基于弹黏塑性本构模型的旋转硬化规律

 为更好地反映原状K0固结软土的变形特性,在已建立的考虑软土初始诱发各向异性的弹黏塑性模型基础上,进一步研究软土的旋转硬化规律。通过分析土体在等向固结过程中的黏塑性体积变化,推导表征黏土各向异性演化速率的旋转硬化参数b的理论表达式,便于实际应用。针对浙江温州原状软黏土进行三轴不排水压缩和拉伸剪切试验,分析K0固结温州软黏土的应变率效应以及旋转硬化规律对其受力变形性状的影响。对比分析试验结果与模型计算结果,验证模型及旋转硬化规律的有效性和适用性。     

天然软黏土屈服特性及主应力轴旋转效应的本构模拟

为合理模拟主应力轴旋转等复杂加载应力状态,对已有的结构性黏土的各向异性边界面模型中屈服面在π平面上的形状函数M(θ)进行修正,使其适用范围更加广泛,并将模型由三轴应力空间拓展到一般的三维应力空间。通过对天然沉积上海软黏土的一维压缩试验、等压及偏压固结三轴不排水剪切试验 、 一系列 K ₀ 固结三轴排水应力路径试验以及不同中主应力系数和主应力轴旋转角度下的空心圆柱不排水剪切试验,对上海软黏土的屈服特性和主应力轴旋转效应进行了系统的研究。试验研究表明天然沉积的上海软黏土具有明显的结构屈服特性和塑性各向异性,初始状态边界面在 p′-q平面上呈并非以 K ₀ 线为对称轴的 倾斜椭圆形状,临界应力比随中主应力系数的增大而减小,验证了模型中所用的三维边界面方程的合理性;主应力轴旋转对天然沉积软黏土的应力应变关系及强度均有着重要的影响。通过天然沉积上海软黏土等压及偏压固结不排水三轴试验结果对模型参数进行标定,并对应力路径三轴排水试验以及主应力方向旋转的空心圆柱剪切试验结果进行计算,初步验证了拓展后模型在模拟复杂加载路径及主应力轴旋转效应的合理性和有效性。     

K0固结软黏土的应变率效应研究

在已建立的K0固结软土弹黏塑性本构模型基础上,推导了一维先期固结压力和三轴不排水抗剪强度的计算式,并着重分析了应变率对两者的影响,分别用各自的应变率参数表征。强度应变率参数ρ仅取决于次固结系数与压缩指数的比值,与土体固结应力、固结历史及试验类型均无关;先期固结压力应变率参数ρn则与该比值及压缩参数Λ都有关,且一般有ρn>ρ。对于无机质软黏土,应变率增大10倍时,先期固结压力增长8%～21.2%,不排水强度增长7.2%～12.2%,与试验结果较吻合。考虑到室内试验与原位的应变率差异,建议先将试验所得先期固结压力及不排水抗剪强度按本文规律进行应变率修正,再应用于原位情况。OCR越大,不排水强度比随应变率增长越快。     

K0固结软土的循环剪切特性及其流变模拟

对原状温州黏土进行了三轴不排水循环剪切试验,系统分析了黏土在循环剪切过程中应变和孔压的累积特性以及加载频率的影响。考虑到天然黏土不等向固结历史的影响,试验土样在循环剪切前均先K0固结至原位应力状态。研究表明,对于K0固结软黏土,以剪应变累积曲线出现拐点作为循环破坏标准较为合适,此拐点对应的单幅破坏峰值剪应变es,tp大小基本恒定为3%,与加载频率、循环偏应力幅值等因素无关;循环荷载幅值一定时,荷载持续时间t对黏土的循环剪切性状起控制作用,可综合反映加载频率和振次的影响。根据黏性不排水循环累积效应与静力蠕变过程的相似性,按静力蠕变等效的思路,采用建立的各向异性弹黏塑性本构模型对其进行模拟分析,并通过试验验证了此流变等效方法的有效性。     

基于成都黏土蠕变试验的非定常蠕变本构模型研究

针对黏土的蠕变特性对工程造成不利影响的问题,开展了成都黏土的常规三轴固结不排水试验和三轴固结不排水蠕变试验,分析其蠕变特性、应力-应变关系、弹性模量和黏滞系数的非定常性;同时,基于分数阶导数理论,利用软体元件替换常规黏性元件,并且考虑黏土弹性模量和黏滞系数的非定常性,构建了成都黏土的非定常蠕变本构模型,对本构模型进行了拟合和辨识分析,得到了成都黏土的长期强度值。结果表明:弹性模量和黏滞系数的非定常性包括时效特性和加载特性两方面,蠕变模型元件包括瞬时弹性元件、黏弹性元件和黏塑性元件;拟合的各项参数变化规律与室内试验规律一致,尤其是对加速蠕变阶段的拟合度极高,所构建的模型具有充分的合理性和可靠性。     

基于等时曲线的软黏土弹黏塑性模型

软黏土的变形与时间密切相关,包括固结效应与蠕变效应两部分,两者相互作用共同影响着土体的变形及长期变形。在Bjerrum等时曲线理论的基础上,推导了一个能描述软黏土变形时效特性的弹黏塑性本构模型,将此模型代替一维Terzaghi固结理论中的线弹性应力–应变关系,并进一步考虑非线性渗流的影响,实现了一维条件下蠕变–固结的非线性耦合作用。本模型中共有8个模型参数,物理意义明确,均可通过室内试验简单获取,利用Crank-Nicolson有限差分格式在一定的边界条件下可对控制方程进行求解。为验证此模型的有效性,对室内一维K0侧限固结试验及Leroueil和Kabbaj的等应变率试验成果进行了模拟,理论计算值与试验结果能够较好吻合。     

上海结构性软黏土本构模型与试验验证

天然上海软黏土具有很强的结构性,传统的剑桥模型无法合理地对其进行描述,改进后的运动硬化结构模型不仅引入了描述土体结构性的状态变量,可以反映土体塑性应变发展过程中所产生的结构损伤对其力学行为的影响,还对原始运动硬化结构模型中的形状参数、塑性模量公式等进行了改进,能更好地描述上海软黏土的力学行为。基于改进之后的运动硬化结构模型,通过天然上海软黏土等压固结三轴不排水剪切试验对该模型进行参数标定,进而对偏压固结三轴不排水剪切试验与加-卸载等向压缩试验进行预测。结果表明:改进后的运动硬化结构模型可以更好地模拟上海软黏土在三轴试验中的结构损伤、应力路径以及应力应变关系,同时对加-卸载过程中土体的滞回特性也有较好的模拟效果。     

考虑时间效应的K_0各向异性UH模型

将所建立的考虑时间效应的超固结土统一硬化模型(时间UH模型)推广为能够考虑K0各向异性的弹黏塑性模型。基于广义非线性强度准则的变换应力三维化方法,将新模型扩展到三维应力状态。使用新模型预测K0固结土的一维和三轴等应变率加载试验,预测结果表明新模型能够合理反映应变率对K0固结土前期固结压力和应力应变曲线的影响。根据模型的基本方程,推导三轴压缩条件下不排水抗剪强度的理论公式,并将该公式的计算结果与试验结果进行对比,发现该公式能够反映不排水抗剪强度随超固结度和应变率的增大而提高的性质。     

结构性软黏土的一维弹黏塑性模型

为了研究结构性软黏土一维压缩变形的时效特征和结构破坏特征的耦合效应,首先,基于Bjerrum的等时间线体系,提出等黏塑性应变率线概念,建立非结构性软黏土的新型一维弹黏塑性模型;然后,在大量试验结果的基础上,揭示了一维压缩过程中压缩指数随孔隙比的变化规律,并提出了土体结构渐进破坏的新型描述模式;仿照特征体积,定义了"本征体积"和"本征应变"的概念,得到了结构性软黏土的"本征压缩定律",并推导了结构性软黏土的蠕变方程,构建了结构性软黏土的一维弹黏塑性模型。最后,阐述了模型参数的确定方法,所有参数均可通过试验直接确定,并用本文模型对宁波天然软黏土的常规压缩试验和长期蠕变试验、Berthierville clay、Ariake clay的一维等应变率压缩试验进行模拟,验证了该模型的有效性。研究结果表明,该模型能很好地模拟结构性软黏土一维压缩变形的时间效应和结构破坏效应,为建立结构性软黏土三维时效本构模型奠定了基础。     

花岗岩残积土应力路径试验研究

由于常规的三轴剪切试验不能反映实际工程中多种应力路径对土体力学特性的影响,以福州地区花岗岩残积砾质黏性土为研究对象,进行了常规三轴固结排水剪切试验、K0固结排水剪切试验、K0固结侧向减载试验和K0固结侧向减载轴向加载试验等多种室内试验,对不同应力路径条件下土体的抗剪强度、应力与应变的变化情况做出比较分析,总结了花岗岩残积土在复杂应力路径下土体的变形特性及强度特征。研究表明:在不同的土体应力路径情况下,土体所对应的强度参数及变形参数具有明显的差异性,花岗岩残积土在不同的应力路径情况下应力-应变曲线均呈现应变硬化型,在实际工程中,应综合考虑各种工况,以应对土体强度及变形的变化对工程进展的影响。     

软岩的应变速率效应研究

对硅藻质软岩试样进行了不同围压和不同加载速率的应变和应力控制式固结不排水三轴试验,试验结果表明,硅藻质软岩具有明显的应变速率效应,加载速率对软岩的强度变形特性有较大的影响。在试验研究的基础上,应用三维弹粘塑性模型,考虑硅藻质软岩的应力–应变关系的时间依存性,模拟了软岩的应变速率效应。数值分析中所采用的参数均由试验确定,对不同应变速率下固结不排水试验的应力–应变关系和有效应力路径的数值计算结果,反映出不同应变速率下软岩的峰值强度和残留强度均随着应变速率的增大而不断提高,与试验结果相吻合;计算结果还反映出与试验结果一致的孔隙水压力变化和应变软化趋势。通过对比分析表明,三维弹粘塑性模型可以较好地描述软岩的应变速率效应。     

SIMULATION OF SHEAR AND ONE-DIMENSIONAL COMPRESSION BEHAVIOR OF NATURALLY DEPOSITED CLAYS BY SUPER/SUBLOADING YIELD SURFACE CAM-CLAY MODEL

Naturally deposited clays exhibit complicated mechanical behavior that differs from that of remolded clays. For example, clay in a normally consolidated state commonly exhibits softening in undrained shear tests or “rewinding” in a heavily overconsolidated state. The Super/subloading Yield Surface Cam-clay model (Asaoka et al., 1998, 2000, 2002) was proposed in an attempt to clarify the complicated mechanical behavior in naturally deposited clays. In this constitutive model, the concepts of “structure,” overconsolidation, anisotropy, and their evolution laws, are introduced into the modified Cam-clay model. In the present study, undrained triaxial compression tests and oedometer tests were carried out on two types of naturally deposited undisturbed clay, Pleistocene clay and Holocene clay, and the behavior was then simulated using the Super/subloading Yield Surface Cam-clay model. The findings of the present study are as follows:

• 1)For the two types of undisturbed clay, the Super/subloading Yield Surface Cam-clay model can simulate undrained triaxial compression behavior ranging from the normally consolidated state to the overconsolidated state, corresponding to various isotropic pressures using a single set of material constants.
• 2)In addition, the model can simulate one-dimensional compression behavior using the same material constants as those used for the simulation of the undrained triaxial compression behavior.
• 3)Through the simulation, the mechanical behavior of Pleistocene clay and Holocene clay, which have different loading histories and have undergone different aging effects, can be described by the different evolution parameters, as well as the elasto-plastic parameters.

     

软黏土不排水循环应力应变响应的弹塑性模拟

为描述循环荷载作用下饱和软黏土不排水应力应变特性,以Mises屈服准则构建边界约束面方程,利用硬化模量插值方法及映射中心移动方法,在偏应力空间中构建硬化模量场,建立了一个总应力形式的增量弹塑性边界面模型。该模型依据径向映射法则建立弹塑性模量插值函数,并认为加卸载过程中映射中心随加卸载路径变化而不断移动,通过弹塑性模量的插值及映射中心的移动,使得硬化模量场的演化规律表述简单,跟踪循环应力路径所需记忆的参数较少。另外,模型通过在弹塑性模量插值函数中引入反映剪应变累积速率和大小的参数控制累积剪应变随循环次数的变化规律,不仅可描述循环加载时应力应变曲线的非线性、滞回性、应变累积性等基本特性,还可预测不同初始应力水平、循环应力水平下土单元的应力应变响应。最后阐述了利用循环三轴压缩试验确定模型参数的方法,并对循环三轴拉伸试验结果进行了预测,通过预测结果与试验结果的对比,验证了所建模型的合理性。     

超固结土三轴排水不排水试验数值分析

在临界状态土力学的框架内,采用Hashiguchi提出的下负荷面本构模型,建议了一个简化的塑性硬化规律,使之能较合理地描述超固结粘土在正常屈服面和下负荷面之间的变化规律.数值模拟结果表明,修正后的硬化规律能够较好地描述超固结粘土的许多力学特性如应力应变关系、应变软化以及应力剪胀性等.数值预测结果与室内三轴排水试验结果相...     

土体稳定与承载特性的分析方法

结合研究团队多年的研究积累,分别从砂土与饱和软黏土两个方面阐述了在土体失稳与承载特性分析方法方面的理论研究成果。排水条件下密砂在到达峰值强度前可能会出现应变局部化失稳,而饱和松砂则可能出现分散性失稳;建立了基于三维非共轴塑性理论的变形分叉分析方法,分析了砂土平面应变试验和真三轴试验的应变局部化现象,进一步分析了各向异性砂土的强度特性和应变局部化现象,以及砂土的状态相关特性对应变局部化的影响;建立了基于状态相关本构模型的砂土应变局部化失稳弹塑性有限元分析方法,探讨了复合体理论和非局部塑性理论在消除有限元网格依赖性问题方面的可行性;建立了基于二阶功准则和状态相关本构模型的饱和砂土分散性失稳数值分析方法。提出了基于临界状态理论的饱和软黏土各向异性不排水强度理论公式,以及基于循环累积塑性应变的强度弱化公式,形成了适合低渗透性饱和软黏土的弹塑性静动力有限元分析方法;建立了非均质与各向异性软黏土地基稳定性问题的极限分析上限方法,进一步提出了不排水地基承载特性的虚拟加载上限分析方法,形成了分析地基承载特性循环弱化的弹塑性有限元法和虚拟加载上限法。所建立的分析方法将为砂土与饱和软黏土地基稳定性和承载特性的理论预测提供重要的技术手段。     

Compression and extension yield of an anisotropically consolidated soil

A series of undrained and drained triaxial tests were conducted to investigate the yielding behavior of anisotropically consolidated reconstituted Shanghai clay under triaxial compression and extension loading conditions. The soil was consolidated with K of 0.5, where K is the ratio of cell pressure to axial pressure. The tests included drained constant η (=q/p′) loading tests and undrained and drained triaxial compression and extension shear tests on anisotropically consolidated specimens. It was found that the anisotropically consolidated Shanghai clay obeys Rendulic’s principle under compression loading, but not under extension loading, and that the yield surface inclined inside the state boundary surface under extension loading. Moreover, the pre-yield behavior and the post-yield behavior were found to be very different under these two loading conditions (compression and extension loading). The test results confirm the validity of the sloping elastic wall theory, and the influence of anisotropic parameter β on the shape of the yield curve in the p′?v plane was also studied in the paper. Constitutive modeling methods for anisotropic consolidated soils were also discussed based on the test results.