各向异性孔压公式及各向异性地基中的孔压发展

本文首先在修正剑桥模型的基础上采用关口-太田应力比概念,构造了一个各向异性旋转屈服面,同时僵立了一个各向异性弹塑性本构模型.然后根据提出的各向异性弹塑性本构方程导出一个各向异性孔压表达式,该孔压公式可以考虑中主应力大小、主应力轴旋转对孔压的影响.最后采用新的孔压表达式对加载条件下的平面应变各向异性地基中的孔压发展进行了计算并得到了一些有意义的结论.     

考虑主应力方向变化的原状黏土强度及超静孔压特性研究

针对许多实际岩土工程问题中,土体所受应力路径主应力方向会旋转变化的特点,采用空心圆柱仪(HCA)对主应力轴方向突变和连续旋转条件下杭州典型原状黏土的强度和孔压特征进行研究。试验表明:土体强度主要受原生各向异性影响,试样在破坏时的主应力作用方向以及中主应力参数是影响土体强度的主要因素,而主应力轴旋转对于强度则无显著影响;试样无论是否经历主应力轴旋转,在破坏时都会有显著的剪切带产生,同时剪切带平面与大主应力作用方向的夹角基本保持一个常数;主应力轴旋转会引起土中孔压积累,积累程度受主应力轴转幅及旋转时剪应力幅值、剪应力水平支配。这部分孔压增量较之主应力方向固定不变剪切产生的极限孔压而言不能忽略。     

主应力轴旋转下(b=0.5)原状软黏土孔压特性

采用浙江大学空心圆柱扭剪仪(ZJU-HCA),对杭州原状软黏土进行固结不排水主应力轴旋转试验,探讨剪应力变化、初始剪应力水平高低及主应力轴正向和逆向旋转对黏土孔隙水压力(简称孔压)发展的影响。试验中保持平均主应力不变,中主应力系数b=0.5。试验结果表明:定向剪切产生的孔压主要受剪应力控制;用双重屈服面理论得到孔压系数,结合孔压线性拟合结果发现,若初始剪应力低于峰值剪应力,体积屈服面函数不受主应力轴旋转影响;若初始剪应力接近峰值剪应力,主应力轴开始旋转时的孔压上升速率相对较高,但后期孔压反而会下降;纯主应力轴旋转过程中的孔压上升速率主要受初始剪应力大小控制。主应力轴正向旋转较逆向旋转产生的孔压小;主应力轴逆向旋转相对正向旋转对整个剪切过程的孔压发展有较大影响。     

应力方向效应对软黏土变形和孔压特性影响的试验研究

利用空心圆柱扭剪仪对原状软黏土开展了系列含主应力方向旋转条件下的试验研究:包括单纯旋转主应力方向、单纯往复旋转主应力方向以及主应力方向旋转的同时增加剪应力等典型应力路径。主要研究应力方向效应对软黏土变形及孔压特性的影响。通过参数对比研究,分析了中主应力系数b、剪应力水平、应力旋转方向及与剪应力耦合作用的影响等。试验结果表明:在主应力大小保持不变的条件下,主应力方向的旋转也会引起软黏土显著的应变和孔压或体应变的累积,中主应力系数对应变和孔压的变化规律均有一定的影响,b=0.5时,试样接近平面应变;b=0.75时,孔压随应力旋转累积最显著。剪应力越大,主应力方向旋转引起的应变和孔压也越显著。应力方向效应和剪切对土体具有叠加耦合作用。     

循环荷载下结构性软黏土的各向异性边界面模型

在边界面塑性理论的基础上,提出了一个可以描述循环荷载作用下结构性饱和软黏土力学特性的各向异性弹塑性模型。通过在本构方程中引入表征土体结构性损伤内变量的方法,将软黏土结构损伤与累积塑性应变的发展联系起来;并引入各向异性张量及旋转硬化法则描述其各向异性及演化特征。同时,在映射准则的定义中采用映射中心可移动的方法,以反映土体在卸载再加载时的弹塑性。通过对典型结构性软黏土及上海软黏土循环三轴试验结果的模拟,初步验证了模型的合理性和有效性。     

复杂应力路径下影响粘土孔压开展的因素研究

采用空心圆柱扭剪仪,针对杭州原状软黏土,设计轴对称和三维应力状态下的复杂应力路径,进行固结不排水条件下的主应力轴旋转试验,以此从试验上验证主应力轴转幅、中主应力系数、初始剪应力对剪切过程中孔压开展特征影响的理论分析结论。理论分析和试验结果均表明：在主应力轴旋转过程中,主应力轴转幅分别为0°～45°和45°～90°间的值时,试样的变形不同,产生的孔压增量不同,以主应力轴转幅等于45°为界;当中主应力系数在0～1间变化时,随着中主应力系数的增大,产生的孔压增量先减小后增大,以中主应力系数等于0.5为界,并且,中主应力系数对剪切过程中孔压开展的影响受剪应力水平的控制;初始剪应力水平越高,上升初始剪应力阶段产生的孔压增量越大,剪切过程中总的孔压水平越高。在包含主应力轴旋转和剪应力增大的剪切应力路径初始阶段,以大主应力方向角作为控制条件比以初始剪应力作为控制条件产生的孔压增量大,对剪切过程中孔压的开展影响更大。     

复杂应力路径下影响黏土孔压开展的因素研究

采用空心圆柱扭剪仪,针对杭州原状软黏土,设计轴对称和三维应力状态下的复杂应力路径,进行固结不排水条件下的主应力轴旋转试验,以此从试验上验证主应力轴转幅、中主应力系数、初始剪应力对剪切过程中孔压开展特征影响的理论分析结论。理论分析和试验结果均表明:在主应力轴旋转过程中,主应力轴转幅分别为0°～45°和45°～90°间的值时,试样的变形不同,产生的孔压增量不同,以主应力轴转幅等于45°为界;当中主应力系数在0～1间变化时,随着中主应力系数的增大,产生的孔压增量先减小后增大,以中主应力系数等于0.5为界,并且,中主应力系数对剪切过程中孔压开展的影响受剪应力水平的控制;初始剪应力水平越高,上升初始剪应力阶段产生的孔压增量越大,剪切过程中总的孔压水平越高。在包含主应力轴旋转和剪应力增大的剪切应力路径初始阶段,以大主应力方向角作为控制条件比以初始剪应力作为控制条件产生的孔压增量大,对剪切过程中孔压的开展影响更大。     

不同本构模型预测饱和土孔压生成的研究

本文用本构模型研究了孔压系数。导出清华弹塑性模型、修正的拉德模型和修正剑桥模型的孔压系数表达式;用上面三种模型及邓肯EB模型和线弹性完全塑性KG1模型对具有剪缩性的白河堡击实粘性土和具有明显剪胀性的承德中密砂固结不排水试验作了预测比较。得到一些有意义的结论。     

土体的各向异性及近似模拟

通过真三轴仪试验 ,分别从 3个主应力方向加荷 ,研究产生的应变分量变化 ,从而较清楚地揭示了土体中显著的由应力引起的各向异性。在此基础上提出了土体应力应变柔度矩阵所具有的性质 ,即不同应力方向上加荷所引起的应变分量之间关系的规律 ,这些规律是检验土体本构模型合理性和适用性的重要标尺。依据这些性质 ,提出了一种以邓肯模型为基础修正的各向异性本构模型 ,对于不同的应力方向 ,采用不同的弹性模量和泊松比 ,模型参数与邓肯模型一致 ,由常规三轴试验确定 ,它是一个经验的、但实用性强的各向异性本构模型。     

主应力轴循环旋转下饱和黏土累积孔压显式模型

交通荷载下饱和黏土累积孔压消散是导致交通荷载下路基沉降的重要因素。在详细介绍黏土空心圆柱试样制作过程的基础上,在各向等压条件下,分别对黏土试件在100,150,200 kPa压力下固结,而后进行主应力轴旋转角连续变化范围分别为[-15°,15°]、[-30°,30°]、[-45°,45°]和[-60°,60°]的不排水循环加载试验,循环次数为10 000次。得到了循环累积孔压的变化受静偏应力、初始固结压力及空心圆柱试样主应力轴连续旋转角影响的规律。运用修正动偏应力水平来考虑初始静偏应力和动偏应力对不排水累积孔压的影响,建立了常剪应力循环主应力轴偏转角循环加载下累积孔压模型。通过非各向等压固结循环扭剪试验累积孔压值对所建立的累积孔压模型的正确性进行验证。     

考虑各向异性影响的循环弹塑性模型

软黏土在动荷载作用下具有显著的非线性、滞回性和变形累积性等动力特性,因此采用弹塑性模型来描述土的动应力应变关系更为合理。基于混合硬化塑性模量场理论,建立了一个总应力形式的、屈服面连续变化的饱和黏土不排水增量弹塑性动本构模型。模型克服了一般嵌套塑性模型因在模量场中存在共轭点而具有奇异性的不足,不需要记忆应力反向面,也不需要判断当前屈服面是否超过应力反向面进而引入零圆心位置的过渡应力反向面,极大地简化了模型和数值计算。由于现有弹塑性动本构模型通常不能考虑各向异性固结对土体变形和破坏的影响,通过在破坏面方程中引入各向异性偏应力张量来反映各向异性的影响。对试样动三轴试验的结果与文献模型计算结果的对比分析表明:模型能够合理地描述土的主要动力特性及应力诱发各向异性对土体变形和破坏的影响。     

考虑空隙压密特征的岩石弹塑性损伤增量本构模型

岩石的变形破坏全过程包括压密–弹性–塑性–损伤多个阶段,现有的基于经典弹塑性理论与损伤力学同时考虑岩石压密变形机制的本构模型研究较少。将岩石抽象为岩石骨架与岩石空隙2部分,依据空隙变形机制计算非线性压密变形,基于Drucker-Prager准则分析塑性变形特性,采用体积变形描述损伤演化规律,在经典弹塑性损伤理论框架下建立岩石压密–弹塑性损伤增量型本构模型及其积分算法。将岩石总变形视为压密、弹性与塑性3个部分,考虑空隙部分无法承受剪力且各方向变形无相互影响的特征,通过应力、应变张量谱分解在主应力方向上计算总应变。数值积分方法为基于Drucker-Prager准则的主应力方向回映算法,采用压密弹性预测方法计算预测应力,以分析迭代步中压密应变增量对总应变增量的影响。压密–弹塑性损伤本构模型与算法充分考虑空隙非线性变形机制与压密变形特性,共涉及压密、弹性、塑性、损伤4类10个参数,适用于长期服役过程中外部环境作用下空隙占比逐渐增加,骨架强度逐渐减小的工程岩体。应用模型研究干湿、冻融循环2种典型外部环境对岩石特性的影响,结果表明模型能够很好地模拟外部作用后工程岩体变形破坏的全过程,具有一定的理论...     

土体应力各向异性对深基坑开挖性状的影响

应力各向异性对复杂状态下土体的变形规律有重要影响。开挖状态下的K₀固结土体具有其特有的变形和强度特性。本文提出了一个将各向异性强度准则等效到Von Mise强度准则的方法,建立了一个简单、便于工程使用且能够描述土体各向异性的理想弹塑性本构关系,并将该本构关系耦合到ANSYS软件中,模拟分析了深基坑开挖后的变形性状。并通过工程实例和经典的Drucker-Prager模型作了比较,分析结果表明各向异性对深基坑开挖变形的影响不容忽视。     

软土应力各向异性对基坑开挖变形影响的机理分析

软土条件下,应力各向异性对复杂状态下土体的变形规律有重要影响。卸载状态下的K0固结土体具有其特有的强度和变形特性。本文建立了一个简单、便于工程使用且能够描述土体各向异性的理想弹塑性本构模型,并将该本构模型耦合到ANSYS软件中,模拟分析了各向异性对基坑开挖变形的影响。结果表明:各向异性对土体的变形性状有重要影响,且对土体的水平变形和与竖向变形的影响程度与开挖宽度和开挖深度的比值有关。     

天然软黏土主应力轴循环旋转塑性效应的本构模拟

在考虑各向异性边界面模型的基础上，建立了可反映天然软黏土主应力轴循环旋转塑性效应的本构模型。对于主应力轴循环旋转卸载条件，通过引入可移动映射法则，处理这种卸载情况下的塑性变形。通过考虑固有各向异性弹性，描述主应力轴循环旋转下循环波动的塑性累积行为。同时，通过考虑应力比影响并将非共轴流动和共轴流动耦合起来，模拟循环过程中非共轴性变化。对温州天然软黏土在纯主应力轴循环旋转下的不排水行为进行了模拟，结果表明，所建立的边界面模型可有效模拟天然软黏土主应力轴循环旋转下塑性效应。     

饱和黏土不排水抗剪强度各向异性的热力学本构模型研究

基于饱和土体TTM（Tsinghua thermodynamic soil model）热力学本构模型分析研究了饱和黏土的不排水抗剪强度各向异性问题。模型及试验研究表明：非等向或固结历史是引起土体强度各向异性的重要原因,固结应力比越小,不排水强度各向异性越大。不排水加载过程中主应力轴的方向对土体不排水抗剪强度和变形有着重要影响。一般而言,当主应力轴方向从0°旋转到90°时,土体的不排水抗剪强度逐渐下降,峰值应变却逐渐增大。此外,非等向固结会导致土体主应力与主应变的非共轴性。利用TTM理论模型,对Kaolin Clay 和Boston Blue Clay的不同试验结果进行了模拟验证和预测。结果表明,TTM理论模型具有反映和预测应力引起的饱和黏土强度各向异性和应变软化等特性的能力,同时也具备精准描述主应力轴旋转等复杂路径下饱和黏土的强度和变形特征的能力。     

循环荷载下非饱和土的各向异性弹塑性双面模型

在BBM模型及弹塑性双面模型的基础上,建立一个在静态及循环荷载作用下考虑非饱和土各向异性的弹塑性双面模型。在模型中引入反映各向异性的硬化参量,通过各向异性参量的初始值来反映初始各向异性,利用旋转硬化法则来描述循环加载过程中各向异性的变化规律。模型含有一个边界面和一个加载面,二者在应力空间中按照等向硬化、运动硬化以及旋转硬化法则来进行演化。同时,采用径向映射法则和移动的记忆中心来反映非饱和土的循环塑性特征。通过与相关试验数据的比较,模型可以较好地反映循环荷载下非饱和土的各向异性以及动态力学特征。     

主应力轴旋转对土体性状影响的试验进展研究

对目前国内外主应力轴旋转条件（包括单向旋转和循环旋转）下土体性状研究的室内试验进行系统的分析与总结，得到以下结论：土体在不排水主应力轴旋转条件下产生孔压积累，这在主应力轴循环旋转中特别显著，且通常大于等剪应力幅度的动三轴或扭剪试验产生的孔压，并可建立与某种应变增量的函数关系，此外孔压开展的速率与程度受到土体原生各向异性的影响，但当试样所受剪应力水平较低时，上述影响的程度减弱。而在主应力轴循环旋转过程中，孔压还与主应力轴的转幅或循环次数等因素有关；主应力轴循环旋转并没有导致有效内摩擦角的显著变化。相当一部分试验结果表明，不论主应力轴旋转时的排水条件如何，只要采用归一化的强度标准，土体后续的抗剪强度并不受主应力轴旋转的影响，但也有一些试验表明，排水条件下主应力轴旋转引起原生各向异性轴的同步旋转，导致同一方向旋转前后的定向抗剪强度不尽相同；土体在主应力轴旋转条件下的主应变增量方向往往介于主应力增量和主应力方向之间，而旋转过程对土体后续加载路径中的应力一应变关系是否产生影响主要依赖于主应力轴旋转过程中产生的应变积累水平。此外，还建议可从孔压、强度、应力-应变关系3个角度出发，进行高剪应力水平、高频率主应力轴旋转试验，并深入研究各个应力因素对主应力轴旋转下土性的影响。     

PVC涂层织物膜材的非线性各向异性本构关系模型

基于各向异性弹塑性理论,通过等效应力和等效塑性应变反映材料固有的非线性性质,并结合三参数形式的弹塑性屈服函数,提出了1种适用于聚氯乙烯（PVC）涂层织物膜材的非线性各向异性本构模型.为确定本构模型中的待定参数,同时验证该本构模型的适用性,进行了7个偏轴角度（0°、5°、15°、45°、75°、85°和90°）的单轴拉伸试验,并将模型预测结果与试验结果进行对比.结果表明：该本构模型能够较为准确地反映PVC涂层织物膜材拉伸时的非线性应力应变关系,可用来预测PVC涂层织物膜材在拉剪应力共同作用下的力学行为.     

考虑初始各向异性的砂土弹塑性本构模型及试验验证

基于复杂应力条件下的试验结果,就针对不同主应力方向对应力–应变关系的影响进行了试验研究,并在此基础上结合状态概念提出了基于应力–剪胀关系和应力–应变拟双曲线关系的弹塑性本构模型。利用应力–应变拟双曲线关系描述了主应力方向对有效应力路径、应力–应变发展模式的影响,并通过常规三轴试验测定了试验参数,同时与试验结果进行对比,说明基于状态概念,引入状态参数,利用主应力方向对塑性模量的影响,能够同时描述初始物理状态及初始各向异性对砂土应力–应变关系的影响。