考虑黏聚力的上下加载面修正剑桥模型及数值实现

 首先完善上下加载面模型中超固结状态参数R与结构性状态参数R*的定义,给出上下加载面修正剑桥模型更具普适性的推导过程;然后介绍考虑黏聚力的上下加载面修正剑桥模型的半隐式本构积分算法及数值实现过程,并基于ABAQUS软件所提供的用户材料子程序UMAT接口编制上下加载面修正剑桥模型本构子程序;利用该模型模拟不同工况以及不同加载方式下超固结和原状土体的力学特性,以验证该本构模型对原状超固结土体的模拟能力以及所编写子程序的正确性和可靠性;最后进行Boom Clay三轴固结不排水剪切试验的模拟,完成将上下加载面修正剑桥模型应用于工程实际的关键一步。     

结构性超固结土的统一硬化模型

统一硬化超固结土模型是在下加载面和剑桥模型理论框架下,提出的能够描述超固结土的剪缩、剪胀、硬化和软化特性的简单、实用的模型。它通过将与土的结构性有关的参数引入到超固结土模型中,来建立结构性超固结土模型。与剑桥模型相比,它只增加了2个材料参数,即伏斯列夫面的斜率Mh和结构性参数α。采用新模型对结构性超固结土的应力-应变关系进行预测的结果表明:所建立的结构性超固结土模型基本能够描述结构性超固结土的特性。     

剑桥模型与统一硬化模型对超固结土特性描述的对比分析

在深入研究修正剑桥模型和统一硬化模型（UH模型）基本特性的基础上,揭示模型描述超固结土特性的机理。对于超固结土,修正剑桥模型的预测曲线存在突变,不能很好地模拟土体连续、渐近的变形过程;对于重超固结土,模型预测的排水路径条件下的峰值强度很高,与实测结果偏差较大。修正剑桥模型不能模拟真三轴试验的应力-应变关系。UH模型的参...     

考虑两种不同性质超固结的土体本构模型

结构对土体的变形特性有强烈影响,土体本构模型应该反映土体的结构性。通过调研分析将土体变形表现出的超固结划分为结构超固结与应力超固结这2种不同性质的超固结,从而使结构超固结与应力超固结统一起来。土体结构超固结采用结构超固结参数来表示。模型对修正剑桥模型进行扩展,模型的屈服面形状与修正剑桥模型一致,而屈服面的大小由结构超固结和应力超固结ps之和决定,而屈服面的变化由体积硬化与结构损伤共同来描述,模型采用相关联流动法则;从而提出了一个可考虑结构性的粘土本构模型。模型概念明确,参数简单并有物理意义。初步验证表明,模型可以较好的反映结构性土体的变形特性。     

三维应力空间下改进状态变量的上下负荷面模型及其数值实现

为准确描述结构性土、超固结土的复杂弹塑性力学行为,对上下负荷面模型中的超固结状态变量R与结构性状态变量R*的演化规律进行改进,运用Sheng建议的破坏准则把模型的应用范围拓宽到三维应力空间,建立了三维应力空间下改进状态变量的上下负荷面模型。详细介绍了该模型隐式应力更新算法的数值实现过程,编制了对应的接口子程序,实现了对有限元软件的二次开发,并通过一系列数值模拟验证了模型的合理性、程序的精度与稳定性。最后应用本文模型模拟Boom黏土和Fujinomori黏土并与试验数据对比,结果表明,模型能够准确描述结构性土、超固结土的力学特征。     

考虑围压依存性的软岩结构性下加载面模型

软岩具有典型的弹塑性变形特点,同时由于其内部的胶结作用具有较强的结构性,因此将软岩视作结构性超固结黏土。软岩残余强度随围压变化是软岩峰后力学特性的一个显著特性,在实际工程中具有显著的意义。通过对孔隙比之差的概念进行扩展,使之能够同时考虑软岩的结构性和超固结性,并且给出合理的发展式。通过引入结构性下加载面的概念,在剑桥模型的基础上建立起软岩的结构性下加载面模型。该模型能够反映围压对软岩结构性破坏速率的影响,最终导致不同围压下软岩达到残余强度变形阶段时所保留的残余结构性存在差异,使得软岩的残余强度随围压变化。将理论计算结果与软岩的三轴压缩排水试验结果进行对比分析,结果表明该模型能够较好的描述软岩的应变硬化和软化特性及体积变形剪胀特性,同时能较好的描述软岩的残余强度随围压变化这一力学特性,并给出合理解释。     

考虑黏聚特性和拉压不等效应的修正剑桥模型及数值实现

 针对修正剑桥模型不能反映岩土介质黏聚特性和拉压不等效应的局限性,通过子午面上考虑黏聚力、偏平面上考虑应力罗德角的影响,建立可考虑黏聚力与拉压不等效应的非相关联修正剑桥模型;较系统地介绍所修正模型的Euler向后隐式本构积分算法及程序实现过程。应用ABAQUS软件所提供的用户材料子程序UMAT接口,编制改进修正剑桥模型本构子程序,并运用所编程序研究比利时Boom clay的三轴压缩力学行为。研究结果表明,所编子程序具有较高的计算精度和良好的稳定性,所改进模型能较好地反映Boom clay的非线性与塑性流动特性。     

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。     

结构性黄土的修正剑桥模型

天然岩土材料强度变形特性与其结构性密切相关。在综合结构势理论的框架内,将结构性参数合理地引入到修正剑桥模型中,来预测结构性土的力学特性。首先,分析天然岩土材料的压缩特性和结构性之间的关系,即建立结构性参数与准先期固结压力、压缩指数和回弹指数的关系;其次,分析结构性土的强度特性,提出随结构性参数变化的临界状态线;最后,将结构性参数引入修正剑桥模型,建立符合天然岩土材料强度和变形特性的结构性模型。经过初步验证,该模型可以较为准确地反映结构性土的强度变形规律。     

基于下加载面概念的饱和黏土温度–应力耦合弹塑性模型

温度对黏土力学特性具有重要影响,温度变化将引起黏土的体积变形发生变化,并对其前期固结应力、剪切强度、弹性模量等具有重要影响。基于黏土"热陷"特性,引入热屈服面以描述不同超固结比的黏土在温度升高时所产生的塑性变形,并进一步开展以下工作:(1)建立考虑温度影响的下加载面模型,由于保留了下加载面模型对超固结黏土应力–应变特性优异的描述能力,并考虑了温度对黏土的2种作用(即温度使超固结黏土的超固结比降低和温度塑性应变对屈服面的硬化效应),该模型可以描述温度变化对不同黏土力学特性的复杂影响;(2)证明了所提出的模型严格满足热力学第一、第二定律;(3)采用该模型模拟Pontida clay和MC clay在不同压力下的排水加热试验和在不同温度下的三轴排水/不排水试验,模拟结果与试验结果对比分析表明,模型能合理地描述不同超固结比的黏土在温度变化时产生的体积变形以及温度对黏土强度的影响等。     

Boom Clay蠕变特性研究

Boom Clay为比利时第三纪细密黏土沉积物,其力学性质十分复杂,尤其是其显著的蠕变特性更需进行广泛的试验和深入的理论研究。通过室内固结和三轴蠕变试验,研究不同应力水平下的蠕变特性;建立以不可恢复应变为变量的不显含时间的分离型屈服面蠕变本构模型,避免了传统显含时间项的蠕变模型在土体经历加、卸载过程等复杂工况的实际计算中,具体蠕变时间确定的难题。将所建新型蠕变模型在ABAQUS软件中实现二次开发,并通过不同蠕变参数下的基本性能检验和蠕变试验的模拟,验证了所建模型的正确性和所编程序的可靠性。     

两种本构模型修正土体一维固结理论比较

通过编程计算分析比较了e—lgp和双曲线两种模型修正土体一维固结理论的优劣,并结合具体算例进行了分析,结果表明,用e—lgp模型修正正常固结土比较简单,使用超固结土时麻烦,并指出双曲线模型更能反映土体本构关系对固结性状的影响且对超固结土也同样适用。     

往复移动荷载下超固结软黏土重力模型试验研究

研发了能够进行往复移动荷载下超固结软土地基的室内重力模型试验装置,并基于该试验平台开展了上海浅层超固结饱和软黏土的重力模型试验研究。通过一系列试验,揭示了超固结饱和软黏土地基在往复移动荷载下的累计孔压及累计变形随往复次数及动载幅值的时空演化规律。试验表明,深层土体处的超孔压动力响应明显较浅层的动力响应低,但其动力响应更为迅速。同时,土体在交通荷载行进方向上的动力响应比其他方向上更为强烈,其孔压衰减也最不明显。此外,动载幅值越大,初期的塑性变形和后期的位移增量也明显变大,并且不同水平位置处的差异沉降也越大。     

温度–循环荷载作用下饱和土的力学特性研究

对高放核废料处置、地热资源开发利用等工程,土体在交变荷载作用下的大变形问题,必须考虑温度的影响。在上下负荷面的框架内,引入等价应力的概念,建立了能描述交变荷载作用下饱和土受温度影响的力学特性的本构模型。结合已有文献中的试验数据,对所建立的模型进行了验证。结果表明,模型计算结果较好地吻合了实验结果;通过控制模型参量,模型能够同时描述不同温度下饱和土的交变移动特性,揭示了温度升高对饱和土体抗变形能力增强的内在机理。建立的模型对研究饱和砂土在温度和循环载荷下共同作用下的力学性能具有参考意义。     

单向循环荷载下超固结软黏土的永久变形特性

为研究超固结饱和软黏土在单向循环荷载作用下的永久变形特性,采用GDS动三轴,对不同超固结度的温州饱和软黏土试样进行了一系列单向循环加载试验,分析了循环动应力水平以及超固结比对饱和软黏土永久轴向应变的影响。试验结果表明:在单向循环加载作用下,超固结饱和黏土存在循环动应力阈值,通过几何作图法综合确定温州饱和软黏土的循环动应力阈值为0.59~0.68,可作为软土路基沉降控制的标准。基于试验结果并结合指数模型,构建了可以综合考虑循环动应力水平、超固结比以及循环次数的饱和软黏土永久轴向应变显式计算模型,适合饱和软黏土地基在交通循环荷载下的累积变形分析。     

Experimental investigation and constitutive modeling of the shear creep behavior of an overconsolidated soft clay

This paper presents the results of shear creep experimental investigations carried out on Huzhou overconsolidated soft clay and subsequently proposes a constitutive model that is able to reproduce the shear creep characteristics under complex stress conditions. First, shear creep characteristics are obtained based on the analysis of results from drained triaxial shear creep tests conducted on clay samples. Then, the Yin-Graham equivalent time is extended into shear stress states; thus, the concept of shear equivalent time is formulated. Using the shear creep characteristics observed from experiments and the shear equivalent time concept, a shear stress-strain-strain rate creep model reflecting a complex loading history and loading path is proposed. Finally, the model is solved numerically with the fourth-order Runge-Kutta method, and the predictions are compared with the measured values. The results show that (1) the shear creep coefficient of Huzhou overconsolidated soft clay varies with the overconsolidation ratio levels, and there is a good correspondence between them, which is similar to the relationship of the volumetric creep coefficient and overconsolidation ratio; (2) the predicted curves of the new model are in good agreement with measured curves, which demonstrates that the model can well simulate the shear creep characteristics of soft clay under complex stress conditions.

     

K0超固结土的统一硬化模型

将所建立的超固结土模型推广为能够反映超固结土的初始应力各向异性的弹塑性模型。它是通过将潜在强度Mf、特征应力比M和状态应力比ηk引入到模型的统一硬化参数中,使模型具有预测超固结土的初始应力各向异性、剪缩、剪胀、硬化、软化和应力路径依赖性等基本特性的功能。采用SMP强度准则并结合变换应力方法对模型实现了三维化。通过与试验结果比较表明,提出的模型能够较好地描述初始应力各向异性超固结土的应力应变特性。