控制吸力循环荷载下非饱和黏性土的弹塑性双面模型

建立非饱和土在动态荷载作用下的本构模型有助于解决相关的工程问题。在塑性增量流动理论框架内,将BBM(BarcelonaBasicModel)模型与笔者提出的塑性硬化准则相结合,考虑控制吸力的循环荷载作用,建立了一个描述非饱和黏性土的弹塑性双面模型。该模型包含一个边界面和一个几何相似的加载面,二者结合记忆中心的概念,共同描述应力路径周期性改变加载方向时非饱和土的非线性、循环塑性和变形累积特性。采用动三轴剪切试验确定了一种非饱和粘质粉土的动态力学特性,分析了吸力、净围压和动应力幅值对循环塑性的影响。模型预测与非饱和土在静、动态加载下的试验结果的对比显示,二者吻合较好,表明所建弹塑性双面模型能够模拟非饱和土在控制吸力循环荷载作用下的力学行为。     

循环荷载下非饱和结构性黏土的弹塑性双面模型

非饱和黏土的结构性能够显著影响其力学特性。基于非饱和土经典模型BBM（Barcelona basic model）和一种可描述循环塑性的硬化法则,引入体积破损率的作为标准土体结构破损的参数,建立了一个描述常吸力下非饱和结构性黏土静态及动态力学特性的弹塑性双面模型。模型在应力空间中包含与重塑非饱和土屈服面几何相似的结构性边界面和加载面,采用径向映射法则和可移动的记忆中心原理,通过结构性边界面和加载面在应力空间中的演化来反映循环加载过程中非饱和结构性黏土的循环塑性特征和结构损伤过程。通过与相关非饱和黏土控制吸力试验数据的比较,表明该模型能够较好地反映静态加载下非饱和结构性黏土的力学特性,而模型预测的循环荷载下的应力?应变特征也具有一定的合理性。     

非饱和土毛细滞回与变形耦合弹塑性本构模型

在修正剑桥模型的基础上,提出了一个非饱和土毛细滞回与骨架变形耦合的弹塑性本构模型。该模型考虑了基质吸力与饱和度对屈服应力的影响,可以同时描述非饱和土的弹塑性变形特性与毛细循环滞回效应。根据塑性体变的产生使非饱和土进气值增大的特点,建立了变形对土-水特征曲线影响的数学描述。该模型有效地考虑了饱和度对前期屈服应力的作用,准确地反映了土体在不同土-水状态条件下（脱湿和吸湿过程）强度特性的变化,而且还可以有效地描述水力循环历史对土体变形的影响。通过与试验数据对比,证明了该模型能够模拟非饱和土的主要力学特性。     

考虑物态变化的粗粒土亚塑性本构模型

建立了可描述粗粒土单调和循环力学特性的一个亚塑性本构模型。基于亚塑性理论的基本框架,引入临界状态参数,建立了一个新的粗粒土亚塑性模型,给出了数学公式及参数确定方法。采用该模型对粗粒土单调和循环加载试验进行了模拟和预测。该模型无需判断加卸载、参数较少、易于三维化,能够较全面地描述单调和循环荷载作用下粗粒土的主要力学特性,如强度与围压的非线性关系,胀缩规律与围压相关、卸载体缩、体变随加载过程累积等主要体变特性等。     

川西崩坡积混合土循环荷载下非饱和动本构模型

在川西地区,由砂砾石与黏土颗粒构成的混合土路基经常会发生沉降变形问题。对于交通荷载作用下土体中的累积变形,可通过建立循环荷载作用下的动本构模型进行描述。在边界面弹塑性理论的框架内,综合考虑崩坡积混合土非饱和状态和细颗粒含量两大主要影响因素,结合能比较真实描述非饱和土体湿陷性能的LC(loading-collapse)屈服曲线,同时基于可移动映射中心的映射准则,采用经典的修正剑桥模型作为塑性势方程,构建了混合土的非饱和动本构模型,其参数可通过拟合或常规试验获得。通过与试验结果进行对比,该模型不仅可以较好地反映非饱和混合土在静载和循环荷载下的力学特性,而且能够真实地预测土体在加、卸载过程中的滞回特性。其结果可为川西混合土路基沉降变形预测提供理论依据。     

考虑毛细滞回效应的非饱和多孔介质渗流与变形耦合本构模型

在Wheeler本构模型框架的基础上,提出了一个水力与力学耦合的本构模型。该模型中的土-水特征曲线采用毛细滞回内变量模型,能够更好地描述水力历史变化下毛细滞回现象对非饱和多孔介质变形的影响,同时也可描述非饱和多孔介质变形对渗流的影响。非饱和土的强度不仅与吸力有关,而且受到饱和度的影响。相同的吸力下,土样经过吸湿和脱湿路径的饱和度不同,因此,非饱和土的强度也不同。此模型以体积含水率的塑性变化和体变的塑性变化为硬化参数,不仅能描述基质吸力对非饱和土的强化作用,而且考虑了饱和度对强度及变形的影响。试验结果与模型预测基本吻合,证明该模型能够模拟非饱和土的主要特性。为了简化,此模型是在各向同性荷载下推得的,有待于推广到一般的应力状态     

非饱和土的水力和力学特性及其弹塑性描述

简单回顾了非饱和土本构模型研究的发展历程,总结了近几年非饱和土弹塑性本构模型最新研究成果,重点介绍了能统一模拟非饱和土水力性状和力学性状耦合的弹塑性本构模型。通过对建立模型过程中的几个核心问题讨论,较详细地说明该类模型的结构、性能以及相关问题。非饱和土水力性状的滞回性用假定存在饱和度弹性区间的弹塑性过程来模拟;该类耦合模型不仅考虑了吸力对非饱和土水力性状和力学性状的影响,还考虑了饱和度对应力-应变关系和强度的影响以及土体变形对土-水特征曲线的影响。用同一套模型参数,耦合模型可统一预测在吸力控制或含水率控制下沿各种应力路径下非饱和土的水力-力学特性,并简单介绍了膨胀性非饱和土的弹塑性本构模型以及耦合模型在有限元数值计算中的应用。     

考虑细观结构演化的非饱和Q_3原状黄土弹塑性本构模型

Q_3原状黄土是典型的非饱和土,具有明显的结构性,其力学变形特征与结构性密切相关。建立黄土的本构模型有必要考虑加载和湿陷过程中结构演化特征,才能真实地反映原状黄土的固有特性。假设原状黄土的屈服应力是重塑黄土与结构性两者的耦合,基于细观结构演化规律,考虑吸力和结构性的影响,提出了一个非饱和Q_3原状黄土的弹塑性本构模型。模型包括土骨架变形与水量变化两个方面,土骨架变形方面以修正Barcelona非饱和土弹塑性模型为基础,引入通过CT三轴试验获得的Q_3原状黄土加载-湿陷过程中的结构演化方程,分别得到描述土骨架在加载和湿陷过程的本构模型,以突出加载和湿陷过程中结构性对变形的影响;水量变化方面则采用广义土-水特征曲线描述,以反映净平均应力和偏应力对持水性的影响。模型总计22个材料参数,均可由试验确定。通过对比若干试验数据与模型计算结果,初步验证了模型的合理性。建立的考虑结构性的弹塑性本构模型为深化认识黄土力学特性提供了可能,并为有效分析黄土地基湿陷变形提供了一定借鉴。     

非饱和上海软土水力和力学特性耦合弹塑性模拟

目前大多数非饱和土的弹塑性本构模型用非饱和击实土的试验结果进行验证,但现场其他类型的土,如沉积土经常有在非饱和状态下外部环境变化的情况。现有的非饱和土弹塑性模型是否适用于沉积土一类的现场土是需要研究的课题。进行非饱和上海第③层土的吸力控制排水排气三轴剪切试验,使用文中提出的能统一考虑非饱和土水力性状和力学性状的弹塑性本构模型,预测上述三轴试验结果,并与试验数据进行比较。比较结果显示,建立的本构模型能够很好地预测非饱和上海软土的水力和力学性质,说明该模型不仅可以适用击实土的预测,还能够很好地适用于其他类型非饱和土的水力和力学性质的模拟。     

非饱和土三轴压缩应力路径试验的数值模拟研究

应力路径对土的强度和变形性质具有重要影响。相对于饱和土而言,控制吸力条件下的非饱和土三轴压缩状态的应力路径研究更加复杂。随着非饱和土本构理论的不断发展,理论和试验研究结果表明,非饱和土弹塑性本构模型可以用来近似地描述非饱和土的强度和变形性质。因而,运用非饱和土弹塑性本构模型对控制吸力条件下的3种非饱和土三轴压缩应力路径试验进行数值模拟是一种有效的理论研究手段。采用Barcelona模型能够对此类试验进行较好的数值模拟,其研究结果表明,在控制吸力条件的三轴压缩状态下应力路径对非饱和土的强度和变形性质具有重要影响。     

基于统计损伤理论的非饱和土简易本构模型

外部荷载与基质吸力的耦合作用使得非饱和土本构关系的构建极为复杂。本文首先开展了非饱和土的加载试验及脱湿试验,分析了非饱和土在不同基质吸力与外部荷载作用下的破坏模式及破坏规律。在此基础上,引进统计损伤理论,假定非饱和土是由众多强度服从Weibull随机分布的微元体组成的组合体,同时为考虑外部荷载与基质吸力对非饱和土变形的影响,采用扩展莫尔-库伦准则模拟微元体的承载能力,建立了非饱和土统计损伤演化方程,进而导得非饱和土的统计损伤本构模型,并基于常规试验提出了其主要参数的确定方法。     

热-水-力耦合作用下非饱和土变形特性的弹塑性模拟

在已有的非饱和土水-力耦合模型基础上,耦合考虑温度影响,建立了一个热-水-力耦合作用下非饱和土弹塑性本构模型。该模型以土骨架平均应力、修正吸力和温度为应力状态变量,以土骨架应变、饱和度和熵为应变状态变量。通过引入与温度相关的屈服面(LY、TY)以及相应的硬化规律来考虑温度对土体变形的影响。利用建立的模型,对文献中不同吸力和温度条件下的等向压缩和三轴排水剪切试验进行预测,预测结果表明,该模型能够较好地定量描述热-水-力耦合作用下非饱和土的变形特性。     

循环荷载作用下饱和软黏土的损伤模型

基于各向同性弹塑性损伤和Prevost模型的基本理论,把弹塑性等向硬化、运动硬化和各向同性损伤结合起来,推导了循环荷载作用下不排水饱和软黏土的弹塑性动力损伤本构模型。由循环累积塑性偏应变建立损伤演化方程,以描述循环加载对软黏土结构的破坏作用,并通过对循环三轴试验的模拟验证了模型的有效性。结果表明,提出的模型能较好地描述饱和软黏土在循环荷载作用下的变形、孔压变化及模量损伤过程。     

循环荷载作用下饱和软土的各向异性边界面模型

在临界状态弹塑性力学的框架内,建立了可以考虑循环荷载作用下各向异性对饱和软土力学特性影响的边界面塑性模型。该模型采用非关联的流动法则,引入了反映土体各向异性的内变量,利用该内变量的初始值描述初始各向异性,采用一种理论更为严谨、模型参数确定更为恰当的旋转硬化法则描述循环加载过程中各向异性的演化,利用更新映射中心的径向映射法则和与塑性偏应变路径长度有关的塑性模量插值规律,保证模型能够模拟循环加载时应力-应变响应的非线性、滞回性、应变累积性等基本特性,解释了模型参数的物理意义和确定方法,特别是给出了一种合理确定描述土体初始各向异性状态变量方法。通过文献中等压固结和偏压固结饱和黏土的循环三轴试验结果与模型预测结果的对比验证了模型的合理性。     

吸力历史对非饱和土力学性质的影响

现在被广泛公认的由Fredlund提出的非饱和土力学的双参数理论,即净应力和吸力为非饱和土的应力状态变量,不能直接考虑吸力历史及其饱和度对非饱和土的应力-应变关系和强度的影响。非饱和土三轴试验结果表明,即使净应力和吸力相同的条件下,经过干-湿循环试样与未经过干-湿循环试样的应力比-应变关系和强度是不相同的。在其他条件相同时,经历过干-湿循环的试样比未经过干-湿循环试样的应力比-应变关系要高、强度大和体变小。经过干-湿循环试样的饱和度低而强度高,主要是由于经过先期较高的吸力,相当于受过较大的前期有效压力,使试样成为超固结土。更多不同吸力历史的对比试验有待于进一步研究,以便为非饱和土的水力-力学特性耦合弹塑性本构模型定量地表示上述非饱和土的性质提供基础性试验数据。     

以塑性功为硬化参数的Q2原状黄土弹塑性模拟

为了研究非饱和Q2原状黄土的力学特性,通过三轴压缩试验、各向等压试验和三轴试验卸载、再加载试验获得Q2原状黄土的力学参数,并结合弹塑性力学理论,推导出Q2原状黄土的屈服函数和以塑性功为硬化参数的硬化规律,采用相关联流动规则,建立非饱和Q2原状黄土弹塑性本构模型。通过模型计算与试验实测值比较,表明该模型基本上能反映Q2原状黄土的力学特性。     

基于广义塑性力学的土体次加载面循环塑性模型(Ⅰ): 理论与模型

简要地介绍了次加载面理论的基本思想、假设及其物理解释。在广义塑性力学的框架内，引入次加载面的思想，把常规的椭圆-抛物线双屈服面模型，扩展为次加载面循环塑性模型，以反映循环荷载作用下土体的曼辛效应与棘轮效应。模型能考虑塑性应变增量对应力增量的相关性，既能反映土体的循环加载特性，又能反映正常固结土和超固结土的单调加载特性。     

吸力路径对非饱和土力学性质的影响

基质吸力的存在使得土的工程性状变得十分复杂.非饱和土的力学性质,不仅受基质吸力及竖向荷载等应力状态的影响,吸力路径也起着不可忽视的作用.为了探讨不同吸力路径对非饱和土应力-应变关系和强度的影响,采用非饱和土直剪仪对不同吸力路径固结平衡的非饱和土样进行直剪试验,获得其固结量及应力-应变关系,得到了不同吸力路径对非饱和土抗剪强度的影响规律.试验结果表明:在相同的竖向荷载条件下,非饱和土的抗剪强度随着吸力的增加明显增大.在相同吸力及竖向荷载条件下,经历过较高吸力历史的试样固结量和前期剪切强度明显增大.     

非饱和黏土动力特性及等价黏弹性模型的试验研究

针对非饱和重塑黏土,利用改进的非饱和土静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,在固结排水（CD）条件下进行了应力控制式分级加载的循环三轴试验,通过对试验结果的对比分析,探讨了初始固结压力和基质吸力(孔隙气压力Ua与孔隙水压力Uw之差)对非饱和土动应力-动应变关系特性的影响。以此为基础,将Hardin-Drnerich等价黏弹性模型和Masing加卸载准则进行了改进,并得到了可以考虑基质吸力的非饱和黏土的等价黏弹性模型。进而对试验数据与模型预测结果进行比较,结果表明这种改进的非饱和土等价黏弹性模型能较好预测各种基质吸力下非饱和土的动应力-动应变关系。     

一个统一描述饱和-非饱和土温度效应的热–弹塑性本构模型

地热资源开发与利用及核废料地质处理等诸多岩土工程问题,都需要考虑温度对饱和土和非饱和土应力应变特性的影响。为了综合反映温度和吸力对土的先期固结压力的影响,首先提出了不同温度下土的先期固结压力的表达式。然后将此表达式与黏土–砂土统一状态参数模型屈服面相结合,考虑了温度和吸力对正常固结线及临界状态线的影响,提出了一个统一描述饱和–非饱和土温度效应的热–弹塑性本构模型。该模型分为饱和段（吸力小于某一温度下的进气值或排气值）与非饱和段（吸力大于某一温度下的进气值或排气值）。模型预测与试验数据的对比表明,该模型能够较好地定量描述不同温度下饱和土和非饱和土的应力、应变特性。