K0固结结构性软黏土的旋转硬化规律研究

从Wheeler等S-CLAY1本构模型出发,在软黏土结构性和塑性各向异性性状前期研究成果的基础上,综合考虑软黏土的塑性各向异性、结构性及其演化规律,将传统本构模型发展为更适用于K0固结结构性软黏土的本构模型。在考虑土体结构性及其演化的基础上,进一步研究土体塑性各向异性及其演化规律,引入旋转极限曲线的概念,通过增加一个表征软黏土各向异性演化速率的参数b,分析旋转硬化对K0固结结构性软黏土受力变形性状的影响,各向异性的初始值则可由常规试验参数获得。选取典型的浙江温州软黏土和Bothkennar软黏土,对比K0固结三轴压缩和三轴拉伸的计算和试验结果,揭示结构性软黏土屈服面旋转硬化的规律,同时对旋转演化速率参数的取值方法和取值范围进行研究。     

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。     

考虑各向异性影响的循环弹塑性模型

软黏土在动荷载作用下具有显著的非线性、滞回性和变形累积性等动力特性,因此采用弹塑性模型来描述土的动应力应变关系更为合理。基于混合硬化塑性模量场理论,建立了一个总应力形式的、屈服面连续变化的饱和黏土不排水增量弹塑性动本构模型。模型克服了一般嵌套塑性模型因在模量场中存在共轭点而具有奇异性的不足,不需要记忆应力反向面,也不需要判断当前屈服面是否超过应力反向面进而引入零圆心位置的过渡应力反向面,极大地简化了模型和数值计算。由于现有弹塑性动本构模型通常不能考虑各向异性固结对土体变形和破坏的影响,通过在破坏面方程中引入各向异性偏应力张量来反映各向异性的影响。对试样动三轴试验的结果与文献模型计算结果的对比分析表明:模型能够合理地描述土的主要动力特性及应力诱发各向异性对土体变形和破坏的影响。     

天然软黏土主应力轴循环旋转塑性效应的本构模拟

在考虑各向异性边界面模型的基础上，建立了可反映天然软黏土主应力轴循环旋转塑性效应的本构模型。对于主应力轴循环旋转卸载条件，通过引入可移动映射法则，处理这种卸载情况下的塑性变形。通过考虑固有各向异性弹性，描述主应力轴循环旋转下循环波动的塑性累积行为。同时，通过考虑应力比影响并将非共轴流动和共轴流动耦合起来，模拟循环过程中非共轴性变化。对温州天然软黏土在纯主应力轴循环旋转下的不排水行为进行了模拟，结果表明，所建立的边界面模型可有效模拟天然软黏土主应力轴循环旋转下塑性效应。     

软黏土的动力损伤模型及其应用

基于静力各向同性弹塑性损伤和Prevost模型的基本理论,把弹塑性等向硬化、运动硬化和各向同性损伤结合起来,推导了循环荷载作用下饱和软黏土弹塑性动力损伤本构模型。基于应变等效假设的古典各向同性损伤理论用单一损伤变量描述损伤状态,当土体发生损伤后,其泊松比保持不变且与初始无损伤状态一样,体积模量与剪切模量按同一规律变化,这与土体的力学特性不符。因此,建立了一个用双标量变量描述的各向同性弹塑性损伤模型并将其推广到动力分析中,分别考虑土的压缩损伤和剪切损伤,建立了与体积模量和剪切模量相对应的损伤演化方程。最后将该模型引入建筑物的震陷计算以检验模型的可靠性。     

上海结构性软黏土本构模型与试验验证

天然上海软黏土具有很强的结构性,传统的剑桥模型无法合理地对其进行描述,改进后的运动硬化结构模型不仅引入了描述土体结构性的状态变量,可以反映土体塑性应变发展过程中所产生的结构损伤对其力学行为的影响,还对原始运动硬化结构模型中的形状参数、塑性模量公式等进行了改进,能更好地描述上海软黏土的力学行为。基于改进之后的运动硬化结构模型,通过天然上海软黏土等压固结三轴不排水剪切试验对该模型进行参数标定,进而对偏压固结三轴不排水剪切试验与加-卸载等向压缩试验进行预测。结果表明:改进后的运动硬化结构模型可以更好地模拟上海软黏土在三轴试验中的结构损伤、应力路径以及应力应变关系,同时对加-卸载过程中土体的滞回特性也有较好的模拟效果。     

软黏土不排水循环应力应变响应的弹塑性模拟

为描述循环荷载作用下饱和软黏土不排水应力应变特性,以Mises屈服准则构建边界约束面方程,利用硬化模量插值方法及映射中心移动方法,在偏应力空间中构建硬化模量场,建立了一个总应力形式的增量弹塑性边界面模型。该模型依据径向映射法则建立弹塑性模量插值函数,并认为加卸载过程中映射中心随加卸载路径变化而不断移动,通过弹塑性模量的插值及映射中心的移动,使得硬化模量场的演化规律表述简单,跟踪循环应力路径所需记忆的参数较少。另外,模型通过在弹塑性模量插值函数中引入反映剪应变累积速率和大小的参数控制累积剪应变随循环次数的变化规律,不仅可描述循环加载时应力应变曲线的非线性、滞回性、应变累积性等基本特性,还可预测不同初始应力水平、循环应力水平下土单元的应力应变响应。最后阐述了利用循环三轴压缩试验确定模型参数的方法,并对循环三轴拉伸试验结果进行了预测,通过预测结果与试验结果的对比,验证了所建模型的合理性。     

循环荷载作用下饱和软黏土应变软化模型研究

循环荷载作用下,饱和软黏土将发生应变软化现象。而以往的研究中往往忽略土体的各向异性固结对软黏土循环软化特性的影响,并且以往对循环软化的研究大多采用低频循环荷载方式。通过对杭州饱和软黏土进行应力控制的循环三轴试验,研究循环次数、循环应力比、固结比、频率、超固结比对土体应变软化的影响。试验结果表明,循环次数的增加,循环应力比的提高,都将加快土体软化;循环荷载作用下,软黏土存在临界循环应力比,当循环应力比较小或较大时,软化指数与lgN近似为线形关系,而当循环应力比在临界循环应力比左右时,两者表现为明显的曲线关系。随着频率的提高、土体超固结性的增强,土体软化程度降低。当土体为各向异性固结时,在循环应力比较小的情况下,随着固结比的增加,软化指数逐渐减小;当循环应力比较大时,在循环初期,土体的各向异性固结加速了土体的软化,但随着循环次数的增加,各向异性固结土体的软化指数逐渐要大于各向同性固结土体。同时,在试验的基础上推导反映土体软化规律的经验公式,利用该公式并结合修正的Iwan模型对软黏土的动应力–应变关系进行描述。     

K0固结结构性软黏土的本构模型

本文在修正剑桥模型的基础上综合考虑了软黏土的各向异性、结构性及其演变和屈服面硬化规则中塑性剪切应变的影响,将传统模型发展为适用于K0固结结构性软黏土的本构模型。本文模型借鉴Collins等人提出的符合热力学耗散原理的本构模型,同时在描述土体结构性演变的过程中参考了Asaoka等人的次加载/超加载屈服面本构模型,并采用了具有明确物理意义的内变量。与传统的修正剑桥模型相比,增加了3个分别表征软黏土各向异性和结构性的参数(θn,R和R*)以及两个演化参数(m和a),而参数R和R*的初始值则可由结构性土的屈服应力比YSR和灵敏度St获得。本文选取了典型的浙江温州软黏土和Bothkennar软黏土,对比了三轴压缩的计算和试验结果,体现了本模型在结构性软黏土计算上相对于传统本构模型优越性。     

循环荷载作用下流变性软黏土的边界面模型

为了预测交通荷载作用下流变性软黏土的长期运行沉降,提出了一个能够描述循环加载条件下饱和软黏土流变特性的弹黏塑性本构模型。本模型以边界面弹塑性理论为基础,采用滞后变形理论。模型不仅能单独考虑土体的流变效应和循环加卸载效应,还能考虑交通荷载作用下软黏土在循环荷载和流变耦合作用下的变形特性。模型概念清晰,参数少。通过多组上海软黏土循环加载流变试验结果的模拟,初步验证了本模型的合理性和有效性。     

基于扰动状态概念硬化参量的结构性黏土边界面模型

在临界状态理论和边界面模型的框架内,引入结构性扰动对弹性变形、结构性屈服面大小、胶结吸力和屈服面各向异性的影响,建立一个基于扰动状态概念硬化参量的结构性黏土边界面模型。首先,通过定义3个结构扰动度R_c,R_b和R_a来定量反映塑性变形对结构性黏土的结构性屈服面、胶结吸力和屈服面各向异性的扰动程度,并对弹性特性进行各向异性和结构性影响的修正。然后,通过对天然沉积上海黏土和Vallericca硬黏土的三轴不排水剪切试验和一维固结压缩试验的模拟验证模型的预测能力。最后,通过模型与有限差分法相结合,以简单的平面应变试验模拟为例,展示模型能够描述结构扰动度的变化及其在土体中分布的模拟能力。     

循环荷载下非饱和土的各向异性弹塑性双面模型

在BBM模型及弹塑性双面模型的基础上,建立一个在静态及循环荷载作用下考虑非饱和土各向异性的弹塑性双面模型。在模型中引入反映各向异性的硬化参量,通过各向异性参量的初始值来反映初始各向异性,利用旋转硬化法则来描述循环加载过程中各向异性的变化规律。模型含有一个边界面和一个加载面,二者在应力空间中按照等向硬化、运动硬化以及旋转硬化法则来进行演化。同时,采用径向映射法则和移动的记忆中心来反映非饱和土的循环塑性特征。通过与相关试验数据的比较,模型可以较好地反映循环荷载下非饱和土的各向异性以及动态力学特征。     

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。     

天然结构性黏土的各向异性边界面模型

提出了一个可同时描述结构性和各向异性特征的适用于天然黏土的边界面本构模型。该模型具有如下特点:①采用了一个同时含有各向异性张量和结构性参数的边界面;②通过初始固结应力状态来确定各向异性张量的初始值以反映初始各向异性,通过各向异性张量随塑性应变的演化规律来描述荷载作用下的诱发各向异性;③通过结构性参数取一个较大的初始值得到一个扩张的边界面,从而反映结构性土的初始高刚度和强度峰值;④通过引入结构性参数随塑性应变的累积逐渐减小的演化规律来模拟土的结构的损伤以及应力应变曲线的软化过程。通过对几组典型的结构性黏土的试验进行模拟初步验证了模型的合理性和有效性。     

考虑剪切和压缩损伤的多面模型

基于土结构损伤和多面模型的基本理论,将弹塑性混合应变硬化与各向同性剪切损伤和压缩损伤结合起来,推导循环荷载作用下饱和软黏土不排水弹塑性本构模型。采用剪切损伤和压缩损伤两个变量分别描述土的结构损伤,并基于累积塑性偏应变建立损伤演化方程。分析结果表明,分别考虑土的剪切损伤和压缩损伤可描述饱和软黏土在不排水动荷载作用下泊松比的变化过程。通过对饱和软黏土地基的地震响应的模拟来检验模型的有效性。研究结果表明,考虑模量损伤可引起加载和卸载过程中塑性模量的差异,使得卸载塑性模量大于加载塑性模量,从而导致加载塑性应变响应大于卸载塑性应变响应,由此产生塑性偏变形的累积。     

双向激振下饱和软黏土应变软化现象试验研究

循环荷载作用下饱和软黏土将发生刚度软化现象。由于受试验条件的限制,以往对软黏土循环软化现象的研究大都基于单向循环荷载试验。通过GDS双向动三轴系统对双向循环荷载作用下饱和软黏土的刚度软化现象进行了初步的探讨。着重分析了循环偏应力、径向循环应力、初始剪应力等因素对双向循环作用下软黏土刚度变化规律的影响。研究结果表明:循环偏应力的增加、径向循环应力的提高都将加快刚度软化。随着径向循环应力比的增加,临界循环应力比减少。双向激振循环荷载作用下软黏土存在门槛径向循环应力比。当径向循环应力比小于该门槛值时,双向振动不能加速土体软化。随着初始固结剪应力的增加,刚度有所提高。在试验的基础上初步建立了双向循环荷载作用下饱和软黏土的软化模型。将该软化模型引入到修正的Iwan模型中来描述土体的应力–应变关系,证实了模型的准确性。     

长期循环荷载下饱和软黏土安定性模型

鉴于传统显式、隐式模型计算饱和软黏土长期循环荷载下轴向塑性累积应变的不足,在建立饱和软黏土总应力弹塑性模型基础上,考虑软黏土在长期小动应力比循环荷载作用下具有安定性特点,结合过应力模型及安定性理论提出计算饱和软黏土长期循环荷载下轴向塑性累积应变安定性本构模型.安定性模型能合理描述饱和软黏土循环荷载下的变形特性,模型只考...     

K0固结软黏土的弹黏塑性本构模型

在修正剑桥模型基础上综合考虑了软黏土的各向异性及率相关性,建立了适用于K0固结软黏土的弹黏塑性本构模型。模型借鉴过应力理论的基本思想,定义了与动态加载面相对应的参考屈服面,应用径向映射准则将两者联系起来,流动函数通过分析一维情况下土体的体积蠕变速率得到。以黏塑性体积应变为硬化参数,将一维情况扩展到三维应力状态,直接用次固结系数描述土体黏性强弱,所有参数可通过压缩试验及三轴不排水剪切试验得到。分别计算了代表性等向和K0固结黏土的三轴不排水等应变率加载、不排水剪切蠕变及蠕变破坏过程,与试验结果进行对比,验证本文模型的有效可行性。     

饱和黏土静力及循环稳定弹塑性分析

为了评价黏土地基在结构自重及海洋风、浪等荷载作用下的稳定性,在临界状态理论框架中,基于修正的运动硬化弹塑性模型,模拟静力及循环荷载作用下饱和黏土的力学响应。通过修正已有模型的硬化规律,使其能够更好地描述黏土静力和循环受力特性;建立类似于修正剑桥模型的边界面方程,以适应等向硬化及修正的运动硬化规律;采用径向映射法则及移动的映射中心模拟应力–应变曲线的滞回性;构建适当的塑性模量插值函数,描述饱和黏土在低应力水平下的循环稳定特性。通过对相关文献中及天津黏土循环三轴试验结果的模拟,验证模型的合理性和有效性,结果表明,修正的模型具有模拟黏土静力及循环稳定等特性的能力。     

长期循环荷载作用下温州结构性软黏土的应变特性研究

针对软黏土存在的结构性特征,在不同围压下对天然温州软黏土进行了不排水静剪和大数目（50000次）循环加载试验,研究了结构性对土体强度的影响,并进一步分析了结构性软黏土在长期循环荷载作用下的应变特性。研究表明：围压较低时,土体的结构性在固结过程中没有或很少被破坏,软黏土表现为较高的归一化强度;随着围压的增大,归一化强度逐渐降低;当围压高于土体屈服压力时,土体结构性在固结过程中被完全破坏,此时土体的归一化强度达到稳定值,与重塑土强度相同。这种特性使得软黏土在循环加载试验中,即使在相同动应力比（mtml_13-0310_bak/img_0.png26.013.95= 0.45）下,不同围压下的应变行为也表现出明显的不同。这种区别表现在应力-应变滞回曲线、回弹特性和累积塑性应变等方面。