改进超固结状态参量次加载面模型数值实现与应用

为合理描述超固结土复杂的弹塑性力学行为,对现有Hashiguchi次加载面模型中的超固结状态参量R进行修正,在硬化方程中,考虑塑性体应变与塑性剪应变的综合作用,提出了修正超固结状态参量的次加载面模型。同时,着重介绍了该模型的隐式积分算法及数值实现过程,编制了对应的接口子程序,实现了该模型在有限元软件ABAQUS中的应用。通过不同工况和加载方式下的数值模拟验证了程序的合理性,最后应用模型研究了Fujinomori黏土的三轴压缩力学特性并与UH模型的模拟结果、室内试验研究进行对比。结果表明,子程序具有较高的计算精度和可靠性,模型能够准确地模拟黏土的超固结特性。     

状态变量相关三维饱和黏土结构性本构模型

针对天然结构性饱和黏土具有大孔隙、强度高,具有一定胶结性的特点,将原有超固结土UH模型扩展为状态变量相关三维结构性模型。将p-q空间中屈服面左侧端点向原点左侧平移,使之能够考虑一定程度拉伸的胶结特性,并提出胶结性强度参数的演化规律方程。通过引入状态参量χ来修正屈服面方程,并给出状态参量的表达式,使得剪胀方程能够描述体变剪缩到剪胀的变相应力比强度特性。提出结构性应力比参量R^*的概念,并使之来修正统一硬化参量。基于t准则的变换应力方法,使该模型的应力表示一般化,使一般化后的模型能够描述真三轴的应力–应变关系。试验与预测对比结果表明,所提的三维结构性本构模型具有较强的适用性以及应用性。     

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。     

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。     

超固结土三轴排水不排水试验数值分析

在临界状态土力学的框架内,采用Hashiguchi提出的下负荷面本构模型,建议了一个简化的塑性硬化规律,使之能较合理地描述超固结粘土在正常屈服面和下负荷面之间的变化规律.数值模拟结果表明,修正后的硬化规律能够较好地描述超固结粘土的许多力学特性如应力应变关系、应变软化以及应力剪胀性等.数值预测结果与室内三轴排水试验结果相...     

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。     

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。     

基于能量耗散修正的Boom clay上下加载面模型及其数值实施

 针对剑桥模型不适用于超固结土和结构性土的局限性,引入上下加载面模型以描述Boom clay的结构性;基于Boom clay的屈服面的特点,通过修改能量耗散函数对上下加载面的形状进行了修正,构造了一个更好地反映其特性的弹塑性模型;以有限元程序ABAQUS的UMAT子程序接口为平台,采用隐式积分算法--最近点映射法(CPPM)实现了模型的二次开发;最后利用该模型对不同围压下的Boom clay 不排水三轴试验进行了模拟,并将该模型的计算结果与修正剑桥模型的计算结果以及试验实测结果进行了比较,结果表明,该模型能较好地反映Boom Clay在剪切过程中的结构性演化,且在一定程度上纠正了常规上下加载面模型高估重超固结土峰值强度而低估正常固结土和轻超固结土峰值强度的问题。     

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。     

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。     

动力固结后饱和软土三轴剪切性状的试验研究

通过淤泥质饱和软粘土的三轴固结不排水剪切试验,研究了海相沉积原状土、重塑土以及超固结土在动力固结后的应力–应变性状表现。原状软土经过动力固结后在剪切过程中表现出应变软化,重塑软土在低围压下具有一定的应变硬化现象,而在高围压下则为应变软化型。3种状态下的软土的应力–应变关系曲线按照双曲线形式对围压均具有较好的归一性。应力路径分析表明,原状土经过动力固结后在剪切过程中表现出一定的超固结土的性状,而经过动力排水固结后,重塑土则具有明显的超固结土特性。     

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。     

基于热力学理论的超固结黏土边界面模型

基于热力学理论和临界状态土力学的框架,建立了耗散应力空间内的α-β屈服面。定义耗散势和背应力为应力的函数来实现在真实应力空间非相关联流动。基于边界面模型框架,准确模拟了超固结黏土在初始屈服面内的弹塑性响应。采用临界状态线与边界面交点在静水压力轴上的投影为映射中心,并定义剪胀函数,保证了"干侧"发生剪胀,而"湿侧"发生剪缩。与Boston Blue Clay,Lower Cromer Till和London Clay 3种土在不排水条件下的三轴试验数据进行对比,验证了模型的合理性和有效性。     

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。     

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.