基于改进CM模型的土石坝三维弹塑性地震反应分析

基于交变移动性（CM）模型,引入饱和度作为状态变量,给出了改进的土体塑性势面方程、屈服方程和协调方程,推导了新的硬化参量计算公式,发展了可连续描述非饱和与饱和土体静动力学特性的弹塑性本构模型。通过转换应力法,将模型从试验应力状态拓展到一般应力状态,使得本构模型可用于复杂三维河谷场地上修建的土石坝的弹塑性地震反应分析。数值模拟了汶川地震中典型震损土石坝的震害过程,模拟结果与实际震害吻合较好。对比研究了输入地震动强度对土石坝弹塑性地震反应分析结果的影响,结果表明土体的弹塑性特性对坝-基动力相互作用有着较大影响。     

土的基本特性及本构关系与强度理论

土的基本特性及本构关系与强度理论是土力学及岩土工程学科的重要理论基础之一。本 文针对饱和黏土、砂土及堆石料等粗粒土,总结了这三类土在基本力学特性及本构强度理论方 面的研究现状和发展趋势。饱和黏土部分主要包括压缩特性、剪切特性—临界状态及剪胀/剪缩 、结构性及其破坏、中主应力影响、各向异性及主应力偏转效应、不排水抗剪强度、流变特性 、微观力学解析模型等;砂土部分包括临界状态概念与剪胀性、砂土各向异性、应变局部化等 ;堆石料等粗粒土部分则以颗粒破碎对堆石料等粗粒土的力学性质的影响为主线,重点介绍了 颗粒破碎的度量方法、颗粒破碎对剪胀性、临界状态线的影响以及相应的本构模型、宏观-微观 的力学分析方法。     

基于两相介质理论之土层弹塑性大变形地震反应分析

基于土–水两相混合体完全耦合场方程及土体静–动统一本构,构建了新型普适性土层弹塑性大变形地震反应分析方法。考虑强震中土体大变形动力特性描述的困难,基于客观性张量推导,给出了严格的土–水两相混合体平衡方程式和连续方程式,分别进行空间和时间离散,编制了显式有限元–有限差分程序。通过超固结、结构性和应力诱导各向异性状态变量的引入,建立了物理意义明确的土体静–动统一本构,能够合理的表征土体的各类力学特性。数值计算中采用转换应力法,实现了试验应力状态向一般应力状态的拓展,满足复杂三维地层的动力计算需求。通过局部透射人工边界的设置,形成了辐射边界条件,构建了完备的土层反应程序。将分析结果与等效线性化方法和单相介质时域非线性分析结果进行对比,指出饱水砂土层的存在对地震波传播和地表地震动反应特性的影响。     

SIMULATION OF SHEAR AND ONE-DIMENSIONAL COMPRESSION BEHAVIOR OF NATURALLY DEPOSITED CLAYS BY SUPER/SUBLOADING YIELD SURFACE CAM-CLAY MODEL

Naturally deposited clays exhibit complicated mechanical behavior that differs from that of remolded clays. For example, clay in a normally consolidated state commonly exhibits softening in undrained shear tests or “rewinding” in a heavily overconsolidated state. The Super/subloading Yield Surface Cam-clay model (Asaoka et al., 1998, 2000, 2002) was proposed in an attempt to clarify the complicated mechanical behavior in naturally deposited clays. In this constitutive model, the concepts of “structure,” overconsolidation, anisotropy, and their evolution laws, are introduced into the modified Cam-clay model. In the present study, undrained triaxial compression tests and oedometer tests were carried out on two types of naturally deposited undisturbed clay, Pleistocene clay and Holocene clay, and the behavior was then simulated using the Super/subloading Yield Surface Cam-clay model. The findings of the present study are as follows:

• 1)For the two types of undisturbed clay, the Super/subloading Yield Surface Cam-clay model can simulate undrained triaxial compression behavior ranging from the normally consolidated state to the overconsolidated state, corresponding to various isotropic pressures using a single set of material constants.
• 2)In addition, the model can simulate one-dimensional compression behavior using the same material constants as those used for the simulation of the undrained triaxial compression behavior.
• 3)Through the simulation, the mechanical behavior of Pleistocene clay and Holocene clay, which have different loading histories and have undergone different aging effects, can be described by the different evolution parameters, as well as the elasto-plastic parameters.

     

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。     

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。     

压电陶瓷传感器在岩土工程中的应用

压电陶瓷传感器在岩土工程中有很多应用,尤其是通过测量波速来确定土的性质方面。由于材料的物理性质与波速密切相关,压电陶瓷传感器提供了一种简便可靠的无损检测方法。本文报道了压电陶瓷传感器应用于粘土、砂和砾石等不同种类土的研究成果,对应力导致土体各向异性的研究,对路基和地基土的力学特性检测,在离心模型试验中的应用,以及在微重力环境下的粒状材料中波的传播特性的研究等。研究表明,压电陶瓷传感器在岩土力学研究和工程实践中有广阔的应用前景。     

土的渗透破坏及其工程问题

人们对土的渗透破坏 (或渗透变形 )的认识不是很清楚和统一 ;土的渗透破坏与渗透引起土的破坏是不同的概念。土体的破坏常常是由土中水及其渗流引起的 ;岩土工程中的许多工程事故也主要是由于人们在这方面基本概念的模糊或疏忽。本文对以上问题进行了讨论 ,并且针对几种工程情况进行了分析。     

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。     

坑中坑对软土基坑变形影响的有限元分析

以福州某设有坑中坑的软土深基坑工程为研究对象,采用土工有限元分析技术,考虑桩土相互作用,建立基坑开挖模型,土体采用HS模型模拟,分析围护桩水平位移变化特性,研究坑中坑开挖对外坑基坑变形的影响。通过与实际监测资料的对比分析,表明了坑中坑的存在对外坑围护结构的变形有很大影响,数值模拟计算方法在坑中坑工程中有良好适用性,对于类似工程具有指导意义。     

典型红粘土与膨胀土的对比试验研究

通过室内试验对广西贵港红粘土、湖北荆门弱膨胀土与中膨胀土的物理力学性质指标、原状样脱湿过程中的强度变化、击实样泡水前后强度变化以及脱湿吸湿性能等方面进行了对比试验研究。结果表明：3种土原状样脱湿过程中的强度指标在土体裂隙性与基质吸力双重因素的作用下表现出完全不同的变化规律；由于红粘土与膨胀土膨胀性能上的差异，不同含水量的击实样泡水后的干密度峰值与加州承载比(CBR)峰值所对应的原击实样含水量比最优含水量有不同程度的增大；土体因矿物成分的差异而表现出明显不同的脱湿、吸湿速率。广西贵港红粘土与荆门膨胀土虽然在一些物理力学指标上具有相似之处，但其力学特性与水敏性特征具有明显的差异，在实际工程中应给予充分重视。     

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。     

Numerical evaluation of group-pile foundation subjected to cyclic horizontal load

In this paper, three-dimensional (3D) finite element analyses of a real-scale group-pile foundation subjected to horizontal cyclic loading are conducted using a program named DBLEAVES. In the simulations, nonlinear behaviors of ground and piles are described by subloading t_ij model and the axial-force dependent model (AFD model) which considered the axial-force dependency in the nonlinear moment-curvature relations. In order to consider the influence of an effective stress path on the prediction of the group-pile foundation, the analyses are conducted within the framework of the soil-water coupling method with finite-difference and finite-element regime. The material parameters of soils are determined based on conventional triaxial drained compression tests on undisturbed and remolded specimens. The applicability of the proposed numerical method is encouraging, and therefore, it is quite confident to say that the method can be used to predict the mechanical behaviors of group-pile foundation to a satisfactory accuracy, particularly with the effective stress analysis.     

A simple unified stress-strain model for geotextile-wrapped soils

The stress-strain behaviour of geotextile-wrapped soils is a matter of great concern in geotechnical engineering practices. In this study, a unified stress-strain model for geotextile-wrapped soils is proposed and is applied to understand the strength and deformation characteristics of soilbags (woven bag-wrapped soils) in 2D biaxial loading. It is demonstrated that the strength of wrapped soils is greatly improved due to the wrapping effect, and the shearing contraction of the wrapped soils is more pronounced than that of the pure soils. The validity of the results is verified through numerical simulation using the discrete element method (DEM). The effect of the geometric size and material properties of the woven bag on the strength and deformation characteristics of the soilbags is also analyzed using the proposed model. The proposed model differs from existing phenomenological models in that it is able to predict the mechanical response of soilbags when the constitutive behaviours of the wrapped soils and the woven bag are given.     

现代土力学研究的新视野——宏微观土力学

随着岩土工程领域的不断拓展,特别是在深地、深海、深空工程（“三深工程”）方面需要面对更多复杂的岩土材料和环境条件。基于连续介质和唯象的常规土力学理论与方法在描述岩土材料的非连续性、大变形和破坏等复杂特性以及复杂环境影响上有许多缺陷。宏微观土力学力图从本质上探求岩土材料复杂宏观特性的微细观机理,建立其多尺度分析理论与方法,解决岩土力学与工程中的疑难与关键问题,从而帮助提高工程设计水平。本文回顾了宏微观土力学近40 a的发展历程,从宏微观土力学的研究方法、理论和应用等方面综述了国内外学者的主要研究成果,包括典型土体的微观特性、微观本构理论、宏微观关联、基于微观机制的宏观本构理论等。研究土体包括陆地上黏土、结构性砂土、黄土、深海能源土和太空土（月壤）。重点阐述了宏微观土力学的重要研究手段之一的离散单元法在模拟陆、海、空疑难岩土力学与工程中的应用与拓展,探讨了宏微观土力学研究所面临的各种挑战和重大机遇。通过系统介绍上述研究成果,勾勒了宏微观土力学的基本框架,以期推动该研究方向的加速发展。     

黏土垫层水力–力学–化学耦合模型研究

在城市固废堆场建造运维、污染场地土壤、地下水围封阻隔等环境岩土、污染防治领域中,均会涉及到土体力学行为、孔隙水流动以及污染物运移之间的耦合作用问题。将土体的固结变形分为由力学荷载引起的力学固结变形及由化学荷载引起的化学–渗透固结变形,引入广义达西定律,并考虑土体物理特性和输运性质的动态变化,通过理论推导建立了适用于堆场黏土防渗垫层的水力–力学–化学耦合模型,模型最大的特点是实现了土体固结变形、孔隙流体流动与污染物运移过程之间的全耦合,各模型参数均能够体现耦合效应的影响。采用多场耦合有限元分析软件COMSOL Multiphysics对所建模型进行数值验证和求解,模拟结果表明:所建模型可从机理上描述水力–力学–化学全耦合过程,模拟结果与Peters和Smith模拟结果吻合较好,能够正确揭示超孔隙水压力、污染物浓度时空分布及土体固结变形的演化规律。     

土的现代本构理论的发展回顾与展望

土的本构模型是现代土力学的核心和关键。自从剑桥弹塑性模型创立以来,土的本构模型历经了50多年的研究,建立的模型数以百计,但真正能为工程所应用的则很少,如何更好地发展岩土本构模型?为此,回顾和分析了各种建立岩土本构模型的理论,认为要较好解决岩土本构模型的问题,首先要有适合岩土材料的本构理论,传统应用的一些理论用于岩土材料是有其局限性的。广义位势理论是一种普遍和方便的建模理论。本构模型的验证除在主空间上进行试验验证外,更合理的应该是进行边值问题的验证。同时,要使模型能用于工程设计,则应发展参数易于确定的模型,还需要解决模型参数的合理确定问题,对于天然岩土材料,由于取样扰动等的影响,室内参数与原位土差异较大,发展基于原位试验的模型参数确定方法,可能是解决的途径。     

Numerical evaluation of group-pile foundation subjected to cyclic horizontal load

In this paper, three-dimensional (3D) finite element analyses of a real-scale group-pile foundation subjected to horizontal cyclic loading are conducted using a program named DBLEAVES. In the simulations, nonlinear behaviors of ground and piles are described by subloading t _ij model and the axial-force dependent model (AFD model) which considered the axial-force dependency in the nonlinear moment-curvature relations. In order to consider the inuence of an effective stress path on the prediction of the group-pile foundation, the analyses are conducted within the framework of the soil-water coupling method with finite-difference and finite-element regime. The material parameters of soils are determined based on conventional triaxial drained compression tests on undisturbed and remolded specimens. The applicability of the proposed numerical method is encouraging, and therefore, it is quite confident to say that the method can be used to predict the mechanical behaviors of group-pile foundation to a satisfactory accuracy, particularly with the effective stress analysis.