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。     

热-水力-力学-传质耦合过程模型及工程土障数值模拟

提出了一个非饱和多孔介质中的热 -水力 -力学 -传质耦合过程模型。利用文献 [1]中提出的热 -水力 -力学本构模型 ,对工程土障系统进行数值模拟。数值模拟结果显示了环境条件对废物场中的热量产生和传输过程对工程土障中水力 -力学行为的影响以及可能在工程土障中产生塑性应变 ,导致土障破坏。污染物浓度分布的数值结果显示了温度与降水过程对污染物随地下水向土障周边自然环境渗透的倾向。数学模型及所发展的有限元求解过程可以为评估土障系统长期工作的有效性和土障系统的合理设计提供有力的工具     

粘土岩饱和-非饱和渗流应力耦合模型及数值模拟研究

岩体中饱和-非饱和渗流、应力耦合行为对工程岩体的强度和稳定性有十分重要的影响。基于粘土岩实验室非饱和渗流试验的结果，将考虑塑性应变硬化的非饱和渗流、应力耦合模型、Hoek—Brown非饱和渗流、应力耦合模型应用于模拟某粘土岩竖井，研究其在开挖、通风、衬砌支护及长期运营期围岩内渗流从初始饱和→非饱和→近饱和的过程，以及竖井的非饱和流动区域大小对水力学参数（Biot固结系数、饱和度与毛细孔隙压力、水相的相对渗透系数与饱和度）的敏感性。结果表明：水力学参数对非饱和渗流的影响区域非常显著，尤其是水相的相对渗透系数与饱和度的关系。力学模型的差异对非饱和区的影响几乎可以忽略不计。     

不排水条件下非饱和土水力–力学耦合特性数值模拟

非饱和土即便在不排水、不排气条件下也将发生体变,这为预测非饱和土不排水、不排气力学特性带来了困难。基于三相孔隙介质理论,结合非饱和土的弹塑性本构模型推导了不排水、不排气条件下非饱和土三轴剪切三相耦合控制方程,对非饱和土的不排水、不排气三轴剪切特性进行预测。数值模拟结果表明,此方法能够描述非饱和土在不排水、不排气条件下的水力–力学特性,如体缩特性、孔隙水压力和孔隙气压力增长以及饱和度增大等特性。数值计算结果与室内试验结果一致,证实了所提数值分析方法的合理性。     

非饱和膨胀土本构模型的试验研究及分析

基于南阳膨胀土4种应力路径的非饱和三轴试验结果,本文对Gens和Alonso所提的非饱和膨胀土弹塑性本构模型进行了分析和改进,增加了描述水量变化的内容。改进后的G－A模型含参数14个,都具有明确的物理意义,并可由试验确定;改进模型能反映重塑膨胀土的主要变形特性,对三轴排水剪切试验的理论预测与试验结果比较接近。     

水力–力学耦合的超固结非饱和土本构模型的隐式积分算法及其应用

超固结非饱和土经常出现于工程实践中,表现出复杂的力学性质。从已有的非饱和土水力–力学耦合的本构模型出发,将超固结的影响加入到了模型中,使模型可以考虑超固结对非饱和土力学性质的影响。超固结非饱和土本构方程的求解是一个复杂的非线性问题,给出了该超固结非饱和土水力–力学耦合模型的隐式积分算法和本构模型的一致切线模量,并对该算法进行验证,证明了该算法的正确性,最后采用该算法对某非饱和土质边坡在地下水位上升的情况下进行有限元分析。     

非饱和膨胀土本构模型的试验研究及分析

基于南阳膨胀土4种应力路径的非饱和三轴试验结果,本文对Gens和Alonso所提的非饱和膨胀土弹塑性本构模型进行了分析和改进,增加了描述水量变化的内容.改进后的G-A模型含参数14个,都具有明确的物理意义,并可由试验确定;改进模型能反映重塑膨胀土的主要变形特性,对三轴排水剪切试验的理论预测与试验结果比较接近.     

非饱和土热–水–力全耦合本构模型及其验证

在地热资源开发与利用、核废料地质处理、垃圾填埋场等诸多岩土工程领域都需要考虑温度对非饱和土性质的影响。为了更为全面描述非饱和土在热–水–力耦合条件下的变形及持水特性,以平均土骨架应力、修正吸力和温度为应力变量,以比体积和饱和度为应变变量,建立了一个非饱和土热–水–力全耦合本构模型。模型通过屈服面方程及屈服面之间的耦合规律来反映热–水–力之间的相互影响,主要包含温度和饱和度对力学特性的影响,吸力和超固结比(应力历史)对热变形的影响,密度、温度和滞回效应对持水特性的影响,温度、应力和滞回效应对干化及湿化变形的影响。利用建立的模型,对不同应力路径下的试验进行预测。通过预测与试验结果的对比,验证了模型的适用性。     

非饱和原状膨胀土的弹塑性损伤本构模型研究

以复合体损伤理论为基础,建立了非饱和原状膨胀土的弹塑性损伤本构模型。模型可反映原状膨胀土的三个主要特征(胀缩性、裂隙性和超固结性)造成的独特的力学特性,即,低围压情况下的软化和剪胀,围压较高时的硬化和剪缩以及干湿变化时的反复胀缩特性。模型共包含23个参数,都可由试验测定。     

非饱和土本构关系及变形计算

总结了非饱和土本构模型当前研究的新进展,包括弹性模型、巴塞罗那模型的各种改进,其它形式包含吸力的应力变量模型、膨胀土弹塑性模型、损伤力学模型、热力学模型、浸水变形计算模型等。同时总结了这些模型用于有限元计算时所要解决的问题,包括吸力的确定、矩阵的形成等。     

适用于吸力循环作用的膨胀性非饱和土本构模型

首先从颗粒尺度基于热力学理论对干湿循环路径下膨胀土的变形行为产生的机理进行了论述。通过分析可知,吸力循环作用下膨胀性非饱和土的塑性变形不仅取决于土中集聚体之间的重新排列,而且与集聚体内储存的塑性势能的变化相关。其次基于BBM模型建立了一个适用于吸力循环作用的膨胀性非饱和土的弹塑性本构模型。模型中通过吸力变化屈服面和混合硬化准则描述上述两种不同作用机理所产生的塑性变形。最后利用该模型对膨胀性非饱和土在吸力循环作用下的行为进行了预测。通过预测结果与试验数据的比对可知：该模型能够较好地描述膨胀性非饱和土在吸力循环作用下产生的累积塑性变形,及其随着循环次数的增加趋向于稳态的特性。     

非饱和膨胀土的弹塑性本构模型研究

Alonso(1999)提出的膨胀土模型存在着微观结构参数难以确定的缺点。本文在阐述膨胀土干湿循环试验后,对膨胀土的结构特征进行了分析,并研究了膨胀土的微观变形机理。认为膨胀土宏观上的胀缩塑性变形是由两部分塑性变形组成,一部分是微观结构层次中集聚体胀缩变形耦合后形成的微-宏观结构耦合变形,另一部分是宏观结构塑性变形。由此,本文改进了膨胀土模型,利用宏观结构层次的参数和微-宏观结构变形耦合参数t计算前部分变形,而后部分变形仍按低塑性非饱和土的弹塑性变形计算。最后通过计算实例表明:模型的结论与试验相近。     

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。     

考虑气相压力变化和偏应力影响的非饱和土本构模型

基于连续介质土力学的本构模型框架,提出了一个三轴应力状态下的非饱和土本构模型。与非饱和土中的双应力变量不同,根据非饱和土功的表达式,选择广义有效应力、修正吸力和气体压力作为模型的应力状态变量。模型中考虑了气相压力变化对土体变形的影响,给出了固–液–气三相耦合的本构方程。固相采用了非相关联流动法则,并在固相硬化方程中考虑了液相和气相的影响。液相方程利用土水特征曲线描述,并考虑了塑性体应变的影响。气相方程的建立利用了Boyle定律和Henry定律,给出了受固相和液相变形影响的气相方程。最后建立了非饱和土弹塑性增量方程。利用已有的试验数据对模型进行了验证,并将考虑气相影响与未考虑气相影响的预测结果进行了对比。     

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。     

非饱和土与特殊土力学的基本理论研究

对非饱和土与特殊土开展了持久深入的研究,取得了系统的创造性成果：在国内率先研制成非饱和土固结仪、直剪仪、渗气仪、标准三轴仪、温控三轴仪、多功能三轴仪和土工CT-三轴仪等一系列仪器设备,揭示了非饱和土与特殊土的水气运动规律及变形、强度、屈服、水量变化、湿陷、湿胀、细观结构演化、温度效应等许多重要力学特性规律;构建了岩土力学的公理化理论体系与多种组合形式的非饱和土的应力状态变量;提出了各向异性多孔介质的有效应力理论公式与非饱和土的有效应力理论公式;建立了非饱和土、湿陷性黄土和膨胀土的本构模型谱系（包括非线性、弹塑性、结构性损伤与热力耦合模型）与分别考虑密度、净平均应力和偏应力影响的广义土-水特征曲线模型谱系;创立了非饱和土三维固结理论及其固结模型谱系;自主研发了分析固结问题的系列软件,求得一维固结问题的解析解和二维固结问题的数值解,形成了完整的理论体系。应用研究成果解决了多项工程的疑难问题,表明所建理论能够指导实践,为工程决策提供理论支持和科学依据。     

制样方法对非饱和土力学特性的影响

以一种非膨胀性黏土为试验材料,对孔隙比相近的非饱和压实试样和预固结试样进行一系列等吸力控制下的等向压缩试验和三轴剪切试验,研究了制样方法对非饱和土的压缩特性和剪切特性的影响。由等吸力等向压缩试验结果表明:初始孔隙比相近的预固结样和压实样在等向净应力20 k Pa条件下进行等吸力平衡,平衡过程中预固结试样的孔隙比明显减小而压实样的变化不大;其原因是两种试样的初始吸力和土结构存在差异。此外,预固结样和压实样在吸力150 k Pa条件下,预固结样的含水率随着等向净应力的增大而减小,而压实样的含水率几乎不变。上述变形特性可用SFG弹塑性模型说明。在净围压和吸力相同条件下对剪切前孔隙比相同的两种试样进行了三轴剪切试验,试验结果表明:在剪切前的密度、剪切时的吸力和净围压相同条件下,预固结样的偏应力–应变曲线和强度明显高于压实试样的曲线和强度。其原因可用两种试样的孔隙尺寸分布不同来解释。     

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。