无状态变量的状态依赖剪胀方程及其本构模型

粗粒土的剪胀行为具有状态依赖特性。为了考虑这一特性,不同的状态依赖变量被唯像地提出,并被经验性的内嵌入已有剑桥、修正剑桥等剪胀方程中。基于分数阶梯度律,理论推导出了分数阶状态依赖剪胀方程,并阐述了分数阶数的物理意义。所得剪胀比大小受三个因素影响:分数阶求导阶数,当前加载应力、以及当前应力到临界状态应力的距离。当分数阶求导阶数从1开始增大时,分数阶剪胀曲线自修正剑桥剪胀曲线向剑桥剪胀曲线移动;而当求导阶数从1开始减小时,分数阶剪胀曲线逐渐远离修正剑桥剪胀曲线;当求导阶数等于1时,分数阶剪胀曲线与修正剑桥剪胀曲线重合。为验证所提出的状态依赖剪胀方程,基于该方程进一步建立了砂土的状态依赖分数阶塑性力学本构模型,并对砂土和堆石料的三轴排水与不排水试验结果进行了模拟,发现:基于状态依赖分数阶剪胀方程建立的本构模型,可以合理地描述砂土在不同初始状态及加载条件下的应力应变行为。与砂土UH模型预测结果对比发现,UH模型可以给出优势预测结果,但本文解析了土体状态剪胀行为的一种数学原理。     

无状态变量的状态依赖剪胀方程及其本构模型

粗粒土的剪胀行为具有状态依赖特性。为了考虑这一特性,不同的状态依赖变量被唯像地提出,并被经验性的内嵌入已有剑桥、修正剑桥等剪胀方程中。基于分数阶梯度律,理论推导出了分数阶状态依赖剪胀方程,并阐述了分数阶数的物理意义。所得剪胀比大小受三个因素影响:分数阶求导阶数,当前加载应力、以及当前应力到临界状态应力的距离。当分数阶求导阶数从1开始增大时,分数阶剪胀曲线自修正剑桥剪胀曲线向剑桥剪胀曲线移动;而当求导阶数从1开始减小时,分数阶剪胀曲线逐渐远离修正剑桥剪胀曲线;当求导阶数等于1时,分数阶剪胀曲线与修正剑桥剪胀曲线重合。为验证所提出的状态依赖剪胀方程,基于该方程进一步建立了砂土的状态依赖分数阶塑性力学本构模型,并对砂土和堆石料的三轴排水与不排水试验结果进行了模拟,发现:基于状态依赖分数阶剪胀方程建立的本构模型,可以合理地描述砂土在不同初始状态及加载条件下的应力应变行为。与砂土UH模型预测结果对比发现,UH模型可以给出优势预测结果,但本文解析了土体状态剪胀行为的一种数学原理。     

考虑渐近状态特性的超固结土本构模型

基于超固结土的UH模型,结合渐近状态概念,将适用于饱和砂土的渐近状态本构模型推广为考虑渐近状态特性的超固结土本构模型,用于描述土的超固结性和渐近状态特性。通过采用变换应力方法实现了模型的三维化。新提出的本构模型简单、参数较少,与剑桥模型相比,仅增加了一个材料参数,即伏斯列夫面斜率。该模型能够合理反映超固结土的硬化、软化、临界状态、剪缩、剪胀、应力路径依赖性、渐近状态等特性。     

剪胀性砂土边界面模型的研究

剪胀性对于砂土,尤其是中密以及密实砂土,是一个非常显著的特性。相变线是剪胀性砂土的特征曲线,能够反映砂土的围压以及初时孔隙比对变形特性的影响。本文在边界面塑性理论的框架内,把相变状态参量引入到剪胀方程以及塑性硬化模量中,建立了一个能够描述砂土剪胀性以及循环特性的本构模型。本模型采用一套参量可以模拟不同初时孔隙比、不同围压、排水(或不排水)条件下单调(或循环)加载的应力-应变特性。验证表明本模型数值计算与试验结果相吻合。     

考虑组构变化效应的饱和密砂循环本构模型

为了真实地描述饱和密砂在循环加载过程中的变形行为,需要引入考虑剪胀阶段组构变化的宏观参量。在已有的基于状态参量的本构模型基础上,引入反映组构变化的剪胀内变量,简称组构-剪胀内变量z。以相变线PTL作为参考线,采用基于相变的状态参量判断砂土在初始时刻和任意时刻体积变形的变化趋势,并通过z对剪胀比d的影响,考虑反向加载过程中塑性变形的累积,建立了一个针对饱和密砂的循环加载的弹塑性本构模型。该模型根据试验现象将已有模型中的塑性剪切模量区分为首次加载模量与再加载模量,能较好地模拟排水情况下砂土循环加载的胀-缩变化过程。最后,针对密砂的三轴排水情况,利用文中模型进行预测,并把预测结果与试验结果进行比较,结果表明该模型能够总体反映砂土循环加载的变形行为。     

主应力轴变化下非共轴对砂土剪胀特性影响

传统塑性剪胀模型在描述应力比和塑性应变增量关系时都是基于共轴塑性流动法则,从而认为土体的剪胀性仅与应力比有关。大量试验结果表明,在涉及主应力轴变化的复杂应力条件下塑性流动过程中应力-应变是非共轴的,因而在分析砂土剪胀特性时非共轴是不可忽视的因素。为了研究主应力轴变化的复杂应力条件下非共轴对砂土剪胀特性的影响,利用空心圆柱仪对饱和砂土进行了一系列定轴剪切试验、纯主应力轴旋转试验以及组合加载试验。试验结果表明,不同应力路径下应力-应变非共轴都会引起剪胀曲线偏离Rowe直线,通过Gutiereez提出的考虑非共轴因子的修正剪胀方程可以修正非共轴引起的偏差,从而使得Rowe剪胀方程适用于涉及主应力轴旋转等更加复杂的加载条件。     

主应力方向对砂土剪胀性的影响分析

剪胀性是土特有的一种材料属性,而准确地描述砂土的剪胀性则是建立砂土本构模型的重要基础。大量常规三轴试验发现,在以相同加载条件下剪切时密砂和松砂会表现出完全不同的剪胀性和应力-应变关系特性,说明砂土的剪胀性不仅与其所处的应力状态有关,也与其物理状态相关。状态参量理论很好地解释了砂土所处应力状态和物理状态对剪胀性的共同作用。空心扭剪三轴试验仪可以实现不同主应力方向的单调剪切试验。试验结果表明,当砂土以不同主应力方向单调剪切时,即使处于相同初始应力条件和物理状态,砂土也会表现出不同的剪胀性,说明了主应力方向也是决定砂土剪胀性的重要条件。本文通过分析试验中主应力方向对砂土剪胀性的影响,提出了一个含有主应力方向的状态参量,并建立了相应的剪胀方程。通过与试验数据的对比,验证了该方法的正确性和准确性。     

循环荷载下砂土的剪切硬化边界面本构模型

基于临界状态土力学框架,建立了一个适用于往返循环荷载作用的砂土边界面本构模型。采用无纯弹性域假设,认为受到反向荷载的瞬时土体就产生塑性变形,砂土的弹性区域退化为一个点。屈服面为倒子弹头型,由于砂土孔隙比与压力之间不存在惟一对应的关系,使得屈服面大小无法与体积应变直接耦合,故采用塑性偏应变而不是剑桥模型那种塑性体应变作为硬化参数。流动法则采用加入状态参数的修正的Rowe应力剪胀关系,体现了依赖状态的剪胀思想。屈服面大小的比值 反映了塑性模量的演化,并推导了 的表达式。只用1套参数,该模型就能合理地模拟砂土在不同密度和固结压力下循环荷载的应力-应变关系曲线。     

黏土的应力路径本构模型

根据黏土应力-应变曲线的特点及其应力路径的相关特性,将作者所建立的砂土应力路径本构模型扩展用于黏土,建立了黏土的应力路径本构模型,利用变换应力方法将SMP准则用于黏土的应力路径本构模型,使模型得到了合理的三维化。黏土的应力路径模型与修正剑桥模型相比,在双向加载A区和卸载D区二者完全相同;在单向加载B区和F区,两种模型均可计算塑性应变;特别是在C区和E区,黏土的应力路径模型可计算塑性应变,而修正剑桥模型的塑性应变为0。通过与修正剑桥模型比较和对藤森黏土试验结果的预测,反映了黏土应力路径本构模型描述黏土在不同应力路径条件下应力-应变特性的优越性。     

宏-细观结合的砂土单剪试验非共轴特性分析

针对传统本构理论无法描述土体单剪试验非共轴变形的不足,采用非共轴修正模型进行改进。模型基于材料状态相关临界状态理论,采用宏-细观结合的方法,将1个新的各向异性状态变量引入本构模型来描述砂土的各向异性。考虑细观组构张量和应力张量的几何关系的变化,模型可以描述砂土在主应力轴旋转条件下材料状态的变化,材料状态变化直接导致模型的硬化规律和剪胀性发生变化,因此,模型可以描述该条件下原生向异性对砂土变形的影响。引入非共轴理论对本构模型进行修正,建立了三维非共轴各向异性模型。单剪试验的加载条件会造成主应力轴相对土体沉积面发生旋转,修正模型不但能够描述砂土在主应力轴旋转条件下其原生各向异性对变形的影响,而且可以描述主应力轴旋转造成的应力诱发各向异性对土体变形的影响,因此,该模型能够对整个单剪试验的变形规律进行描述,而且物理意义清晰。通过铝棒堆积体和Toyoura砂单剪试验验证表明,非共轴修正各向异性模型能对单剪试验的整个变形过程进行较好的模拟。     

Bounding surface plasticity model for stress-strain and grain-crushing behaviors of rockfill materials

Crushing of grains can greatly influence the strength,dilatancy,and stress-strain relationship of rockfill materials.The critical state line(CSL)in the void ratio versus mean effective stress plane was extended to the breakage critical state plane(BCSP).A state void-ratio-pressure index that incorporated the effect of grain crushing was proposed according to the BCSP.Rowe’s stress-dilatancy equation was modified by adding the breakage voidratio-pressure index,which was also incorporated into the formulations of the bounding stress ratio and plastic modulus.A BCSP-based bounding surface plasticity model was proposed to describe the state-dependent stressstrain behaviors and the evolution of grain crushing during shearing process of rockfill materials,and was shown to sufficiently capture the breakage phenomenon.     

UH模型在有限元分析中的应用

由姚仰平等提出的超固结土统一硬化模型(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。通过改进,直线型的Hvorslev线由抛物线型的Hvorslev线代替,UH模型的参数与剑桥模型(Cam-clay模型)的参数相同。应用该模型,对三轴试验进行有限元模拟,分析了与应用Cam-clay模型所得应力应变关系曲线的异同点;针对刚性承压板试验,进行了地基承载力的三维有限元分析,比较了与应用Cam-clay模型和摩尔库仑模型(Mohr-Coulomb模型)等所得p-s曲线的不同,分析了地基中不同点处的应力-应变关系曲线,并与Boussinesq弹性理论计算的应力做了比较;进行了地基固结沉降数值分析,比较了孔压、沉降的变化规律,体现了UH模型的优越性。     

CASM: a unified state parameter model for clay and sand

The purpose of this paper is to present a simple, unified critical state constitutive model for both clay and sand. The model, called CASM (Clay And Sand Model), is formulated in terms of the state parameter that is defined as the vertical distance between current state (v, p′) and the critical state line in v–ln p′ space. The paper first shows that the standard Cam-clay models (i.e. the original and modified Cam-clay models) can be reformulated in terms of the state parameter. Although the standard Cam-clay models prove to be successful in modelling normally consolidated clays, it is well known that they cannot predict many important features of the behavior of sands and overconsolidated clays. By adopting a general stress ratio-state parameter relation to describe the state boundary surface of soils, it is shown that a simple, unified constitutive model (CASM) can be developed for both clay and sand. It is also demonstrated that the standard Cam-clay yield surfaces can be either recovered or approximated as special cases of the yield locus assumed in CASM. The main feature of the proposed model is that a single set of yield and plastic potential functions has been used to model the behaviour of clay and sand under both drained and undrained loading conditions. In addition, it is shown that the behaviour of overconsolidated clays can also be satisfactorily modelled. Simplicity is a major advantage of the present state parameter model, as only two new material constants need to be introduced when compared with the standard Cam-clay models. © 1998 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于广义位势理论的类剑桥模型

广义位势理论直接从数学原理出发建立本构模型,避开了传统塑性理论中塑性势函数等复杂概念,为研究岩土本构模型提供了新的思路。基于广义位势理论中土的应力空间多重势面模型,对剑桥模型“能量方程假设”的数学原理进行分析,从数学角度上建立了一个改进的剑桥模型（即类剑桥模型）,而修正剑桥模型等可作为其特例。利用不同应力路径下的试验数据对其合理性进行验证,并与剑桥模型进行对比分析。结果表明：类剑桥模型的参数确定方便、自由,计算结果与试验较一致,甚至优于修正剑桥模型;类剑桥模型所采用的数学原理更明确,且避免了确定塑性势函数和能量方程的困难及其所带来的误差,是一个具有较好实用价值的模型。     

岩土材料应力路径无关硬化参量的构成方法

在分析砂土试验结果的基础上,揭示了基本硬化内参量（塑性体积应变、塑性剪应变）变化的应力路径相关性,提出了应力路径无关硬化参量的一般表达式。并指出了塑性功硬化参量及其提出的黏土和砂土统一硬化参量均是所提一般表达式框架下的特例。还将该统一硬化参量直接和修正剑桥模型结合,并与试验结果对比,表现出描述剪胀特性的简单性和有效性。     

剪胀性砂土本构模型的研究

对于中密砂和密砂,剪胀现象是一个比较显著的特征,相变线是描述剪胀现象的一条特征线,它比较容易确定。因此,以相变线作为状态参考线,提出并定义了一种状态参量,在已有弹塑性模型基础上,将状态参量引入剪胀方程和塑性硬化模量表达式中,建立了一个新的考虑砂土剪胀性的本构模型。该模型尤其适合于中密砂和密砂,对于松砂则退化为原弹塑性模型。模型形式较简单,包含9个材料参数,且比较容易确定。数值模拟结果与试验数据吻合较好。     

剑桥模型可反映剪切变形的一种修正

由于剑桥模型不能很好地反映土的剪切变形,因此,在工程应用中不能够反映土的实际受力变形特征。对剑桥模型的这一缺点进行理论分析,指出产生此现象的原因,提出由剪应力和体应力引起的应变分量,分别采用不同的分配比例系数,基于这种思想并采用剪切试验结果对剑桥模型进行修正,给出了基于不同分配比例系数修正后的剑桥模型的应力-应变关系计算式。通过采用剪应力与轴向应变修正后的模型与剑桥模型的预测结果的对比,揭示了修正后的模型能够较好地反映剪切变形,同时模型含有可直接测定的4个独立的试验参数。