基于能量原理的木质素固化粉土剪切特性研究

 为研究木质素固化粉土剪切过程中的应力–应变特征,基于能量守恒原理,通过对剪切过程不同阶段土体所需能量进行分析,建立用以描述固化土剪切特性的理论模型,分析模型中所含参数的意义和确定方法,根据室内试验结果验证模型的有效性,并探讨模型的适用性。研究结果表明,具有胶结特性的固化土发生剪切所需能量主要由破坏土颗粒间胶结的能量、颗粒滚动的能量和颗粒滑动的能量3个部分组成;模型考虑胶结作用、颗粒形状和土体剪切破坏形式等因素;木质素固化粉土的直剪试验结果验证了模型对其剪切特性的准确描述。所提模型可为固化土强度特性的研究提供新的途径。     

砂土三维多重机构边界面模型

以土的临界状态和边界面塑性理论为基础,引入状态参数,考虑砂土的剪胀特性,提出一个新型三维多重机构边界面模型。模型将复杂的宏观变形行为分解为一个宏观体应变机构和一系列空间分布的虚拟一维微观剪切机构。每个微观剪切机构包含一个微观剪应力–应变关系和一个微观应力–剪胀关系。利用三轴压缩试验中的应力条件,建立典型宏微观参数之间的关系。模型包含13个参数,多数可通过具有明确物理意义的土性参数来确定。通过对砂土三轴压缩试验和空心圆柱扭剪试验结果的数值模拟,表明模型不但能够合理反映在排水或不排水条件下砂土的硬化及软化特性,而且能在不增加任何参数条件下预测应力主轴旋转产生的变形累积特性和应变增量主轴与应力主轴之间的非共轴特性。     

南京地区冻结粉质黏土邓肯–张模型参数试验研究

通过冻结状态下三轴剪切试验,主要研究南京地铁冻结粉质黏土的抗剪强度和变形特性。结果表明:温度越低,土体抗剪强度越大。据此建立了以温度、围压为影响因素的冻结粉质黏土邓肯–张本构模型,并得出模型参数a,b;破坏强度与极限强度的比值为fR,其值为0.77~0.91,均值为0.86。将模型计算的应力–应变曲线与试验所得应力–应变曲线相比较,发现两者吻合较好。对比结果说明模型能够较好反映不同围压、温度条件下冻结粉质黏土的强度和变形特性。研究成果为人工冻结法在南京地铁中的应用提供一定参考。     

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。     

冻融循环下青藏粉砂土双屈服面本构模型研究

 基于青藏粉砂土在冻融循环下的常规三轴固结剪切试验,通过引入模量残余比和冻融循环次数,建立考虑冻融循环影响的双屈服面本构模型。试验结果表明,粉砂土的应力–应变关系呈应变硬化型,而在整个剪切过程中,体变呈现剪缩的特性。粉砂土的剪切模量随着围压的增大而增大,随着冻融循环的发展而出现先减小后增大的趋势。与未冻融粉砂相比,冻融以后的弹性剪切模量可降低约36%左右。其应力平面p-q上的剪切屈服面和体积屈服面可分别用过原点的线性函数和椭圆型曲线进行描述。对于剪切和体积硬化特性,建立与塑性应变及冻融循环次数相关的硬化参数,且均采用非相关联的流动法则。所提出的双屈服面本构模型能够很好地反映土体的应力–应变特性,模型计算值与试验值较为吻合,该模型能较为准确地预测不同围压及不同冻融循环次数下的应力–应变关系曲线,较好地反映冻融循环对粉砂力学性质的影响。     

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。     

粘性土的弹粘塑性本构方程及其应用

从常规试验成果出发，用弹粘塑性应力－应变－时间本构方程来描述粘性土的剪胀特性和时间效应。并采用Ｐｅｒｚｙｎａ的粘塑性方程，结合关联和不相关联流动法则，建立应力－应变－时间关系，对粘性土的有效应力路径特别是塑性区的剪胀特性和应力－应变关系的时间依存性进行了数值模拟计算，得出了与试验相近的结果。通过计算结果和试验结果的对比分析，探讨了该计算模型的合理性和可行性。     

不同应力路径加荷时粉土的应力应变关系

对粉土在常规三轴仪上用改进的加荷方法进行了多种应力路径的试验,揭示了应力路径对粉土应力应变特性的影响;探讨了粉土的剪胀性以及用常规三轴试验得出的参数能否反映不同加荷路径等问题;推荐了几个合适的本构模型并给出了模型参数.     

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。     

堆石料强度和变形特性数值模拟

 大型三轴试验结果表明,堆石料在剪切过程中具有明显的应变软化和剪胀特性,其应变软化和剪胀与否取决于土样本身的密度与应力状态：密度越大,围压越低,其应变软化和剪胀性就越明显。通过引入无黏性土的状态相关剪胀理论,对具有不同密实度的堆石料在三轴固结排水剪切过程中的强度和变形特性进行模拟,并与邓肯–张E-B模型和南水模型的模拟结果进行对比,发现该理论仅需一组材料参数就能够较好地反映堆石料的应变软化和剪胀特性。     

基于广义塑性理论的堆石料动力本构模型研究

分析了堆石料在等幅与不等幅应力循环荷载作用下的变形特性,以此为基础,确定了不同加载过程中堆石料的剪胀方程,加载方向,切线模量及塑性模量,建立了一个可以考虑堆石料循环加载特性的广义塑性本构模型.模型将所有的加卸载阶段都视为弹塑性过程,并在剪胀方程中引入老化函数来考虑体积应变积累对剪胀(缩)性的影响.模型共有12个参数,均可通过常规室内单调及循环加载试验确定.为验证模型的有效性,依据试验资料确定了两种不同堆石料的本构模型参数,并对等幅循环三轴压缩与不等幅循环三轴压缩试验进行了模拟.两种材料在不同围压下的模型预测结果与试验数据均吻合良好,表明模型可以有效地反映循环荷载作用下堆石料应力应变曲线的滞回特性与永久变形的积累.     

一个改进的堆石料广义塑性模型

在广义塑性理论框架下,通过引入两个修正系数修正塑性模量,增强了广义塑性模型在高围压条件下的适应性,成功地将砂土广义塑性模型改造成堆石料广义塑性模型。提出的修正广义塑性模型参数较少,容易确定,具有一定的实用性,并且可以推广至状态相关情况。模型中塑性模量公式简洁,可以退化成等向压缩塑性模量。模型可以很好地预测堆石料常规三轴加载应力应变关系,对等P以及等应力比路径也具有一定适应性。     

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。     

Analyzing the deformation and failure of geosynthetic-encased granular soil in the triaxial stress condition

The equivalent strength and stiffness of geosynthetic-encased soil are two important parameters for analysis of cellular geosynthetic-reinforced foundations and earth structures. However, limited analytical approaches exist for the estimation of these parameters, and this limitation hinders their applications in geotechnical engineering practice. In this study, an analytical method is proposed for the prediction of the stress-strain response of geosynthetic-encased soil by employing the soil response in the triaxial stress condition and the theory of thin cylinders. This method has the advantages of theoretical rigorousness and convenience for use and can consider soil nonlinearity, soil dilatancy, soil plasticity and soil-geosynthetic interaction. Different types of yield criteria for soils can be readily incorporated into the proposed method. The proposed method is validated against the results of triaxial compression tests on geosynthetic-encapsulated sand. The good agreement between the predicted stress-strain curves and the measured curves demonstrates the effectiveness of the method. In addition, design tables and parametric studies are provided by employing the formulated analytical method for application purposes.     

Unified modeling behavior of rockfill materials along different loading stress paths

Rockfill materials used for dam construction show obvious stress path dependency during construction process. The constitutive model for rockfill materials are mainly established based on conventional triaxial test. This brings some deviation to the numerical calculation for earth rockfill dam engineering, and it is necessary to develop a constitutive model considering stress paths effect. In the framework of generalized plasticity, plastic modulus can be expressed as the function of dilatancy equation and tangent modulus, hence the influence of stress paths on model can be transfer to the dilatancy equation and tangent modulus. This leads to a new method to describe stress-strain response of rockfill under various loading stress paths. Based on the analysis of large-scale triaxial experiments of rockfill materials with various stress paths, we proposed new dilatancy equation and tangent modulus to better describe stress paths effect and corresponding modified generalized plasticity model is established. Through the prediction and comparison of three groups of rockfill materials triaxial tests, the model established in this paper can simulate behaviors of rockfill materials under various stress paths, using only a set of parameters.     

软土循环扭剪应力应变响应的弹塑性分析

为了分析笔者提出的增量弹塑性模型对描述一般应力状态土单元循环应力应变响应的适用性,进行了软土不排水循环三轴压缩试验与无初始轴向偏应力的循环扭剪试验,得到了两种应力状态土单元的循环应力应变响应。进而依据循环三轴压缩试验结果确定模型参数,再利用模型预测软黏土循环扭剪试验土单元的应力应变响应,并与试验结果进行对比分析。结果表明,预测出的无轴向静偏应力作用的循环扭剪土单元环向剪应力应变滞回曲线与试验结果相比偏小,但是总变化趋势与试验结果较为一致;预测出的循环扭剪土单元环向累积剪应变随循环次数的变化与试验结果基本一致。研究工作表明,该增量弹塑性模型能够较好描述不同应力状态土单元的不排水循环应力应变响应,特别是循环累积应变响应。