基于状态参数的砂土非线性弹性模型研究

 砂土的密实度和有效围压显著地影响着它的力学变形特性。为了反映这2个因素的影响效应,对沈珠江基于初应变法提出的三参数(压缩模量K0、杨氏模量、体变系数)非线性弹性模型进行修正。首先建立一种可以有效地反映初始状态影响的K0压缩曲线描述模式。其次,为了反映密实度和有效围压对排水三轴试验中剪切曲线的影响,基于状态参数定义“虚拟峰值偏应力”这一变量,并给出一个新的剪切曲线描述模式。另外,为了描述砂土的变形特性,引入剪胀方程。该修正模型数学描述简单,仅有10个材料参数,且各参数均容易确定。最后,利用该修正模型对排水、不排水条件下的三轴试验进行模拟,模型的计算结果与实测结果吻合较好,表明该修正模型可以较准确地描述砂土的物理状态变化对其力学与变形特性的影响,初步验证模型的合理性。     

包含Reynolds剪胀的砂土热力学模型

首先简要介绍了建立弹塑性本构模型的热力学方法,它不仅具有紧凑的数学结构,而且自动满足热力学定律.基于砂土变形的微观力学机制,将砂土的塑性体积应变增量分 为"应力诱发的体积应变增量"和"剪切应变诱发的塑性体积应变增量"(即Reylonds剪胀)两部分,自然地将与Reylonds剪胀相关的零功约束引入到弹塑性土体模型的热力学超塑性公式中,建立了包含Reynolds剪胀的砂土热力学模型.基于前人的试验结果与理论分析,建立了固结压力与应力诱发的剪胀角的硬化定律,通过对两种砂土试验数据与预测结果的对比分析,验证了模型的有效性.     

考虑剪切硬化的砂土临界状态本构模型

基于临界状态土力学框架,建立了一个剑桥类砂土本构模型,适用于单调静力荷载,加入了剪切硬化、依赖状态的剪胀的概念。屈服面采用倒子弹头型,硬化规律不是采用剑桥模型的体变硬化,而是借鉴Hashiguchi次加载面模型的思想,推导出与Norsand砂模型相同的增量形式的塑性剪应变硬化表达式。流动法则采用加入状态参数概念的修正的Rowe应力剪胀关系,该模型能考虑砂土变形特性对密度和固结压力的双重依赖型,只用一组材料参数就能模拟不同密度和固结压力下的应力应变响应,可反映材料的软化。通过与常规三轴试验、等p路径三轴试验等结果的对比,表明该模型是合理的、有效的。     

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。     

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。     

基于相变状态的饱和砂土循环荷载边界面模型

在修正剑桥模型屈服面基础上,对循环荷载作用下,压缩及张拉空间的剪胀应力比Mc,ed以相变状态参数表达,模型采用与应力路径无关的硬化参数来替代修正剑桥模型中的塑性体应变增量,采用随动硬化规则。经排水及不排水循环试验结果验证,该模型较适合模拟剪胀性饱和砂土在循环荷载作用下的力学行为,如剪胀、硬化及软化现象等。模型的10个参数,用常规三轴试验就可获取。     

考虑剪胀性与状态相关的钙质砂双屈服面模型研究

根据重塑和原状钙质砂压缩特性的不同，提出颗粒破碎会引起原状钙质砂的附加孔隙比增量。在临界状态土力学的理论框架内，通过引入状态参数和帽盖屈服面，建立1个考虑颗粒破碎影响的钙质砂的弹塑性本构模型，在较大密度和应力水平范围内对1种土只需采用1组材料参数。通过与三轴试验结果比较，模型能较好地描述钙质砂的强度和剪胀性。     

基于统一硬化参数的砂土临界状态本构模型

在临界状态理论的基础上,通过引入状态参数来调整硬化参数和剪胀方程,从而更好地反映砂土的剪胀、剪缩特性以及砂土对密度、有效主应力的双重依赖性,通过引入修正屈服函数的参数,能更好地描述砂土的塑性变形特性。同时,模型采用砂土等向固结线和临界状态线在孔隙比与有效应力幂函数平面内呈线性关系,并且只用一组材料参数即可描述在较大密度和较大有效应力范围内砂土的应力应变响应。通过模拟结果与试验结果对比,验证了模型的有效性。     

砂土的剪胀理论及其本构模型的发展

经典的应力剪胀理论被广泛应用于土体弹塑性本构模型的建立,较好地模拟了黏性土的变形特性。最新的研究表明:由于应力剪胀理论中忽略了土体内部状态参量对剪胀的影响,而使得该理论应用于砂土时发生了困难。近来一些学者纷纷将土的密度作为变量引入剪胀方程,提出了状态相关剪胀理论,成功地模拟了砂土的各种变形特性。本文就砂土的状态及其描述、剪胀理论的发展、砂土本构模拟等方面进行介绍。     

砂土的UH模型

在UH(Unified Hardening,统一硬化)模型的基础上,通过分析砂土特性,建立了砂土的本构模型。该模型具有以下几个特点:1通过引入压硬性参量,模型可以描述在e–lnp空间内砂土的等向压缩线为曲线的特性;2通过引入剪胀性参数,模型可以合理描述砂土的剪胀特性,即松砂的特征状态应力比较大,密砂的特征状态应力比较小的特性;3通过引入临界状态参数来建立砂土的水滴形屈服面,模型可以合理描述临界状态线(CSL)在e–lnp空间内的位置。相对于UH模型,本文所提的砂土模型只增加了3个材料参数,且3个参数都可通过室内常规试验确定。最后,利用该模型对砂土排水和不排水试验进行预测,预测结果与试验结果吻合很好。     

基于统一硬化模型的结构性松砂应力-应变关系

在临界状态理论的基础上,通过引入修正屈服函数的结构性参数,可更好地描述松砂的塑性变形特性。通过引入状态参数来调整硬化参数和剪胀方程,从而更好地反映松砂的剪缩特性和对密度、有效主应力的双重依赖性。同时,模型采用砂土等压固结线和临界状态线在有效应力幂函数平面内呈线性关系的特性,更准确地反映了砂土的应力-应变特性。通过数值模...     

土的统一硬化模型

 土的统一硬化模型是基于剑桥模型,以变换应力方法和统一硬化参数为基本要素建立起来的弹塑性本构模型体系,它通过采用基于SMP准则、Lade准则或广义非线性强度理论的变换应力方法,实现了模型与强度准则的有机结合和模型的三维化。统一硬化参数的应用使模型可以描述土的剪缩、剪胀、硬化和软化、超固结性、各向异性、结构性、蠕变压缩和渐近状态等诸多特性。模型的参数较少、物理意义明确且可通过常规试验确定。它不仅发展和拓宽了剑桥模型的应用范围,而且也便于与现有工程软件结合,在工程中具有广阔的应用前景。     

红砂岩粗粒土剪胀效应大型三轴试验研究

 采用大型三轴试验仪,进行不同应力状态下的红砂岩粗粒土三轴试验,研究粗粒土在不同应力状态下的剪胀性和剪胀趋势影响因素。试验研究表明围压对粗粒土的剪胀性具有明显影响,在不同围压状态下,红砂岩粗粒土整体表现为高压剪缩低压剪胀,并且低围压下表现出先剪胀后剪缩趋势。当围压＜200 kPa时,体积增量比dev/de1为负值,土样表现为剪胀趋势;当围压＞400 kPa时,体积增量比dev/de1在整个剪切过程中为正值,土样表现为剪缩趋势。粗粒土剪胀趋势还随着轴向总应变发展而改变,开始时剪胀明显,随着轴向应变增加剪胀趋势缓减。粗粒土Rowe模型剪胀参数K值离散性较大,充分反映粗粒土剪切过程中粗、细颗粒间变形不协调性,并且随着总应变值e1的增加,K值离散性减小。本试验结果认为红砂岩粗粒土的Rowe剪胀模型参数K = 20～25。     

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。     

砂土的稳态强度固结不排水三轴试验研究

稳态强度理论在土工抗震研究中具有重要意义。介绍了稳态强度理论的基本概念、稳态强度的固结不排水剪切试验方法及试验结果；论证了稳态线的存在性和唯一性；推求了e-p＇-q空间内的稳态线方程，揭示了稳态内摩擦角是土体变形最终可动用的有效内摩擦角的物理含义，同时得到了由围压σ3、相对密度Dr确定稳态强度qss的方法。     

压实土不固结不排水单剪、直剪试验对比

对国内外单剪、直剪试验装置进行调研,总结、分析单剪和直剪试验的优缺点。结合具体填方工程中的压实土体,利用一种类似NGI单剪仪的仪器,进行不固结不排水情况下单剪和直剪试验,并将结果进行对比。研究发现,压实土的黏聚力值,单剪比直剪低20.3%,内摩擦角低5°。结合国内外的研究成果,详细分析试验结果的差异所在。     

基于能量耗散的土体本构关系及其参数确定

从热力学基本理论出发，研究了土体受力变形过程中的能量耗散函数，据此构造了土的弹塑性模型。模型的屈服轨迹、塑性流动、硬化规律及弹性规律均可通过自由能函数和耗散增量函数推导得到。研究中区分塑性功与能量耗散，引出了储存塑性功的概念，定性地讨论模型参数的物理意义及其取值。并通过拟合三轴试验曲线，确定了模型参数；将计算的应力一应变曲线及体变曲线或孔压增长与试验结果比较，验证了模型的有效性。这种本构模型的构造方法掘弃了以德鲁克公设为基础的传统塑性理论，自动满足热力学定律，具有较为严密的理论基础。     

基于统一强度理论的软岩损伤统计本构模型研究

基于统一强度理论，在考虑洛德参数的基础上，得到随洛德参数和中间主应力系数变化的材料统一强度参数，建立可以考虑中间主应力的统一强度理论平面形式的强度准则。假定软岩微元强度分布统计概率，定义软岩的统计损伤变量，依据统一强度理论建立三轴应力状态下软岩的损伤统计本构模型。通过软岩的常规三轴试验结果对其进行验证，对偏应力-应变的理论结果与试验结果进行比较。研究结果表明，该本构模型能够较好地反映软岩的偏应力-应变关系，尤其是应变软化特性。而且依据统一强度理论和统一强度内摩擦角的发挥，进一步分析表明洛德参数以及中间主应力系数b对偏应力一应变关系有影响，软岩的偏应力-应变曲线先随洛德参数的增大而上升到一定值，而后随洛德参数的增大而降低；随中间主应力系数b的增大而不断增加。