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。     

海洋沉积物力学特性及其弹塑性本构模型

海洋沉积物的工程性质决定着海洋平台等海底锚固系统的安全稳定。针对南海科考2020年嘉庚号共享航次获得的南海西部深海沉积物,开展南海西部海域深海原状和重塑沉积物的固结试验和三轴排水剪切试验,探讨结构性对原状海洋沉积物的力学和变形特性影响。通过分析海洋沉积物的沉积环境和胶结结构性的形成过程,对原状海洋沉积物的有效应力进行修正,定义结构性因子,假设原状海洋沉积物的正常固结压缩指数为结构性因子的函数,引入结构性因子发展式并结合修正剑桥模型,提出考虑原状海洋沉积物胶结结构性的弹塑性本构模型,并通过与试验结果的对比,验证了其有效性。研究结果表明：原状海洋沉积物的压缩曲线具有明显的非线性特征,其压缩性随着荷载增大而迅速增大,压缩曲线逐渐趋近于重塑土;相同围压条件下原状海洋沉积物的抗剪强度低于重塑土,体变则大于重塑土;所建立的弹塑性本构模型能够较好地描述不同受力状态下原状海洋沉积物的应力–应变特征。研究成果将为海底锚固系统的稳定性分析和海底工程灾害的防治提供理论基础。     

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.     

考虑结构性的软岩热弹塑性本构模型研究

 在核废料贮存、地热和深部采矿等领域中,温度对软岩力学特性的影响不容忽视。基于上负荷面和温度等效应力概念,提出一个考虑结构性的软岩热弹塑性模型。该模型比上负荷面模型仅多一个参量,即线性热膨胀系数。计算分析及其与试验结果对比表明,该模型既能够统一描述软岩热增强和热减弱2种现象。软岩初始结构性愈强,强度愈大,且初始结构性的变化可使软岩在热增强和热减弱之间相互转换。无论热增强或者热减弱,线性热膨胀系数越大或者温度越高,结构性状态变量的消散均会加快;并且,当线性热膨胀系数和温度均较高时,这种加速趋势会更为显著;相较于热减弱和热增强情况下的结构性更容易消散,即消散速率更快。     

一个考虑结构性的非饱和土边界面本构模型及其验证

天然土体大都兼具非饱和特性和结构性,建立考虑结构性的非饱和土本构模型,对于分析非饱和土力学特性具有重要意义。基于饱和结构性土的体变方程,在结构性参数中引入基质吸力的影响,结合BBM模型的LC屈服曲线,建立了结构性非饱和土体变方程,引入解构规律来考虑常吸力下各向同性压缩过程中结构性的衰减,引入结构强度及其衰减规律来考虑结构性对非饱和土抗剪强度的影响,采用边界面塑性理论对三维状态下非饱和土的变形特性进行描述。利用Gorgan地区的非饱和原状黄土和西安Q₂非饱和原状黄土的试验数据,进行了模型的参数标定和验证,结果表明,所建立模型能够有效预测结构性非饱和土的变形特性。     

结构性软土三维弹塑性损伤本构模型研究

基于所提出的岩土材料统一各向同性破坏准则,通过引入椭圆–抛物双屈服面模型以及结构性损伤屈服面,结合复合体损伤概念,建立了三维主应力空间中弹塑性损伤本构模型,该模型能够反映结构性软土应力应变的非线性、剪胀剪缩特性、结构性以及中主应力对变形的影响。通过结构性软土试验结果与模型的计算结果对比分析,表明该模型能够较好地预测结构性软土三维空间的应力–应变特性。     

结构性黄土的本构模型

天然沉积黄土具有结构性，因为其在结构破坏前后表现出非常不同的力学特性。为了真实地反映黄土的结构性、湿陷变形特性，在室内试验的基础上，应用充分扰动饱和粘土的稳定孔隙比和稳定状态原理，根据不可逆变形由团块之向滑移和团块破碎机理所引起的概念及土体损伤演化定律，建立了非饱和黄土的屈服函数和损伤函数，得到了非饱和原状结构性黄土的结构性数学模型。该模型能够模拟加载及其他力学特性，且物理意义明确，数值计算结果与试验结果吻合很好。     

膨胀土弹塑性本构模型研究进展

膨胀土由于干湿循环而产生湿陷、胀缩等现象,经典饱和土力学理论难以给出合理解释.本文在归纳总结前人关于膨胀土弹塑性本构模型研究工作的基础上,对BBM(Barcelona Basic Mode)模型、BExM模型、以及Thermo-hydro-mechanical(THM)本构模型等的优缺点进行了分析探讨,并对它们作出简要的分析.     

非饱和膨胀土的弹塑性本构模型研究

Alonso(1999)提出的膨胀土模型存在着微观结构参数难以确定的缺点。本文在阐述膨胀土干湿循环试验后,对膨胀土的结构特征进行了分析,并研究了膨胀土的微观变形机理。认为膨胀土宏观上的胀缩塑性变形是由两部分塑性变形组成,一部分是微观结构层次中集聚体胀缩变形耦合后形成的微-宏观结构耦合变形,另一部分是宏观结构塑性变形。由此,本文改进了膨胀土模型,利用宏观结构层次的参数和微-宏观结构变形耦合参数t计算前部分变形,而后部分变形仍按低塑性非饱和土的弹塑性变形计算。最后通过计算实例表明:模型的结论与试验相近。     

基于弹塑性本构模型的非饱和膨胀土变形研究

研究了初始含水量一定的条件下,有荷膨胀率与竖向压力半对数成线性关系,与干密度、初始含水量成线性关系,推导出了简单的本构模型,指出该模型是利用室内常规试验可以得到的,能反映研究地区岩土体主要性状的应用型本构模型。     

横观各向同性黏土的非正交弹塑性本构模型

为了描述土体各向异性对应力应变关系的影响,基于特征应力的概念,建立横观各向同性黏土的非正交弹塑性本构模型。建模思路如下:(1)借鉴修正应力方法将组构张量引入到特征应力概念中;(2)根据修正特征应力空间中八面体面上的摩擦规律,建立可以综合反映土体各向异性和中主应力效应的横观各向同性土的β强度准则;(3)在修正特征应力空间中,采用倾斜屈服面描述非等向固结对土体屈服特性的影响,并引入体应变相关的硬化参数;(4)通过基于分数阶微分的三维非正交塑性流动法则,确定横观各向同性黏土的塑性应变增量方向。模型仅需要6个可通过常规三轴试验确定的材料参数,所涉及3个模型参数均可通过材料参数得到。预测结果与试验数据的对比表明,本文提出的模型可以合理地描述横观各向同性黏土的强度及变形特征。     

非饱和原状膨胀土的弹塑性损伤本构模型研究

以复合体损伤理论为基础,建立了非饱和原状膨胀土的弹塑性损伤本构模型。模型可反映原状膨胀土的三个主要特征(胀缩性、裂隙性和超固结性)造成的独特的力学特性,即,低围压情况下的软化和剪胀,围压较高时的硬化和剪缩以及干湿变化时的反复胀缩特性。模型共包含23个参数,都可由试验测定。     

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。     

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。     

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。     

基于特征应力的正常固结土三维弹塑性本构模型

在特征应力空间中,Drucker-Prager形式的强度准则可以合理描述岩土类材料的真三维强度特性,即特征应力具有以各向同性形式的表达式描述岩土类材料各向异性力学特性的功能。在特征应力空间中,利用插值函数法直接提出了正常固结土的新的屈服函数,结合笔者已在特征应力空间中提出的塑性势函数,直接建立了正常固结土的真三维弹塑性本构模型。模型只有7个材料参数,每个参数均具有明确的物理意义,可利用室内试验简单确定。通过模型功能分析以及与文献中试验结果的对比验证表明,本文模型可简单合理地描述正常固结土的真三维变形与强度特性,并且可简化为修正剑桥模型。     

优化确定土体本构模型参数

提出了一种确定不同本构模型参数之间关系的最优化方法,指出该方法以已知的σ1/σ3—ε1曲线与参数未知的本构模型算得的σ1/σ3—ε1曲线差值的绝对值为目标函数,以本构模型参数的取值范围为约束条件,利用最优化方法迭代计算,求得最优模型参数。     

重塑软黏土固结排水三轴试验和本构模型研究

通过室内固结排水三轴剪切试验,分析了重塑饱和软黏土在固结排水条件下三轴剪切过程中的力学特性和变形特征。基于硬化参量与应力路径无关的基本假定,根据曲线积分中的格林公式,构建了新的屈服方程,并建立了一个适合于重塑饱和软黏土的本构模型。采用MATLAB软件编写计算程序,利用新建的重塑软黏土本构模型,对所采用的重塑软黏土和文献报道的Fujinomori黏土的固结排水三轴剪切试验进行理论计算。将试验结果和理论计算结果进行对比,可得出结论:新建的本构模型理论计算结果与重塑饱和软黏土的固结排水三轴试验结果较为吻合,可以较好地描述重塑软黏土在排水条件下的强度与变形特征。