考虑物理状态变化的砂土本构模型

本文基于临界状态理论，在已有模型的基础上，通过将状态参数引入剪胀方程和塑性硬化模量表达式，建立了一个新的砂土本构模型。该模型可以描述加载过程中相对密度和有效围压变化引起的物理状态变化对材料强度和变形特性的影响，模型形式较简单，仅有8个材料参数，适用于排水及不排水的情况。数值模拟的结果与三轴试验结果吻合较好。     

湿陷性黄土的结构性参数本构模型

本文通过黄土的三轴剪切试验，基于综合结构势的概念，建立了一个能够反映湿陷性黄土含水状态、应力状态和应变状态影响的结构性参数数学表达式。将结构性参数引入剪应力剪应变关系分析中，得到了考虑黄土结构性的应力应变关系。试验揭示了湿陷性黄土具有剪缩剪胀性，表明应力比与剪缩剪胀应变比之间具有良好的线性关系；固结围压越大，剪缩剪胀临界点的应力比越大，含水率越大，剪缩剪胀临界点的应力比越小。最终，建立了反映黄土结构性变化、应力应变软化与硬化、剪缩剪胀变形特性的本构模型。通过本构关系描述湿陷性黄土的应力应变发展过程，得到了与试验结果一致的变化曲线。     

基质吸力对非饱和重塑黄土变形的影响及破坏准则

利用非饱和土三轴仪对宁夏固原地区重塑黄土开展了不同基质吸力和不同围压下的固结排水剪切试验,探讨了该黄土在不同围压、不同基质吸力下的变形规律,计算了不同含水率下的强度参数,得到了总黏聚力随吸力的变化曲线。研究表明：该重塑黄土的偏应力应变曲线整体呈硬化型,且强度和硬化程度与基质吸力和净围压关系较大;不同含水率条件下净围压50 kPa时该重塑黄土具有明显的剪胀特性,净围压300 kPa时具有明显的剪缩特性,且剪胀和剪缩程度与基质吸力有关;黏聚力与吸力均近似呈线性关系;摩擦角随吸力的变化不明显。此外,将试验数据拟合得到的强度参数随吸力的变化关系引入Lade-Duncan破坏准则中进行修正,得到π平面内不同吸力下重塑黄土的强度破坏面。验证表明,该修正破坏准则可以考虑吸力对非饱和黄土强度的影响。     

胶结砂砾石坝坝料双屈服面弹塑性本构模型研究

【目的】为了准确预测不同胶结材料用量及围压下胶结砂砾石料的应力变形特征，【方法】采用理论推导与试验结果分析相结合的方法，在广义塑性位势理论框架下，依据胶结砂砾石料力学特性三轴试验结果，构建了新的剪切屈服函数和体积屈服函数。结合可反映硬化规律的塑性系数以及加卸载准则，建立了一个双屈服面本构模型，随后对比分析胶结材料用量20 kg/m³、60 kg/m³以及100 kg/m³的胶结砂砾石料三轴剪切试验数据及本构模型的计算值。【结果】研究结果表明，抛物线型剪切屈服函数与椭圆型体积屈服函数可很好地反映胶结砂砾石料的剪切变形与体积变形机制。【结论】新的本构模型充分考虑了胶结材料用量、围压对胶结砂砾石料塑性变形、峰值强度、剪胀性等特性的影响；模型参数共有12个确定简单且物理意义明确的参数；该双屈服面本构模型的应力应变预测值与相应的三轴试验数据基本吻合。     

改进Ｒｏｗｅ剪胀方程和南水模型在面板堆石坝中的应用

基于面板堆石坝筑坝材料大型三轴试验数据，研究了南水模型和Ｒｏｗｅ剪胀方程的参数求取方法与应用范围，发现南水模型对于堆石料拟合效果欠佳。采用改进的Ｒｏｗｅ剪胀方程替换南水模型中切线体积比的表述公式，克服了南水模型在拟合体积应变曲线时的一些缺陷。通过编制改进后南水模型的非线性有限元程序，将其应用于工程实例中以验证改进模型。结果表明:改进后的南水模型可以较好地模拟堆石材料剪胀剪缩性，堆石料沉降量较原模型更接近实测值，适用于面板堆石坝的应力变形分析。     

基于全过程曲线循环加卸载的岩石塑性硬化软化模型研究

基于不同围压下的岩石三轴全过程循环加卸载试验成?撸掷氤隹占渌苄灾饔Ρ洌谇显黾铀苄岳砺壑械哪持炙苄杂不蛉砘睿芯柯鉓ohr-Coulomb屈服准则的强度参数在初始屈服、峰前硬化及峰后软化全过程中随塑性参量的动态演化规律。通过试验数据整理分析,发现岩石破坏过程中在塑性硬化阶段内摩擦角、剪胀角有一个先增加后跌落的过程,而黏聚力在塑性硬化和软化阶段均减小这一规律;并采用非线性函数对该规律进行拟合回归,得到了内摩擦角、剪胀角和黏聚力等强度参数以塑性参量为函数变量的演化模型;将该规律应用于拉格朗日数值分析中,模拟了室内大理岩试件破坏过程中的应力-应变关系曲线特征。研究表明,基于岩石全过程循环加卸载试验的力学模型能较好地描述大理岩的塑性硬化塑性软化的力学行为,具有一定的理论意义和工程应用价值。     

考虑级配效应的堆石料颗粒破碎与变形特性研究

通过6组级配堆石料的相对密度试验和大型三轴试验,分析了堆石料级配与抗剪强度、剪胀性、压缩性及颗粒破碎之间的规律,建立了堆石料广义塑性模型参数与制样分形维数之间的函数关系式,并利用不同级配的三轴试验结果验证其合理性。结果表明:堆石料的性质与级配密切相关,采用制样分形维数的二次函数可以较好地反映级配对其物理力学性质的影响。研究结论可为考虑级配影响的堆石体应力变形计算提供依据。     

砂卵石土强度变形特性综合试验及力学模型参数研究

砂卵石土是一种特殊性质粗粒土,其强度变形特性是工程界重点关注的问题之一。针对某工程砂卵石土地基系统开展三轴剪切试验、界面剪切试验及流变试验等综合研究其强度变形特性,选取合适的力学模型描述砂卵石土的应力-应变关系并整理相应模型参数。试验结果表明:砂卵石土非饱和样的抗剪强度指标明显大于饱和样,在低围压下砂卵石土饱和样和非饱和样分别呈现出剪缩特性和剪胀特性,而在高围压下则均表现出明显的剪缩特性;砂卵石土与混凝土面板间的接触面剪应力与剪切位移基本呈双曲线关系,抗剪强度随法向应力的增大线性增大;在双对数坐标系下砂卵石土流变变形随着时间线性增长,基于试验规律提出了砂卵石土11参数流变模型,该模型可较好地反映砂卵石土的流变特性。研究成果为砂卵石土强度变形特性研究及地基沉降分析提供理论支撑。     

基于离散元的颗粒材料三维临界状态与剪胀特性研究

临界状态通常作为砂土等颗粒材料本构模型中的一种参考状态,是经典土力学框架的一个重要组成部分。根据砂土的细观结构特性,一些学者提出了描述砂土内部结构特性的状态参量,建立了状态相关的剪胀模型。然而受试验条件的限制,目前多采用常规三轴试验研究颗粒材料的临界状态和剪胀特性,未考虑中主应力因素。已有研究表明加载路径对颗粒材料的力学特性有一定影响,本文采用离散单元法模拟了颗粒材料真三轴应力路径试验,分析了加载过程中颗粒材料的应力应变特性及中主应力对临界状态的影响。结果表明:颗粒材料的临界状态线(CSL)在e-lg p平面内是唯一的,与中主应力系数无关。临界状态应力比与应力罗德角的关系可以采用角隅函数近似表达。基于状态相关的剪胀理论,采用Lode角的函数(角隅函数)表示模型参数,提出一个新的应力-剪胀模型。数值试验结果表明,本文采用的三维剪胀模型能够较好地反映了离散元数值模拟中颗粒材料在三维应力路径下的剪胀特性,然而公式的适用性需要更多的试验验证和理论研究。     

含石量对砂卵石土的颗粒破碎及强度与变形的影响研究

为探究含石量对不同围压下砂卵石土的颗粒破碎及抗剪强度与变形特性的影响,利用室内大型三轴试验仪开展了固结排水剪切试验。试验设计了0~100%之间5级含石量,在0.5 MPa、1.5 MPa、2.5 MPa三种不同围压条件下进行固结排水三轴剪切试验。基于试验结果,分析了含石量及围压对砂卵石土抗剪强度和剪胀、剪缩特性的影响,并分析了相应的颗粒破碎情况。试验结果表明,在相同含石量下,砂卵石土抗剪强度随着围压的升高不断增加,体变初期表现为明显剪缩,之后剪胀性随围压升高而降低,颗粒破碎率随围压升高而增加;在相同围压下,含石量在50%~75%时,颗粒破碎率最大,并出现最大抗剪强度,而围压越高,试样剪胀越不明显。     

考虑剪胀性和应变软化的粉细砂双屈服面本构模型

针对上海粉细砂不存在唯一临界状态线的特点,对传统的砂土本构模型进行了改进,提出了一个能合理描述粉细砂剪胀性和应变软化特性的弹塑性本构模型.该模型采用双屈服面形式,可同时反映剪切变形及压缩变形机理.模型对传统修正剑桥模型中的剪胀性公式进行了改进,考虑了反映塑性体积应变由正转为负时对应的特征状态应力比与初始有效围压的相关性.为了描述应变软化特性,提出了一个利用残余状态应力比和峰值应力比的应变软化公式,可较为合理地反映粉细砂的应变软化特性.通过对上海粉细砂的多组试验结果模拟,验证了本文模型的合理性和有效性.     

大型压缩试验在堆石坝应力变形分析中的应用

在大坝堆石料大型三轴压缩试验中，剪胀变形在总的体积变形中占有相当大的比例，由其试验结果所确定的模型体变参数通常会夸大剪缩的影响。本文提出了用大型侧限压缩试验结果修正堆石料本构模型体变参数的方法，使用清华非线性解耦KG模型，以茅坪溪心墙堆石坝变形计算分析为例，介绍了大型侧限压缩试验成果在定堆石体本构模型参数过程中的应用。通过与坝体变形实测结果的对比分析，证明使用经侧限压缩试验修正后的本构模型参数，可显著提高坝体变形的计算精度。     

基于统一硬化参量的海洋K0固结土动力本构模型

为方便海洋工程中桩土相互作用计算,根据海洋K₀固结土体特性,对现有相关土体本构模型进行简化。在修正剑桥模型的基础上,基于热力学理论,选用耗散功作为硬化参量,结合原状土体的固结属性,推导了适用于黏土与砂土的统一硬化模型。在此基础上,通过采用旋转硬化与等向硬化相结合的硬化理论来表征K₀固结土在循环荷载作用下的硬化规律,同时引入屈服面收缩参数Θ来描述循环荷载加载过程中土体屈服面的演化特性,进而建立了循环荷载下海洋K₀固结土体统一硬化模型。为验证本文提出的本构模型的合理性,开展了2个案例的对比研究,研究结果表明:新提出的统一硬化模型的计算值与实测值吻合,选用的计算参数少且物理意义明确。     

堆石料广义塑性模型对不同应力路径适应性研究

针对同一系列某花岗岩堆石料不同应力路径加载试验,进行了修正广义塑性模型与修正南水模型的应力路径适应性对比研究。研究结果表明:两类模型均可以很好地预测常规三轴加载试验结果;对于等p加载应力路径试验,二者可以很好地预测强度特征,但是预测的体变偏差较大,两类模型均低估了等p试验下堆石料的体缩特性;对于等应力比加载试验,南水模型预测结果优于广义塑性模型,对剪胀(缩)规律预测较好。广义塑性模型预测结果与试验值相差较大, 主要原因在于常规三轴试验下的剪胀方程并不适用于等应力比试验,采用本文建议的修正剪胀方程后,广义塑性模型对等应力比路径试验预测精度明显提高。     

饱和砂土液化后强度与变形特性的试验研究

利用双向振动三轴试验装置,进行了饱和砂土液化后静力再加载试验。从砂土受振动荷载结束后所处的拉伸、压缩两种状态出发,对饱和砂土液化后的强度变形特性进行分析,研究了液化程度和围压对饱和砂土液化后不排水变形特性的影响。试验结果表明：振后处于拉伸状态的试样,液化后的变形由低强度段、超线性强度恢复段和次线性强度恢复段三段组成;振后处于压缩状态的试样,液化后的变形则只有次线性强度恢复段。提出了统一描述两种状态下砂土液化后应力应变关系的三阶段模型,并给出了模型参数的推导过程。与试验结果对比显示,该模型的预测值与试验值吻合较好,该模型有较好的适用性。     

密度及应力水平对珊瑚砂强度变形特性影响

为研究密度与应力水平对珊瑚砂强度和变形特性的影响,利用三轴仪,对珊瑚砂试样开展了一系列不同密度、不同应力水平条件下的三轴固结排水剪试验。根据试验结果分析了珊瑚砂密度和应力水平对其应力应变、体积变形特性及强度特性等的影响。结果表明,不同相对密度的试样均表现出剪胀特性,同一初始密度的试样,围压越大其剪胀现象越不显著。珊瑚砂初始切线模量随着围压和相对密度的增大而增大,可近似用直线表示,并建立了初始切线模量与相对密度和围压的关系式。相变点应变随围压的增大而增大,随相对密度的增大而减小。珊瑚砂强度指标φ₀和Δφ随着相对密度的增大而呈线性增大趋势。     

考虑级配影响的堆石料强度与变形特性

利用大型三轴仪选用一种典型堆石料,通过设置4种级配、4种相对密度开展一系列不同围压作用下的大型三轴压缩试验,以研究级配、密度、应力状态等因素对堆石料强度与变形特性的影响。基于以上试验,对比分析不同级配、不同密度、不同围压条件下堆石料的应力变形特性,结果表明:试样颗粒越粗,剪切过程中试样越呈现应变硬化和压缩变形特性,随着颗粒逐渐变细,应变软化和剪胀特性愈加明显;堆石料强度与变形特性不仅与其密实和所处的应力状态有关,而且初始级配对其强度与变形特性有显著影响;堆石料强度包络线符合幂函数关系,并通过分析计算验证了其合理性与正确性。分析结果为进一步研究堆石料的状态相关剪胀理论及状态相关本构模型奠定了基础。