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。     

粒状材料颗粒破碎的力学特性描述

基于粒状材料的颗粒破碎对材料剪胀特性的影响以及描述特征状态应力比的幂函数表达式,提出相应的屈服面和屈服面的表达式,并对屈服面随参数的变化规律进行分析。分析结果表明:通过选取适当的参数,屈服面能够完全回归到修正剑桥模型屈服面的形式。最后,结合适当的等向压缩条件和统一硬化参数,将屈服面应用到砂土的本构模型,能够很好地预测试验结果,合理描述砂土颗粒破碎的力学特性。     

正常固结黏土的三维弹塑性本构模型

?应力空间内的非线性统一强度理论,与普通应力空间内的Drucker-Prager强度理论的形式相同。类比剑桥模型采用应力参量p和q的建模方法,在?应力空间内建立了土的三维弹塑性本构模型。首先提出了新的剪胀方程,结合正交条件,以p?,q?作为应力参量得到塑性势函数;其次模型建立过程中采用了修正剑桥模型的屈服面及非相关联流动法则;这种建模思路是一种新的直接建立三维弹塑性模型的方法。模型以岩土类材料的非线性统一强度理论为破坏条件,能够合理地反映岩土类材料的三维强度特性,较好地描述土体的变形特性,且能够退化为修正剑桥模型。     

建立土体屈服函数的方法研究

总结了建立土体屈服函数的6种方法,并以剑桥模型和修正剑桥模型为例,详细说明了使用应力剪胀关系法、热力学方法得到屈服函数的具体步骤。分析了这6种方法的优缺点,发现应力剪胀关系法、塑性应变增量法和热力学方法本质上都是由屈服函数的"等价物"来得到屈服函数,只是"等价物"的形式不同,分别为代数、几何和能量形式的等价关系。最后使用破坏函数类比法,在粗粒土常规三轴试验及真三轴试验结果的基础上,建立了一个粗粒土剪切屈服准则。     

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。     

基于等效时间的双屈服面三维流变模型

为了同时描述土体剪缩剪胀及流变特性,运用Yin-Graham等效时间法建立了双屈服面三维流变模型。首先,以Yin-Graham三维流变方程作为反映剪缩机制的第一屈服面流变方程;其次,以Matsuoka-Nakai屈服准则作为反映剪胀机制的第二屈服面,以黏塑性功为硬化参数,采用非相关联流动法则,借鉴Mesri建模思路构建应力–黏塑性功–时间关系,利用等效时间法得到应力–黏塑性功–黏塑性功速率关系式,借助Perzyna过应力理论建立第二屈服面三维流变方程;再次,按照双屈服面模型理论将以上两个流变方程结合起来,提出一个基于等效时间的双屈服面三维流变模型,并利用经典的四阶Rung-Kutta方法编制差分计算程序,获得流变模型的数值解答;最后,利用加拿大膨润土及香港重塑海相沉积土三轴固结不排水流变试验将预测值与实测值进行对比,以验证该模型在流变试验中的适用性。结果表明:建立的流变模型可以较好地模拟不排水流变试验多级加载和单级加载发展过程以及土体剪缩剪胀特性。     

基于等效时间的双屈服面三维流变模型

为了同时描述土体剪缩剪胀及流变特性,运用Yin-Graham等效时间法建立了双屈服面三维流变模型。首先,以Yin-Graham三维流变方程作为反映剪缩机制的第一屈服面流变方程;其次,以Matsuoka-Nakai 屈服准则作为反映剪胀机制的第二屈服面,以黏塑性功为硬化参数,采用非相关联流动法则,借鉴Mesri建模思路构建应力-黏塑性功-时间关系,利用等效时间法得到应力-黏塑性功-黏塑性功速率关系式,借助Perzyna过应力理论建立第二屈服面三维流变方程;再次,按照双屈服面模型理论将以上两个流变方程结合起来,提出一个基于等效时间的双屈服面三维流变模型,并利用经典的四阶Rung-Kutta方法编制差分计算程序,获得流变模型的数值解答;最后,利用加拿大膨润土及香港重塑海相沉积土三轴固结不排水流变试验将预测值与实测值进行对比,以验证该模型在流变试验中的适用性。结果表明：建立的流变模型可以较好地模拟不排水流变试验多级加载和单级加载发展过程以及土体剪缩剪胀特性。     

基于热力学的砂土不排水统一模型

在传统的土力学中，经常假定剪胀与应力比η存在惟一关系，这与松砂剪缩、密砂剪胀的试验结果不相符，也无法用一种统一的模型模拟无黏性材料在不同初始密度和固结围压条件下的不同特性。另一方面，德鲁克公设不能普遍适用于土体的各种应力、应变情况，需要有新的能量机制作为本构模型的基础。热力学第一定律和第二定律作为自然界普遍适用的规律，能够用来描述能量耗散。在临界状态模型的框架内，将状态依赖剪胀和热力学本构模型结合起来，既考虑剪胀对变形历史中材料内部状态的依赖，又由模型的热力学基础保证屈服面和剪胀函数的协调。通过计算，验证这种状态依赖的热力学模型，结合提出的硬化规律，可以用一组统一的模型参数模拟砂土在不同初始密度和围压下不排水剪切的不同反应。     

软土流变特性试验及流变模型

本文通过对上海软粘土流变特性的试验研究,在总结前人工作的基础上提出了一个带双屈服面的流变模型。该模型能反映土体的弹性、粘弹性、粘塑性性质,亦能体现土体的剪胀、剪缩特性,具有较为广阔的适用范围。     

土与结构物接触面的剪胀、剪缩特性及其描述

通过对土与结构物接触面力学特性的分析,总结出4种基本的接触面应力-应变曲线形式。提出一个新的剪胀方程及其对应的剪胀函数,对接触面的剪胀特性进行描述。与一般土的剪胀方程相比,新剪胀方程显得更为合理。     

剪胀性砂土中球孔扩张弹塑性解

目前砂土中球孔弹塑性扩张解无法合理考虑砂土的峰值强度和剪胀特性,因而其解答与实际情况存在一定偏差。为得出剪胀性砂土中球孔扩张问题的合理解答,采用砂土临界状态模型考虑球孔扩张过程中砂土剪胀特性和峰值强度对球孔扩张机制的影响,基于相关联流动法则推导了球孔扩张问题的弹塑性本构张量,进而在塑性区采用大变形理论并引入辅助变量,将球孔扩张问题归结为基于拉格朗日描述的一阶偏微分方程组的初值问题。在此基础上,结合孔周弹塑性边界条件求解得出了剪胀性砂土中球孔扩张问题的严格解答。通过与基于修正剑桥模型的球孔扩张解答相对比,研究了砂土峰值强度和剪胀特性对孔周土体应力状态和位移的影响规律。结果表明,基于砂土临界状态模型的弹塑性解答不仅可以合理反映球孔扩张过程过程中剪胀性砂土的峰值强度和剪胀特性,而且可退化为非剪胀性土体中的球孔扩张解答,因而可以更加广泛地应用于静力触探、静压沉桩等岩土工程问题中。     

有关岩土材料剪胀的讨论

剪胀是岩土材料一个非常重要的特性,但目前对于剪胀的描述并不统一。剪胀角在滑移线场理论中主要有两种定义:①是实际塑性应变ε与剪切应变γ之间的夹角;②是破坏面(应力滑移线)与速度矢量方向的夹角(此时也称膨胀角)。在有限元计算中剪胀角则通过塑性势函数来定义,但对塑性势函数的选择比较随意,只是将屈服函数中的内摩擦角换成剪胀角,此时的剪胀角已没有明显的物理意义,只能在一定程度上反映材料的剪胀特性。阐明了滑移线场理论中有关剪胀的描述,推导了平面应变条件下考虑剪胀角影响并与Mohr-Coulomb准则精确匹配的广义Mises准则,研究了剪胀对浅基破坏模式的影响。     

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。     

考虑颗粒破碎影响的珊瑚砂临界状态与本构模型研究

临界状态是土力学中一个非常重要的概念,是许多土体本构模型建立的基础。对于珊瑚砂,由于显著的颗粒破碎,其变形特性和临界状态值得深入探讨。通过不同密度和不同围压组合的一系列三轴试验,研究了颗粒破碎对土体变形特性和临界状态的影响,建立了考虑颗粒破碎影响的珊瑚砂临界状态数学表达式,并将其引入砂土状态相关剪胀方程,提出了考虑颗粒破碎影响的珊瑚砂状态相关剪胀方程和本构模型。该模型仅采用一套模型参数就能较好地反映珊瑚砂在不同密度、不同围压条件下的应力变形特性,并且可以考虑珊瑚砂的颗粒破碎特性。     

一个基于微观力学分析的散粒体应力–剪胀关系

从微观力学角度出发,基于真应力张量推导了散体中平均接触力与平均接触位移的计算公式,并通过宏–微观能量守恒得到了考虑散体各向异性组构及其演化的应力–剪胀关系;详细分析了剪胀参数的物理意义及对剪胀性的影响,并与经典的剑桥流动法则、Rowe剪胀方程以及室内试验结果进行了比较分析。研究结果表明,提出的应力–剪胀关系宏微观物理意义明确,考虑了材料密实状态和微观各向异性组构及其演化对应力–剪胀关系的影响,可以很好地模拟散粒体的初始剪胀(缩)行为,并可反映峰值应力比滞后于最大剪胀比的现象。同时提出的应力–剪胀方程还可以描述材料在相变点处应力比不等于临界应力比的现象,与已有室内试验结果一致,能够较好地预测散体材料三轴条件下的各向异性应力–剪胀关系。     

基于统一硬化参数的砂土临界状态本构模型

在临界状态理论的基础上,通过引入状态参数来调整硬化参数和剪胀方程,从而更好地反映砂土的剪胀、剪缩特性以及砂土对密度、有效主应力的双重依赖性,通过引入修正屈服函数的参数,能更好地描述砂土的塑性变形特性。同时,模型采用砂土等向固结线和临界状态线在孔隙比与有效应力幂函数平面内呈线性关系,并且只用一组材料参数即可描述在较大密度和较大有效应力范围内砂土的应力应变响应。通过模拟结果与试验结果对比,验证了模型的有效性。     

一个基于细观结构的粗粒料弹塑性本构模型

针对粗粒料的剪胀特性和强度非线性,在经典弹塑性理论框架内,建立了一个基于细观结构的粗粒料弹塑性本构模型。模型采用基于颗粒材料细观结构变化推导得到的屈服函数,在此基础上由非相关联流动法则得到的剪胀方程,结合粗粒料典型的三轴压缩试验结果,引入一种无黏性土的压缩模式,构造了能够统一描述粗粒料剪胀、剪缩特性的硬化参数。阐述了由常规三轴试验和等向压缩试验确定模型全部7个参数的方法。对3种粗粒料三轴压缩试验结果进行了预测,预测结果与试验结果吻合良好,说明模型能够合理地反映粗粒料的应力变形特性。     

砂土的剪胀理论及其本构模型的发展

经典的应力剪胀理论被广泛应用于土体弹塑性本构模型的建立,较好地模拟了黏性土的变形特性。最新的研究表明:由于应力剪胀理论中忽略了土体内部状态参量对剪胀的影响,而使得该理论应用于砂土时发生了困难。近来一些学者纷纷将土的密度作为变量引入剪胀方程,提出了状态相关剪胀理论,成功地模拟了砂土的各种变形特性。本文就砂土的状态及其描述、剪胀理论的发展、砂土本构模拟等方面进行介绍。     

粉细砂的三维弹塑性本构模型与试验验证

合理的砂土本构模型不仅要能够描述砂土的剪胀性和应变软化,同时还要能反映土体三维应力空间的真实特性,因此不能只建立在代表轴对称状态的常规三轴试验基础上.在室内真三轴试验的基础上,对Mohr-Coulomb强度准则的形状函数进行了改进,可以更准确地反映砂土三维应力状态下的变形和强度特性.同时考虑应力水平相关剪胀性与应变软化...     

剪胀型土剪胀特性的大数据深度挖掘与模型研究

土的剪胀性是建立本构模型的重要基础,而当前建立的剪胀模型揭示其共同规律不够,这也是现有的本构模型不能良好反映土体变形机制的重要原因。基于Hadoop+Spark计算平台,提出了一种全局优化性强,收敛性快,计算稳定的(distributed levenberg marquardt regression)DLMR大数据特征深度挖掘算法。利用剪胀型土的大量剪胀特性试验数据,根据该算法和剪胀型土的基本力学特性,得到了剪胀型土的剪胀性大数据特征,发现了剪胀率与应力、应变以及应力增量存在明显的非线性特征,并分别建立了它们之间的相关性函数。在此基础上,构建了可以反映剪胀型土剪胀特性共同规律的剪胀模型。通过模型的比较,本文模型明显优于修正剑桥模型下剪胀模型的改进式和Rowe模型。通过模拟不同应力路径下剪胀型土的常规三轴压缩试验数据,表明本文模型能够良好反映不同应力路径下的剪胀性。