超固结非饱和土的本构关系

Alonso等提出的巴塞罗那(Barcelona)弹塑性本构模型是非饱和土本构模型中的代表,将巴塞罗那本构模型与姚仰平等所提出的超固结土UH本构模型相结合,使之适用于超固结非饱和土。该模型在吸力等于零的时候就退化成饱和土的UH本构模型;在吸力不为零且无超固结的情况下,就退化成巴塞罗那本构模型;该模型不仅使超固结状态下的湿化模拟更为合理,而且也能够反映超固结非饱和土的硬化、软化、剪缩、剪胀特性和不同应力路径对超固结非饱和土变形特性的影响,同时能够反映湿化使超固结程度降低甚至使超固结消失的特性。与巴塞罗那模型相比,本文所提出的模型没有增加任何新的材料参数,且与已有的试验结果对比分析,表明该模型能够较为合理地描述超固结非饱和土的基本力学特性。     

基于统一硬化模型的路堤变形分析

软土具有压缩性大、渗透性低和固结变形时间长等特点,往往还有一定的超固结特性,这些特性给地基沉降的预估和计算增加了难度。统一硬化模型（UH模型）能够描述超固结土的硬化、软化、剪缩和剪胀等应力-应变特性以及应力路径对它的影响,其参数与剑桥模型相同。通过应用该模型,对三轴试验进行有限元分析,并对有限元分析结果与单元预测的结果...     

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。     

UH模型系列研究

岩土材料的本构模型是岩土工程学科的重要理论基础。合理的本构模型既能定性地揭示岩土的变形强度机制,也能定量地进行岩土体强度和变形计算。笔者20余年来潜心于土的本构模型研究,取得了以下3个方面的理论成果:1在修正剑桥模型的基础上,通过引入统一硬化(unified hardening,UH)参数,建立UH模型,该本构模型能够反映饱和超固结土的剪缩、剪胀、硬化、软化和应力路径相关性等特性,模型所用土性参数与修正剑桥模型完全相同;2扩展UH模型,使其考虑多种外部因素(温度、时间和基质吸力)、复杂特性(各向异性、结构性和小应变特性)和复杂加载条件(循环荷载、部分排水即渐近状态)等的影响;3提出广义非线性强度准则和满足热力学定律的变换应力三维化方法,从而实现了本构模型的合理三维化。UH模型已被嵌入到数值计算软件中,并被用于分析岩土工程问题。以上研究包括本构建模、强度准则、三维化方法和数值分析等方面,形成了独具特色的岩土本构理论和应用体系。     

UH模型在路堤软基变形分析中的应用

姚仰平等提出的统一硬化模型(UH模型)能够合理考虑土的复杂应力路径和应力历史对土体变形和强度的影响,它不仅能够描述正常固结土的特性,而且能够描述超固结土的硬化、软化、剪缩和剪胀等应力应变特性。通过在UH模型有限元程序中引入初始超固结比OCR,将OCR作为一个控制参数,采用该有限元程序对具有不同OCR地基土层的路堤软基进行了三维有限元分析,比较了与应用修正剑桥模型(MCC模型)计算的软基土体沉降随时间的变化曲线、地基表面点沉降量、竖向位置结点的水平位移的不同,得到了地基土体沉降变形规律,并与工程实测数据做了对比,说明了UH模型在分析实际路堤软基工程方面的合理性。     

超固结土本构模型分叉三维理论分析及数值模拟

应变局部化分叉的产生强烈依赖于本构模型的弹塑性矩阵。以基于伏斯列夫面超固结黏土三维本构模型为研究对象,推导了三维应力下产生分叉的应力条件,求出了该模型在常平均应力时不同应力路径下分叉三维解析结果。解析结果表明：该模型在应力洛德角为-26.5°～7.5°时,有分叉现象产生,分叉产生于土体应力应变的硬化阶段,且分叉后剪切带倾角变化趋于稳定;而应力洛德角在-30°～-26.5°及7.5°～30°时无分叉现象出现。最后,利用有限元软件ABAQUS的材料子程序接口,采用回映应力更新算法,编写了材料特性子程序,实现了该模型在有限元数值分析中的应用,对均匀各向同性多单元立方体进行常平均应力时真三轴试验数值模拟,并比较数值计算结果与解析结果,验证了解析解与数值模拟结果的一致性。     

统一硬化模型的可视化系统开发

统一硬化模型(UH模型)是一种适用于超固结土的弹塑性本构模型。该模型不仅能够合理地反映超固结土的剪缩、剪胀、应变软化及应力路径相关性等特性,并且具有参数较少、易于确定的优点。传统的模型预测方法需要较高的模型理论基础,处理过程相对繁琐复杂。基于以上原因,采用C#程序语言开发了包含修正剑桥模型、初始UH模型、UH模型、考虑时间效应的UH模型等多种模型的UH模型分析预测平台。该平台集成了试验数据的录入和输出、模型参数的自动获取、模型预测及预测结果可视化显示等功能模块,实现了模型预测的全过程自动化,极大地简化了模型预测过程,并且嵌入了采用UH模型的有限元模拟三轴试验试样加载破坏过程,实现了加载破坏过程中应力、应变、位移的分布变化及破坏面形成发展变化的云图显示。     

隧道开挖围岩土压力拱效应分析

采用弹塑性理论应力反馈算法,研发材料本构模型子程序,将土的应力路径本构模型嵌入大型有限元软件ABAQUS,通过对三轴压缩和三轴拉伸试验条件的数值模拟,验证了子程序的精度。利用二次开发后的ABAQUS对隧道开挖过程进行了三维有限元分析,从不均匀变形、应力重分配、应力路径和地表沉降规律四个方面研究了由重力引起的大主应力改变产生的土压力拱效应。研究结果表明:隧道开挖过程中,围岩土体中的应力路径变化非常复杂,并受几何位置和开挖进程影响;隧道埋深较浅时,土压力拱作用至地表,尚未完全发挥支撑作用,表现为隧道上方土体的整体沉陷变形;隧道埋深较深时,土压力拱的作用未影响至地表,充分发挥了支撑作用,表现为隧道上方土体的塌落变形;土压力拱的作用范围受隧道埋深影响不大,约为隧道半径的3倍。     

一个能够模拟软土时效特性的简单弹黏塑性模型(英文)

基于Perzyna超应力理论与修正剑桥模型,建立了一个能够模拟软土时效特性的简单的弹黏塑性本构模型,提出了参数的实验室确定方法。以室内试验为基础,模拟了不同试验条件下软土的时效特性:应变速率对先期固结压力和不排水抗剪强度的影响;一维固结与次固结特征及竖向应力对次固结系数的影响;不同应力水平下的不排水蠕变特征;不同应变水平下的应力松弛特征。通过实验数据与数值模拟的比较,对模型进行了验证,发现上述本构模型能够较好地描述不同加载路径下的正常固结与微超固结土的时效特征。同时,通过对同一试样的多阶段加卸载三轴实验、现场压力仪实验及实验室压力仪实验的模拟,发现此模型可以较好地拟合实验过程中复杂应力路径下软土的时效特征。     

下负荷面剑桥模型在ABAQUS中的开发实现

利用大型有限元软件ABAQUS所提供的UMAT用户材料子程序接口,针对下负荷面剑桥模型开发了子程序,对超固结土的三轴排水与不排水试验进行了数值模拟,将结果与解析解进行了比较;对同样条件下不同OCR超固结土的三轴排水与不排水试验进行了模拟。结果表明:所开发的子程序具有良好的稳定性和较高的计算精度,能够反映超固结土的应力应变特性(如应变软化),得到比较合理的数值分析结果。     

UH模型在双层地基受力变形分析中的应用

基于姚仰平等提出的 UH 模型，将土层的初始超固结比 OCR 引入到 UH 模型的有限元程序中，通过设置不同土层的 OCR 来控制土层的软硬程度，采用 UH 模型的有限元程序对上硬下软双层地基进行了有限元分析。首先将 UH 模型与简化双层地基应力系数法、 Boussinesq 弹性理论计算的附加应力进行了比较，从而证明 UH 模型在分析上硬下软双层地基应力特性方面的优越性，它能够反映上硬下软地基的应力扩散现象；然后用 UH 模型有限元程序计算了土层为不同 OCR 的上硬下软双层地基的附加应力，研究了土层 OCR 对双层地基应力状态的影响；最后对上硬下软双层地基的固结沉降进行了有限元分析，研究了地基沉降、土体应力应变特性和孔压变化规律。     

应力路径对超固结土峰值强度特性的影响分析

超固结土的峰值强度不仅与超固结度有关,也受到应力路径的影响。基于统一硬化模型(UH模型)和广义非线性强度准则,对超固结土的峰值强度特性进行分析,预测超固结土在常规三轴压缩、等p路径、不排水路径下的峰值强度,得到其峰值强度大小关系。利用广义非线性强度准则描述三种路径下的超固结土峰值强度的非线性,并确定其表达式。通过与试验结果对比表明所建议分析方法的有效性。     

统一硬化模型在FLAC3D中的开发及实现

统一硬化模型（UH模型）能够描述超固结土的硬化、软化、剪胀和剪缩等应力-应变特性以及应力历史对土的影响。基于增量弹-塑性模型的基本假设,根据一元二次方程的解法,推导出塑性因子的表达式,由变换应力公式推得变换应力增量与真实应力增量的关系,进而得到UH模型在FLAC3D中的计算格式。基于FLAC3D软件提供的二次开发平台U...     

土的统一硬化模型及其发展

土的统一硬化模型是以修正剑桥模型为理论基础,以采用统一硬化参数使其简明反映土的剪胀性、以采用变换应力方法使其合理反映土的三维特性为标志性特征,可针对不同类型土的特性,通过对统一硬化参数作适当调整,来建立与其相应的模型。统一硬化模型被发展为黏土和砂土的统一硬化模型、统一硬化超固结土模型、统一硬化K0超固结土模型、考虑砂土软化的模型、考虑土的材料各向异性的模型等十余种模型。这些模型能分别描述土的剪缩、剪胀、硬化、软化、超固结性、初始应力各向异性、材料各向异性、结构性、蠕变压缩和渐进状态等特性以及大应力条件下颗粒破碎和循环加载条件下土的变形特性等。     

Revising the unified hardening model by using a smoothed Hvorslev envelope

The original unified hardening (UH) model, in which a straight Hvorslev envelope was employed to determine the potential peak stress ratio of overconsolidated soils, is revised using a smoothed Hvorslev envelope (Hermite-Hvorslev envelope). The strength at the intersection between the straight Hvorslev envelope and the critical state surface (i.e. Mohr-Coulomb envelope) can be undefined due to the discontinuous change in the slope of the two linear strength envelopes mentioned above. A smoothed Hvorslev envelope is derived through Hermite interpolation to ensure a smooth change between the proposed Hvorslev envelope and the zero-tension surface as well as a smoothed transition between the proposed Hvorslev envelope and the critical state surface. The Hermite-Hvorslev envelope is then integrated into the original UH model, and then the UH models with four different functions of the Hvorslev envelope are compared with each other. The UH model revised by the Hermite-Hvorslev envelope can well predict the mechanical behaviors of normally consolidated and overconsolidated soils in drained and undrained conditions with the same parameters in the modified Cam-Clay model.     

统一硬化超固结土模型试验验证

统一硬化超固结土模型(UH模型)能够反映超固结土的硬化、软化、临界状态、剪缩和剪胀等应力-应变特性以及应力路径对它的影响。通过对北京奥林匹克森林公园的原状土在相同的前期固结压力条件下做不同超固结度等围压三轴固结排水试验以及对模型的预测结果与试验数据的比较,说明了统一硬化超固结土模型的合理性。     

复杂加载下统一硬化模型的有限元应用

等幅循环加卸载条件下,经典弹-塑性模型无法描述再加载过程中土体的塑性变形。统一硬化模型参数与Cam-clay模型完全相同,不仅能够描述土的剪缩、剪胀、硬化、软化和应力路径依赖性等特性,而且能够描述循环加载条件下再加载过程中土体发生的塑性变形。通过将UH模型推广应用到复杂加载情况,并进行循环荷载作用下地基承载力有限元的模...     

三维胶结结构性土UH模型

为反映胶结对结构性土剪切最终应力比以及剪胀规律的影响,将p–q坐标中静态的临界状态线(CSL)扩展为与CSL平行并随结构性衰减而从左侧移向CSL的动态临界状态线(MCSL),构造与MCSL匹配的屈服面和剪胀方程,从而将以考虑加载体积垮塌为主的结构性土统一硬化(UH)模型扩展为能考虑胶结影响的胶结结构性土UH模型。在此基础上,应用变换应力三维化方法,将所提模型应用到三维应力空间。相对于结构性土UH模型,三维胶结结构性土UH模型增加了1个模型参数描述初始胶结程度。该参数可由无侧限压缩试验近似确定。通过4种结构性土的试验结果与模型预测对照表明,三维胶结结构性土UH模型能够较合理地反映受胶结影响的结构性土等向压缩、常规三轴剪切与真三轴剪切等特性。