简化边界面模型的单元测试,并与试验数据进行对比。结果表明：此简化边界面模型能合理模拟土体复杂的力学行为,包括土体的临界状态、单向和循环荷载下体积变形的变化、应力-应变关系、围压的变化等。     

砂土的次加载面动本构模型

基于临界状态土力学框架,建立了一个适用于往返循环荷载作用的砂土次加载面本构模型。模型采用无弹性域假设,认为土体受到反向荷载的瞬时就产生塑性变形,砂土的弹性区域退化为一个点。根据试验结果,屈服面采用倒子弹头型。由于砂土的孔隙比与固结压力不存在唯一的关系,这样使得屈服面大小与孔隙比不能直接耦合,因而硬化规律不是剑桥模型的体变硬化,而是采用增量形式的塑性偏应变硬化表达式。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,能合理地模拟砂土动荷载下的应力-应变关系曲线的光滑性、变形积累性、滞洄性。     

反映物态变化的砂土状态参数本构模型

基于状态参数Ψ、峰值应力比、相态转换应力比、依赖于状态的剪胀方程和一个双曲线的应力应变关系,建立了一个静力条件下能统一反映密度和压力对砂土变形特性影响的本构模型。该模型具有8个材料参数,都能从常规三轴试验中确定,模型能很好的模拟不同密度和不同固结压力下砂土的这些变形特性,通过数值试验初步验证了模型的合理性。     

砂土的应力路径损伤本构模型

在工程荷栽范围内,不计砂土骨架颗粒的变形,骨架的变形实际是颗粒接触面变形的总和.骨架的变形主要受土颗粒之间的联结方式控制,论文将土颗粒之间的联结方式分为完善联结和滑动联结.在弹性变形阶段,颗粒之间的联结为完善联结,随剪应力的增大,骨架中一部分完善联结逐渐变成滑动联结,这种转变即为损伤的演化.骨架的损伤和破坏遵循Mohr-Coulomb准则,在p-q平面中以应力点到初始损伤线和破坏线的相对距离表示损伤比,论文给出了一种描述骨架损伤和计算损伤演化的方法,进而提出了一种描述砂土变形行为的损伤本构模型.模型中的参数可根据常规三轴剪切和等应力比固结两种应力路径试验确定,模型的形式简单,可适用于复杂的应力路径情况.对试验结果的拟合表明该模型能较好地反映砂土的主要变形特征--非线性、弹塑性和剪胀性.     

基于应变软化与剪胀性特征的粉砂土双硬化弹塑性本构模型

针对上海粉细砂不存在惟一临界状态线的特点,对传统的砂土本构模型进行了改进,提出了一个能合理描述剪胀性和应变软化特性的粉细砂弹塑性本构模型.该模型采用双屈服面形式,可同时反映剪切变形及压缩变形机理.模型对传统修正剑桥模型中的剪胀性公式进行了改进,考虑了状态转换应力比与初始有效围压的相关性.为了描述应变软化特性,提出了一个利用残余状态应力比和峰值应力比的应变软化公式,可较为合理地反映粉细砂的应变软化特性.通过对上海粉细砂的多组试验结果模拟,验证了本文模型的合理性和有效性.     

基于应变软化与剪胀性特征的粉砂土双硬化弹塑性本构模型

针对上海粉细砂不存在惟一临界状态线的特点,对传统的砂土本构模型进行了改进,提出了一个能合理描述剪胀性和应变软化特性的粉细砂弹塑性本构模型. 该模型采用双屈服面形式,可同时反映剪切变形及压缩变形机理. 模型对传统修正剑桥模型中的剪胀性公式进行了改进,考虑了状态转换应力比与初始有效围压的相关性. 为了描述应变软化特性,提出了一个利用残余状态应力比和峰值应力比的应变软化公式,可较为合理地反映粉细砂的应变软化特性. 通过对上海粉细砂的多组试验结果模拟,验证了本文模型的合理性和有效性.     

基于Gross方程的饱和砂土液化后流动特性模型

将液化后的饱和砂土视为一种流体，其流动特性表现出类似剪切稀化非牛顿流体的特性。根据非牛顿流体力学理论分析液化后饱和砂土的流动特性发现，当处于零有效应力状态时，可以用纯粘性流动本构模型较好地描述砂土的剪应变率表观黏度关系。通过拟合动扭剪试验结果的流变曲线，对比分析了几种常用的纯粘性流动本构模型，发现Gross模型可以较好且较简洁地描述液化后砂土零有效应力状态时的流动特性。通过对拟合参数的分析，建立了基于Gross模型的液化后饱和砂土零有效应力状态的流动本构模型，得到时间量纲下的参数K以及零剪切表观黏度η₀和极限剪切表观黏度η_∞的函数关系。考虑相对密实度、固结应力和应力历史对模型参数的影响，阐释了模型参数的函数关系以及物理意义。     

Viscoelastoplastic constitutive model for creep deformation behavior of asphalt sand

A uniaxial viscoelastoplastic model that can describe whole creep behaviors of asphalt sand at different temperatures was presented.The model was composed of three submodels in series,which describe elastoplastic,viscoelastic and viscoplastic characteristics respectively.The constitutive equation was established for uniaxial loading condition,and the creep representation was also obtained.The constitutive parameters were determined by uniaxial compression tests under controlled-stress of 0.1 MPa with five different test temperatures of 20,40,45,50 and 60 ℃.Expressions of the model parameters in terms of temperatures were also given.The model gave prediction at various temperatures consistent with the experimental results,and can reflect the total deformation characterization of asphalt sands.     

Asymptotic state behaviour and its modeling for saturated sand

A new double hardening elasto-plastic model is proposed in this paper based on the existing unified hardening model (UH model). By assuming that there is part coupling effect between the plastic volumetric strain and plastic shear strain, hardening parameters consisting of a coupled and an uncoupled components are adopted in this model. A unique feature of this model is that it can describe not only the conventional drained and undrained behaviors of soil, but also the stress-strain relationships of soil under partially drained conditions which can be volumetric compression or dilation. Adopting the asymptotic state concept, simple equations for estimating the limiting stress ratio under undrained or earth pressure at rest (i.e. K ₀) conditions are derived. The new model is relatively simple to be adopted in practice for two reasons. First, the same soil parameters as in Cam-clay model are used except the addition of one extra parameter, the stress ratio at the characteristic state. Second, all the parameters can be determined using conventional triaxial compression tests. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 10672010 and 50479001) and the National Earthquake Science Item (Grant No. 200808076)     

一种青藏高原冻结砂土蠕变本构模型

为描述青藏铁路沿线冻结砂土的蠕变特性,建立一个考虑应力和时间耦合的蠕变本构模型.首先进行一系列不同温度、干密度条件下的冻结砂土三轴蠕变试验;其次以Nishihara模型为基础,考虑应力和时间对模型元件的耦合影响,将黏弹性元件中定常的黏滞系数修正为时间和应力的函数,引入损伤变量改进黏塑性元件,构建新的冻结砂土蠕变本构模型;最后基于试验数据验证其科学性.结果表明:试验数据与拟合数据吻合良好,改进模型能较好地描述不同温度和应力水平下冻结砂土的衰减、稳态和加速蠕变特性;改进模型中黏弹性元件的黏滞系数、剪切模量和黏塑性元件的黏滞系数均随温度升高和应力水平增大而减小,损伤变量参数随着温度升高、应力水平增大而增大.成果可为冻结砂土蠕变沉降预测提供一种新的选择,为蠕变理论研究积累资料.     

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。     

A constitutive model for the state-dependent behaviors of rockfill material considering particle breakage

The particle breakage during specimen compaction had more significant influence on the position of the breakage critical-state line(BCSL)of Tacheng rockfill material(TRM)in the e-lnp’plane than the particle breakage during shearing,based on the large-scale triaxial compression tests on TRM in a wide range of densities and pressures.The state-dependent dilatancy and the plastic modulus were correlated to the breakage index,based on the formulations of the BCSL of TRM in the e-lnp’plane.The state-dependent model considering particle breakage was proposed for TRM within the framework of the generalized plasticity theory.The proposed model contained fourteen material constants.The test data of TRM from Group A were adopted to determine these material constants,while the test data from Group B were used independently to validate the model predictive capacity.The comparisons between model simulations and test data illustrated that the model with consideration of particle breakage could well represent the stress-strain behaviors of TRM,e.g.,the strain hardening and volumetric contraction behaviors at a loose state and the strain softening and volumetric expansion behaviors at a dense state,and also the particle breakage behaviors of TRM.     

干燥及饱和橡胶砂压缩和剪切特性

将废弃轮胎作为建筑材料应用在土木工程领域是对其回收处理最有前景的方法之一。为了研究轮胎橡胶颗粒改良砂土的效果,选取橡胶颗粒与福建砂的混合土为研究对象,研究了橡胶砂的压缩和抗剪特性,分析了橡胶含量与干湿状态对橡胶砂力学特性的影响,并建立了双曲线模型预测橡胶砂受剪过程的剪应力与剪切位移关系。结果表明：橡胶砂的压缩变形随橡胶含量增大而增大,饱和橡胶砂的压缩变形明显大于干燥橡胶砂;橡胶砂的剪应力剪切位移曲线表现出应变硬化特征;橡胶砂的抗剪强度与橡胶含量的关系不大;干燥试样内摩擦角随着橡胶含量的增大而降低,饱和试样的内摩擦角随着橡胶含量的增大而轻微升高;通过双曲线模型预测的剪应力剪切位移关系曲线与试验结果吻合。     

堆石料的三维应力分数阶本构模型

为合理反映粗粒土的状态依赖非关联应力-应变特性,提出应力分数阶塑性力学模型。已有模型基于三轴试验结果,无法对堆石料真三轴条件下的应力-应变特性进行预测,为解决这一问题,基于特征应力法对已有分数阶塑性力学模型进行完善。进一步选取不同初始状态条件下堆石料的真三轴压缩试验数据对模型进行验证,结果表明,三维化后的分数阶岩土塑性力学模型可以合理地模拟不同初始状态的堆石料在真三轴压缩条件下的应力-应变行为。与传统塑性力学模型相比,提出的分数阶塑性模型在描述堆石料非关联流动时不需要额外引入塑性势函数,仅需对已有屈服面求解分数阶导数。此外,模型在特征应力空间中推导完成再映射到原应力空间,可描述土体的三维强度特性,无需额外采用三维强度准则。