膨胀性非饱和土的双尺度毛细-弹塑性变形耦合模型

从宏观和微观角度,在已有的膨胀性非饱和土的双尺度本构模型BExM和湿陷性非饱和土的毛细-弹塑性变形耦合模型的基础上,发展和建立了一个可预测膨胀性非饱和土的毛细滞回和力学行为耦合的双尺度本构模型.模型考虑了土体微观结构的体变及其对宏观结构行为的影响,以及毛细和力学行为之间的耦合作用.对已有的膨胀性非饱和土的常净应力下吸力循环试验进行预测,预测结果表明该模型能够定量地描述膨胀性非饱和土的毛细和力学行为.     

膨胀性非饱和土水力和力学性质的弹塑性模拟

Alonso等人提出的非饱和土弹塑性本构模型(BBM),不能用于预测膨胀性非饱和土的力学性质。现有的膨胀性非饱和土的弹塑性模型(BExM),其微观参数及微宏观变形的转换关系确定非常困难。从宏观角度,在已有的非膨胀性非饱和土水力特性和力学性质耦合的弹塑性本构模型的基础上,发展和建立了一个可预测非饱和膨胀土的水力特性和力学特性的弹塑性本构模型。模型引入不同形状的等孔隙比线与屈服线,并考虑了变形对土水特性的影响。对已公开发表的非饱和膨胀土的试验结果进行预测,包括常净应力的吸湿试验,吸力不变的等向压缩试验及三轴剪切试验。预测结果表明该模型能够定量的描述膨胀性非饱和土的水力和力学特性。     

非饱和黏性土水–力耦合弹塑性组合双面模型

非饱和黏性土在外荷载作用下呈现出复杂的水–力耦合特性。为描述水–力耦合对非饱和土应力–应变特性的影响，基于弹塑性理论，采用提出的循环塑性硬化法则，考虑(p’-q-s)空间内的任意应力路径变化，建立能够描述非饱和黏性土水–力耦合特性的弹塑性组合双面模型。该模型通过平均骨架应力和修正吸力反映应力和吸力的耦合作用，采用2组加载面和边界面组合，分别描述加载、干湿过程中水–力耦合引起的塑性屈服，实现非饱和黏性土水–力特性的全耦合分析和求解。与非饱和黏性土的常规静力三轴剪切试验结果的比较表明，所建模型能较好地模拟非饱和黏性土水–力耦合下的应力–应变特性。     

循环荷载下非饱和结构性土的边界面模型

基于结构体损伤概念和非饱和土力学,利用边界面塑性理论,提出了一个可以描述循环荷载作用下非饱和土力学特性的弹塑性本构模型。在BBM(Barcelona Basic Model)模型的基础上,利用土的持水曲线建立了常含水率下吸力与土体应力之间的耦合作用关系;通过屈服面的大小的改变来反映土体结构性的变化,建立了与累积塑性应变相关的损伤规律。同时,修正了常用边界面理论中映射准则,引入可移动映射中心的概念,将加载、卸载过程的映射准则进行统一,以反映循环荷载下土体产生的滞回特性。通过与相关文献以及本文的循环三轴试验结果的比较,表明本文模型能够较好地模拟非饱和黄土在循环荷载作用下的力学特性。     

非饱和膨胀土变形和强度特性的三轴试验研究

为了研究吸力变化对非饱和膨胀土变形和抗剪强度特性的影响,利用三套新研制的双压力室非饱和土三轴仪,进行一系列吸湿试验、等吸力压缩固结试验和等吸力剪切试验。试验土样取自鄂西北的中膨胀性土,采用静力压实方法制备试样。试验成果表明:该非饱和膨胀土在低围压吸湿过程中的体变性状呈明显的屈服特性,因此验证了Barcelona膨胀土本构模型中SD屈服包线的存在。在等向压缩固结过程中,该非饱和膨胀土的屈服应力随吸力增加而增大,而屈服后的压缩系数随吸力增大而减少,表明吸力对土体具有硬化作用。该非饱和膨胀土的有效内摩擦角不随吸力变化而变化,吸力对抗剪强度的贡献(似凝聚力)随吸力呈非线性增加,吸力对该膨胀土抗剪强度的贡献明显高于压实高岭土和砂性土。     

基于颗粒物质热动力学理论的非饱和土热水力耦合模型研究

基于颗粒物质热动力学理论和混合物理论,结合改进的土水特征曲线(SWCC)模型,考虑温度和饱和度变化引发的颗粒层次能量耗散,提出了一个非饱和土的热水力耦合模型。该模型引入颗粒熵和颗粒温度的概念,通过构建热力学恒等式得出非饱和土非弹性变形的本构关系,并通过迁移系数和能量函数模型将非饱和土体的耗散机制与宏观的物理力学行为建立联系。基于该理论模型,研究了非饱和土的热水力耦合问题,通过模拟结果与试验数据的对比,证实了模型的有效性。模拟结果表明,模型具有描述非饱和土在不同温度和吸力下的固结和剪切特性以及非等温条件下的热体应变特性的能力。     

循环荷载下非饱和结构性黄土的损伤模型

在边界面弹塑性模型基础上,借助胶结体损伤理论与非饱和土力学,提出一个可以描述循环荷载作用下非饱和黄土力学特性的弹塑性本构模型.在损伤模型中,定义胶结体弹性衰减规律,将结构损伤与应变增量的绝对累计值联系起来;并利用土的持水曲线建立常含水量下吸力与土体应力之间的耦合作用关系.通过与循环三轴试验结果的比较,表明该模型能够较好地模拟非饱和黄土在循环荷载作用下的力学特性.     

适用于膨胀性非饱和土的边界面模型的数值实现

基于完全隐式的Euler向后积分算法,对一个适用于膨胀性非饱和土的边界面模型提出一种应力积分方法。模型中的塑性变形具有双重机制即加载–湿陷机制和微观结构机制,并考虑力学行为与持水滞回间的耦合作用。依据当前应力状态、力学与持水模型中各塑性机制的发生情况,将应力积分过程中的当前增量步分为多种情况,针对每一情况利用Euler向后算法进行试算,并依据判定准则选取结果。其次,利用该模型分别对已有的吸力循环试验和三轴压缩试验进行了验证,以此反映模型的预测能力和算法的运行能力。最后,对比不同步长的应变控制试验路径下的计算结果,以此验证应力积分方法的稳定性和精度。     

循环荷载作用下吸力锚基础变形的数值分析方法研究

张紧式吸力锚是一种重要的深水海洋浮式平台锚固基础。静荷载与循环荷载共同作用下地基土体产生较大变形,严重影响吸力锚基础的稳定性。介绍了一种能够描述饱和软黏土不排水循环应力应变响应的拟动力黏弹塑性本构模型。该模型将等效黏弹性理论和蠕变理论相结合,利用等效黏弹性模型描述土单元循环应力应变关系中的非线性和滞回性,依据蠕变关系描述土单元的循环累积性。基于拟动力黏弹塑性本构模型,提出了一种分析静荷载与循环荷载共同作用下软土中张紧式吸力锚基础变形过程的拟动力黏弹塑性有限元方法。该方法并不详细追踪土单元的循环应力应变响应,而是将循环次数视为时间,通过等效黏弹性分析确定吸力锚基础的循环变形;根据土单元静应力和循环累积应变势,采用初应变法确定吸力锚基础的累积变形。结合循环变形和累积变形,确定吸力锚基础变形随时间的变化关系,即位移时程曲线。最后,将有限元计算结果与1g条件下吸力锚模型试验结果进行比较,结果显示两者基本一致。     

干湿循环作用下击实膨胀土胀缩变形模拟

击实膨胀土在干湿循环作用下产生的胀缩体变可以分解为一个随含水率或吸力改变而同步变化的可逆性分量和一个主要产生于干湿循环过程初期的不可逆性分量。可逆性干湿体变来源于组成土骨架的黏土微观结构变形的可逆性,主要由当前吸力或含水率的变化确定。不可逆性干湿体变分量与干湿循环引起的土的宏观结构的不可逆变化有关,其大小依赖于当前状态与平衡状态的宏观结构的差异。分别给出了可逆性和不可逆性干湿体变分量的数学描述,结合低塑性非饱和土的BBM模型,提出了一个适用于击实膨胀土的实用本构模型。该模型的参数数量少且易于确定。通过对试验结果的模拟,表明本模型比经典的膨胀土BExM模型的模拟效果更好,更易于实用。     

非饱和膨胀土的三轴试验研究

用改装可测吸力的三轴仪，研究了宁夏膨胀上的变形性质和强度特性。试验结果表明，含水量（吸力）决定了上样的变形行为，并影响了土样的强度；随着含水量增加，土样的塑性应变量增加，强度减小。文中还研究了随吸力的变化规律及非地和上强度理论中的状态变量的选取方法。     

宽广吸力范围内弱膨胀土的抗剪强度及其预测

在宽广吸力范围内对不同吸力的非饱和弱膨胀土进行了一系列吸力控制的三轴剪切试验。关于吸力的施加,较低吸力采用轴平移技术;高吸力采用蒸汽平衡法。试验结果表明:在净应力相同的条件下,试样的应力应变关系曲线随着吸力的增大而升高、剪缩量变小,并且随着吸力的增大其偏应力–应变关系和体变明显地表现出类似超固结土的特性。主要原因是试样受到较大的吸力,弱膨胀土试样失水收缩、孔隙比减小均明显,使试样剪切过程中表现出类似超固结黏土的特性。在宽广吸力范围内,吸力所引起弱膨胀性土体积收缩明显,不可忽视。根据压汞试验结果确定的微观饱和度引入有效饱和度中,再将试验结果与修正后的Bishop非饱和土强度公式的预测值进行比较,证明了修正后的Bishop非饱和土强度公式在宽广吸力范围内可较为准确地预测非饱和弱膨胀土的抗剪强度。     

非饱和土本构模型中应力变量选择研究

 应力变量是本构模型的基本要素之一,非饱和土本构模型中应力变量的选择目前仍有较大争议,各模型中应力变量的选择非常混乱,严重阻碍了理论研究的进一步发展。Bishop有效应力或其修正的应力形式,以及新提出的吸应力等,虽然可以较好地表示非饱和土强度,但不能模拟非饱和土浸湿后体积膨胀和坍塌现象。双应力变量目前应用较多,有考虑非饱和土中孔隙水对土体力学性质影响的骨架应力和毛细应力,有用得最多的净应力和吸力,或者两个应力变量一个是应力的函数,另一个是吸力(或饱和度)的函数等多种形式,可以较好地反映非饱和土的强度和变形特性,但目前双应力变量选择有很大的随意性,没有确凿的理论依据。重点指出建立本构模型时土体的应力变量不能随意选用,应满足Houlsby功率方程,同时还要注意与应力变量对应的应变变量的选择。旨在澄清目前的混淆概念,为非饱和土本构模型建立提出合理的应力变量。     

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。     

折减吸力在膨胀土静止土压力计算中的应用

非饱和土力学的研究水平目前还未进入实用阶段,主要原因在于吸力量测的困难。折减吸力的提出避免了吸力量测的困难。根据变形等效原则介绍了确定折减吸力的具体方法,为了避免吸力量测的困难,采用折减吸力代替真实吸力提出了一个计算膨胀土静止土压力的方法。进行不同水位和降雨入渗情况下的膨胀土静止土压力系数的计算,计算结果合理地反映了非饱和土土压力和膨胀量的分布趋势,计算结果验证了方法的合理性。     

荆门膨胀土土–水特征曲线特征参数分析与非饱和抗剪强度预测

 为探讨荆门原状、压实、石灰改良膨胀土的非饱和抗剪强度与土–水特征曲线(SWCC)的相关关系,利用Fredlund-Xing模型对3种膨胀土的SWCC试验数据进行非线性拟合,获得相应模型参数;利用Fredlund公式(1996年)对3种膨胀土控制吸力下的固结排水剪三轴压缩试验抗剪强度成果进行相关分析。分析结果表明：(1) 使用Fredlund-Xing模型拟合3种膨胀土SWCC试验数据的效果均较好。(2) 荆门原状、压实、石灰改良膨胀土的进气值分别为210,68和18 kPa;石灰改良膨胀土的持水能力(水稳定性)最强,压实膨胀土次之,原状膨胀土最弱;3种膨胀土的残余吸力可均取为3 000 kPa。(3) 3种膨胀土的有效内摩擦角(j´)和与基质吸力相应的内摩擦角(jb)均非常数;j´与基质吸力相关,jb与基质吸力和应力状态均相关,这意味着Mohr-Coulomb破坏包面是双向弯曲的。(4) 使用Fredlund公式,能够在较大的吸力范围内较好地预测荆门膨胀土的非饱和抗剪强度,原状、压实、石灰改良膨胀土的土性参数κ分别为2.4,2.7及3.4。(5) 预测值与实测值间存在差别的主要原因是Fredlund公式本身未考虑到jb与应力状态相关,若要考虑该因素,可将应力状态对SWCC的影响引入到Fredlund公式中。     

降雨诱发膨胀土边坡渐进破坏研究

膨胀变形是膨胀土边坡失稳破坏的重要因素之一,研究分析降雨诱发膨胀土边坡渐进破坏过程具有重要的实践意义。基于膨胀应变与基质吸力增量的线性关系,将膨胀性引入非饱和流固耦合模型当中,建立一种适用于膨胀土工程的非饱和渗流场–应力场–膨胀应变场多场耦合数值计算方法。结合应变软化模型,分析单次降雨诱发下膨胀土边坡入渗过程以及边坡渐进破坏全过程。结果表明,非饱和膨胀土边坡在单次降雨诱发后,坡体发生以坡脚为起始逐渐向坡顶扩展的破坏,具有明显的时间延后性、多层逐级后退式的特点。膨胀土的膨胀性、强度参数对坡体破坏形式具有显著的影响,膨胀土边坡破坏既保留了一般黏性土的共性也呈现出干缩湿胀的特殊性。     

非饱和膨胀土强度及变形特性试验研究

利用可控吸力的VJ非饱和三轴仪对新疆膨胀土的强度和变形特性随干密度和吸力的变化规律进行了试验研究,结果表明:非饱和膨胀土的胀缩特性不仅取决于其干密度及所承受的围压,而且还与其吸力大小密切相关,且随吸力增大其剪胀特性增强。非饱和膨胀土的吸力和干密度对黏聚力影响也十分明显,随吸力和干密度增大,非饱和膨胀土的黏聚力呈非线性增大,且增幅明显,而对有效内摩擦角则几乎没有影响,Fredlund双变量理论中的吸力内摩擦角?b并不是一个常量,而是吸力区间内的连续减函数。     

非饱和土的修正SFG模型研究

从非饱和土的有效应力出发,对SFG模型进行了修正,将饱和度的影响引入到了模型当中,使得模型在不增加参数的同时可以反映更多的实验现象。首先简单介绍了SFG模型。然后以功的表达式推导得到的非饱和土有效应力为基础给出了非饱和土的体变方程,在饱和阶段该方程可以自动退化为饱和土的体变方程。结合土水特征曲线方程,推导得到了修正模型的加载湿陷屈服面方程,由此得到的屈服面方程不仅是吸力的函数,同时也是饱和度的函数。屈服面可以连续光滑地从饱和状态过渡到非饱和状态,并可以预测干燥时出现塑性变形的现象。此外它还可以反映SFG模型无法反映的现象,即考虑饱和度的影响,对于吸力相同饱和度不同的土样,给出的屈服应力将不同。最后利用已有试验数据对修正模型进行了验证,说明了修正模型与试验结果是相符的。