工程中典型应力路径下土的应力-应变特性分析

分别采用Mohr-Coulomb模型、修正剑桥模型和UH模型预测正常固结土在常规三轴压缩、三轴伸长和平均主应力p减小的压缩工况中典型路径下土的变形特性。Mohr-Coulomb模型为理想弹-塑性模型,屈服之前为弹性变形,屈服之后为变形无限增大的弹-塑性变形。修正剑桥模型能够较好地模拟压缩路径条件下正常固结土的应力-应变...     

统一硬化模型的可视化系统开发

统一硬化模型(UH模型)是一种适用于超固结土的弹塑性本构模型。该模型不仅能够合理地反映超固结土的剪缩、剪胀、应变软化及应力路径相关性等特性,并且具有参数较少、易于确定的优点。传统的模型预测方法需要较高的模型理论基础,处理过程相对繁琐复杂。基于以上原因,采用C#程序语言开发了包含修正剑桥模型、初始UH模型、UH模型、考虑时间效应的UH模型等多种模型的UH模型分析预测平台。该平台集成了试验数据的录入和输出、模型参数的自动获取、模型预测及预测结果可视化显示等功能模块,实现了模型预测的全过程自动化,极大地简化了模型预测过程,并且嵌入了采用UH模型的有限元模拟三轴试验试样加载破坏过程,实现了加载破坏过程中应力、应变、位移的分布变化及破坏面形成发展变化的云图显示。     

超固结土中排水圆孔扩张弹塑性UH解

目前超固结土中圆孔扩张排水解无法合理考虑超固结土的应力–应变关系和三维强度效应,因而其解答与实际情况存在一定偏差。现有研究表明三维统一硬化(UH)本构模型可以合理描述超固结土的力学特性,基于该模型推导了超固结土中柱孔和球孔扩张的排水半解析解。为得出该问题的精确解答,通过引入辅助变量并联合UH模型、应力转换法和大应变理论等,将弹塑性圆孔扩张问题归结为非线性微分方程组的初值问题。解答中孔周无弹性区,所需的岩土参数与剑桥模型相同。通过与基于修正剑桥模型的解答相对比,详细研究了圆孔扩张过程中孔周超固结土应力场和体积的变化规律。结果表明,预测结果合理模拟了超固结土的剪缩和剪胀、峰值强度、超固结比和潜在强度的衰化以及三维强度效应等特性,因此可以广泛应用于超固结土地区的扩孔工程分析。     

基于统一硬化模型的路堤变形分析

软土具有压缩性大、渗透性低和固结变形时间长等特点,往往还有一定的超固结特性,这些特性给地基沉降的预估和计算增加了难度。统一硬化模型（UH模型）能够描述超固结土的硬化、软化、剪缩和剪胀等应力-应变特性以及应力路径对它的影响,其参数与剑桥模型相同。通过应用该模型,对三轴试验进行有限元分析,并对有限元分析结果与单元预测的结果...     

基于边界面理论的超固结土本构关系

总结了超固结土的变形特性,探讨了修正剑桥模型模拟超固结土受力响应的缺陷。在修正剑桥模型的基础上,引入边界面的概念来实现初始屈服面内部的弹塑性响应,并通过模拟不排水条件下超固结Lower Cromer Till的应力应变关系来验证模型的合理性。     

结构性超固结土的统一硬化模型

统一硬化超固结土模型是在下加载面和剑桥模型理论框架下,提出的能够描述超固结土的剪缩、剪胀、硬化和软化特性的简单、实用的模型。它通过将与土的结构性有关的参数引入到超固结土模型中,来建立结构性超固结土模型。与剑桥模型相比,它只增加了2个材料参数,即伏斯列夫面的斜率Mh和结构性参数α。采用新模型对结构性超固结土的应力-应变关系进行预测的结果表明:所建立的结构性超固结土模型基本能够描述结构性超固结土的特性。     

改进超固结状态参量次加载面模型数值实现与应用

为合理描述超固结土复杂的弹塑性力学行为,对现有Hashiguchi次加载面模型中的超固结状态参量R进行修正,在硬化方程中,考虑塑性体应变与塑性剪应变的综合作用,提出了修正超固结状态参量的次加载面模型。同时,着重介绍了该模型的隐式积分算法及数值实现过程,编制了对应的接口子程序,实现了该模型在有限元软件ABAQUS中的应用。通过不同工况和加载方式下的数值模拟验证了程序的合理性,最后应用模型研究了Fujinomori黏土的三轴压缩力学特性并与UH模型的模拟结果、室内试验研究进行对比。结果表明,子程序具有较高的计算精度和可靠性,模型能够准确地模拟黏土的超固结特性。     

UH模型在路堤软基变形分析中的应用

姚仰平等提出的统一硬化模型(UH模型)能够合理考虑土的复杂应力路径和应力历史对土体变形和强度的影响,它不仅能够描述正常固结土的特性,而且能够描述超固结土的硬化、软化、剪缩和剪胀等应力应变特性。通过在UH模型有限元程序中引入初始超固结比OCR,将OCR作为一个控制参数,采用该有限元程序对具有不同OCR地基土层的路堤软基进行了三维有限元分析,比较了与应用修正剑桥模型(MCC模型)计算的软基土体沉降随时间的变化曲线、地基表面点沉降量、竖向位置结点的水平位移的不同,得到了地基土体沉降变形规律,并与工程实测数据做了对比,说明了UH模型在分析实际路堤软基工程方面的合理性。     

UH模型系列研究

岩土材料的本构模型是岩土工程学科的重要理论基础。合理的本构模型既能定性地揭示岩土的变形强度机制,也能定量地进行岩土体强度和变形计算。笔者20余年来潜心于土的本构模型研究,取得了以下3个方面的理论成果:1在修正剑桥模型的基础上,通过引入统一硬化(unified hardening,UH)参数,建立UH模型,该本构模型能够反映饱和超固结土的剪缩、剪胀、硬化、软化和应力路径相关性等特性,模型所用土性参数与修正剑桥模型完全相同;2扩展UH模型,使其考虑多种外部因素(温度、时间和基质吸力)、复杂特性(各向异性、结构性和小应变特性)和复杂加载条件(循环荷载、部分排水即渐近状态)等的影响;3提出广义非线性强度准则和满足热力学定律的变换应力三维化方法,从而实现了本构模型的合理三维化。UH模型已被嵌入到数值计算软件中,并被用于分析岩土工程问题。以上研究包括本构建模、强度准则、三维化方法和数值分析等方面,形成了独具特色的岩土本构理论和应用体系。     

基于UH本构模型的软土深基坑数值分析

针对能反映超固结黏土的硬化、软化、剪缩和剪胀等应力应变特性及应力路径影响的UH本构模型,采用回映应力更新算法,编写了有限元材料子程序,实现了该模型在有限元ABAQUS软件中的应用;通过对单元试验进行三轴压缩及其它不同应力路径下的加载及卸载模型预测,再现了超固结土在不同超固结比和应力路径时的变形和强度特性,验证了子程序的正确性。最后,采用UH本构模型材料子程序,使用有限元软件ABAQUS,对软土地层中的某地铁车站深基坑进行了数值分析,讨论了基坑变形及支护结构土压力的变化,通过数值计算结果和实测值的对比,验证了UH本构模型在软土基坑数值分析中的适用性和正确性。     

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.

     

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。     

考虑黏聚特性和拉压不等效应的修正剑桥模型及数值实现

 针对修正剑桥模型不能反映岩土介质黏聚特性和拉压不等效应的局限性,通过子午面上考虑黏聚力、偏平面上考虑应力罗德角的影响,建立可考虑黏聚力与拉压不等效应的非相关联修正剑桥模型;较系统地介绍所修正模型的Euler向后隐式本构积分算法及程序实现过程。应用ABAQUS软件所提供的用户材料子程序UMAT接口,编制改进修正剑桥模型本构子程序,并运用所编程序研究比利时Boom clay的三轴压缩力学行为。研究结果表明,所编子程序具有较高的计算精度和良好的稳定性,所改进模型能较好地反映Boom clay的非线性与塑性流动特性。     

基于双曲线临界状态的改进剑桥模型及数值实现

针对传统剑桥模型不能很好反映重塑黏土力学及临界强度特性的缺陷，在试验研究的基础上，对其临界状态进行改进。不排水三轴试验发现，重塑黏土的临界状态线表现为双曲线的形态，因此，将双曲线临界状态与剑桥模型相结合，建立改进的剑桥模型，并在FLAC3D程序中进行二次开发。同时针对FLAC3D中对塑性因子算法较为繁琐的问题，引入牛顿–辛普森迭代法进行改进。最后，运用改进的剑桥模型对不同压实度土样进行三轴数值模拟试验。结果表明：改进的剑桥模型能较好地反映重塑土体的力学特性，改进后的算法计算精度较高，执行效率较好。     

K_0固结黏土的渐近状态模拟

将正常固结土的渐近状态模型推广到K0固结土的渐近状态模型。推导出三轴压缩条件下耦合参量的求解公式,提出K0固结土的渐近状态模型中耦合参量关于应力Lode角的函数关系式,并用K0固结土的修正剑桥模型及K0固结土的渐近状态模型对多种黏土的三轴压缩、三轴伸长的试验结果进行预测对比。结果表明：K0固结土的渐近状态模型较K0固结...     

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。     

考虑形状参数影响对MCC修正及其实现与验证

基于形状参数概念对修正剑桥模型的屈服面进行修正,并在FLAC3D中进行二次开发,得出如下结论:本屈服面是对修正剑桥模型的屈服面的进一步推广;针对不同土体采用通过试验得到的形状参数的合理取值,可得到比采用修正剑桥模型更为精确的预测值,解决了采用修正剑桥模型进行分析得到的土体强度比通过试验所得到的值偏大的问题;对比分析形状参数R取2与FLAC3D中固有修正剑桥模型所得到的计算结果,在一定程度上验证了二次开发所得模型的正确性与合理性;扩大FLAC3D在土木数值分析中的应用范围,也为开发其它土工模型提供借鉴与参考。