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。     

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。     

土的各向异性与可恢复剪胀

从土的各向异性角度对该现象进行了解释,认为土的可恢复剪胀现象可归因于土的各向异性引起的弹性剪胀,土的卸荷体缩的条件取决于加载应力路径的应力增量比。     

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。     

考虑土结构性的本构关系

将作者提出的土结构性定量化参数引入土的变形本构关系和强度本构关系,首次得到了以结构性参数为基础来描述土变形-强度基本规律的本构关系,使土力学特性的研究带上了新的特色.     

膨胀土的本构关系文献综述

土的本构关系是理论土力学的核心问题之一,本构模型涉及岩土体的应力-应变-强度关系,本文对膨胀土的本构关系的特点、研究意义、研究现状、现存问题等方面进行文献综述。     

考虑可逆与不可逆剪胀的粗粒土动本构模型

在边界面塑性理论的框架内,建立了一个新的粗粒土动本构模型.在模型中,剪胀体应变由一个可逆的体应变分量和一个不可逆的体应变分量构成.前者取决于当前剪应力的大小和方向,后者主要取决于剪切作用的历史,它们分别服从不同的剪胀规律.建立了描述可逆剪胀与不可逆剪胀体应变的数学表达式,探讨了可逆和不可逆剪胀体应变分量对应力应变关系的影响,并通过数值模拟与试验结果的对比对模型进行了初步验证.     

考虑颗粒破碎的粗粒土临界状态弹塑性本构模型

研究了颗粒破碎对硬化准则和剪胀性的影响,提出了修正后的硬化准则和剪胀方程,并基于有效塑性功的概念,建立了考虑颗粒破碎的粗粒土临界状态弹塑性本构模型。将所提出的模型与未考虑颗粒破碎的模型用于不同围压下粗粒土室内大三轴试验的数值模拟,对比分析表明：模型计算结果与试验实测结果更为一致,能较好地描述低围压和相对中高围压下的强度和变形特性,得出颗粒破碎导致粗粒土强度降低,压缩变形增大,并利用离散单元法模拟一维压缩颗粒破碎试验对该结论进行了验证。     

粗粒土BP神经网络本构模型研究

为了描述具有应力应变关系非线性和剪胀性的粗粒土本构特性,利用改进的BP神经网络算法,通过优选网络结构和对粗粒土的大型三轴固结排水剪试验数据样本学习,建立了一个以平均主应力p和广义剪应力q作为网络输入向量、以体应变εv和剪应变εs作为网络输出向量的粗粒土BP神经网络本构模型。利用此模型对粗粒土的应力应变关系进行了预测,整体预测结果的最大误差均在10%内。预测表明本神经网络模型具有良好的预测精度和适用性。     

土的本构关系及应用

针对土的双曲线模型和D P模型进行了研究 ,并用数值模拟方法对算例进行了分析。指出土力学与土工技术中的计算问题要得到切实合理的解决 ,就应该将土作为土体 ,掌握土的应力、应变和时间的本构关系。     

考虑初始各向异性的砂土弹塑性本构模型及试验验证

基于复杂应力条件下的试验结果,就针对不同主应力方向对应力–应变关系的影响进行了试验研究,并在此基础上结合状态概念提出了基于应力–剪胀关系和应力–应变拟双曲线关系的弹塑性本构模型。利用应力–应变拟双曲线关系描述了主应力方向对有效应力路径、应力–应变发展模式的影响,并通过常规三轴试验测定了试验参数,同时与试验结果进行对比,说明基于状态概念,引入状态参数,利用主应力方向对塑性模量的影响,能够同时描述初始物理状态及初始各向异性对砂土应力–应变关系的影响。     

考虑原生各向异性土的统一硬化模型

通过将一种各向异性参数α引用到统一硬化模型中,建立能够考虑土的原生各向异性的统一硬化模型。该模型采用将各向异性土体的应力变换为等效各向同性土体的应力方法,来实现各向异性的同性化,以考虑土的原生各向异性特性。各向异性参数可以由具有原生各向异性土的三轴试验获得。通过对日本丰浦砂试验数据的预测,表明了砂土原生各向异性统一硬化模型可以合理地描述具有原生各向异性砂土的变形特性、强度特性及其剪胀性。     

考虑剪应力对体应变和静水压力对剪应变相互作用的土的神经网络模型

土的本构关系模型的研究是土力学研究中的一个关键问题。但由于土的性质受多方面因素的影响 ,如何找到一个既能准确描述土的本构关系又具有工程实用价值的模型一直是学者们探讨的课题。基于此 ,本文利用人工神经网络的方法建立了一个土的非线性本构关系模型 ,该模型考虑了剪应力对体应变和静水压力对剪应变的相互耦合作用 ,并成功的避免了传统本构模型的经验假设和简化 ,同时充分利用了实验的全部数据 ,提高了模型的精确度。模型亦具有很大的容错性。     

用于界面裂纹分析的分段线性弹塑性本构模型

基于分段线性塑性理论和断裂力学理论,提出了一种二维的全量形式和增量形式的粘性裂纹的本构模型。给出了相应的数值试验结果。     

粗粒土与结构接触面的静动本构规律

进行了系统的粗粒土与结构接触面静动力学试验以研究其本构规律。基于试验得到的宏观和细观测量结果,归纳总结了粗粒土与结构接触面静动力学特性的五条基本规律,即:(1)抗剪强度与法向应力近似成线性关系;(2)在一条法向应力不变条件下的单调剪切应力路径中,剪应力随着剪应变的增加而不断增长并趋向于一稳定值;(3)剪胀体应变由不可逆性和可逆性的体应变分量构成,可逆性剪胀体应变表现出明显的接触面异向性,与剪胀体应变有关的剪应变在总剪应变中所占比例在不同剪切阶段是不同的;(4)压缩性随着法向应力的增大而逐渐降低;(5)受载过程中发生物理状态及力学特性的演化并逐渐趋于稳定。     

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x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...     

基于非线性剪胀模型的面板堆石坝应力变形分析

介绍了一种力学概念明确、简单实用的非线性剪胀模型,给出了本构关系的刚度系数矩阵,应用该模型对某堆石坝工程的堆石料真三轴试验进行了计算模拟,并与试验成果进行比较,验证了模型的合理性。在此基础上,分别采用非线性剪胀模型和邓肯E–B模型完整模拟了坝体分层填筑、面板分期以及分期蓄水全过程,对坝体应力与变形、面板应力与变形计算成果进行对比分析,验证了非线性剪胀模型在面板堆石坝静力有限元分析中的适用性。     

粗粒土的剪胀方程及广义塑性本构模型研究

以剑桥模型的剪胀方程为基础,引入曲线形态调节因式,提出了一个新的剪胀方程,并依此构建了一个适用于粗粒土的广义塑性模型。主要结论如下：①所提剪胀方程能够反映粗粒土剪胀比和应力比之间的非线性关系,且参数定义明确、确定方法简单,并通过试验验证了其对粗粒土的剪缩和剪胀特性的描述能力较好; ②所构建的广义塑性本构模型参数为9个,并给出了通过室内常规试验确定参数的方法; ③推导了该模型在一般应力状态下的刚度矩阵,并证明了其对粗粒料普通三轴CD试验具有良好的拟合效果,进一步地,利用三轴等p试验和两段等应力比试验验证了模型的适用性。     

岩土材料的剪胀方程

岩土材料的摩擦特性导致土体在剪应力作用下会发生体积的膨胀或收缩,因此建立剪胀方程是描述岩土材料力学行为的关键。基于经典弹塑性理论的框架,可以构建土的一般性剪胀方程。论文分析了Mohr-Coulomb、Drucker-Prager、SMP等强度准则对应的剪胀方程。总结了剑桥模型、清华模型,以及国内外常用本构模型的剪胀方程。探讨了三轴试验条件下剪胀方程与名义切线泊松比的关系,以及可能的取值范围。结合广义位势理论,进一步给出了利用剪胀方程构造本构模型的途径。