基于相似性原理超固结土不排水扩张半解析解

在实际工程中,土体往往因卸载、再加载等复杂应力路径而处于超固结状态,而现有的圆孔扩张问题的计算模型往往不能反映超固结土中剪胀、软化等一些特殊性质。为了解决这一问题,基于相似性原理和统一硬化（UH）模型,结合相关联的流动法则和大变形理论,采用相似求解技术求解了超固结土不排水扩张问题的半解析解答。通过理想化算例分析了圆孔扩张挤土产生的应力和孔压响应,并通过分析不同超固结比OCR的土体应力路径的变化规律,讨论了UH模型的适用性。结果表明：对于轻超固结土,空腔周围土体孔压在塑性区沿径向单调递减,随着OCR增大,塑性区内孔压分布呈现出“S”形的趋势,孔壁附近的孔压逐渐减小,孔壁周围甚至出现负孔压。随着OCR增大,压力?扩张曲线收敛变慢。在扩孔过程中正常固结土一直处于剪缩硬化阶段。而对于超固结土,土体则经历了临界状态→剪胀硬化阶段→临界（特征）状态→剪缩硬化阶段。该研究成果不仅丰富了相似求解技术的应用,而且为超固结土中桩基承载力、隧道围岩变形预测和原位测试参数等岩土工程问题的计算提供了理论依据。     

统一硬化模型与下加载面模型的理论关系

Hashiguchi下加载面本构模型是国际上具有较大影响力的超固结土本构模型之一。因此,选取该模型进行理论和构建方法分析,并与UH模型进行对比。对比结果表明,Hashiguchi下加载面模型通过定义单一的数学公式来拟合超固结土内变量的变化规律,从而得到了超固结土应力−应变关系的公式;而统一硬化（unified hardening,简称UH）模型掌握了超固结土体的强度特性,因而能够更准确、合理地描述超固结土的应力−应变关系。相较于Hashiguchi下加载面本构模型,UH模型在理论上更为先进。同时,两个模型的试验预测与试验数据的对比也验证了UH模型在数值计算上的正确性与优越性。     

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。     

胶结结构性土统一硬化模型

结构性土颗粒间的胶结使试样剪切破坏最终应力比高于相应重塑土,也限制了试样剪切时体积应变的自由发挥。在考虑结构垮塌为主的结构性土统一硬化(UH)模型基础上,将应力空间中静止的临界状态线扩展为动态的移动临界状态线。据此,通过建立新的屈服面方程并修正剪胀方程,将结构性土统一硬化(UH)模型扩展为胶结结构性土统一硬化(UH)模型。相对于原模型,新模型增加了1个模型参数,即初始胶结应力,反映土颗粒之间的初始胶结作用。通过4种结构性土试验数据与模型预测对照表明：所提模型能够较合理地描述结构性土等向压缩、常规三轴排水与不排水剪切等特性。     

粘土的双硬化模型

本文中建议了一个包含塑性体应变和偏应变两个硬化参数的封闭屈服面模型，可以同时应用于正常固结土和超固结土。该模型沿用了剑桥模型的参数测定方法，而大大拓展其适用范围。通过正常固结试样、超固结试样和应力路线转折条件下计算与试验曲线的对比，说明该模型有较广泛的适应性。     

结构性土UH模型

在描述重塑土的统一硬化模型（UH模型）基础上,以动态地移动正常固结线（MNCL）代替静态的正常固结线（NCL）作为参考线来确定参考应力,将土的结构性衰减体现在MNCL的演化中,从而把UH模型扩展为可考虑土结构性的结构性土UH模型。结构性土UH模型可以合理地并连续光滑地描述结构性土的等向压缩规律、应变硬化、应变软化、剪切体积收缩、剪切体积膨胀、不排水剪切减压软化以及结构性和密度耦合影响等力学特性。相比于UH模型,结构性土UH模型新增3个参数,分别用于描述结构性的程度、衰减速度、以及塑性流动规律。通过3种天然土的试验结果与模型预测对比验证了结构性土UH 模型的合理性。     

结构性土UH模型EI北大核心CSCD

在描述重塑土的统一硬化模型(UH模型)基础上,以动态地移动正常固结线(MNCL)代替静态的正常固结线(NCL)作为参考线来确定参考应力,将土的结构性衰减体现在MNCL的演化中,从而把UH模型扩展为可考虑土结构性的结构性土UH模型。结构性土UH模型可以合理地并连续光滑地描述结构性土的等向压缩规律、应变硬化、应变软化、剪切体积收缩、剪切体积膨胀、不排水剪切减压软化以及结构性和密度耦合影响等力学特性。相比于UH模型,结构性土UH模型新增3个参数,分别用于描述结构性的程度、衰减速度、以及塑性流动规律。通过3种天然土的试验结果与模型预测对比验证了结构性土UH模型的合理性。     

膨胀土临界状态强度特性及其模型拟合

针对蒙自地区膨胀土,进行了饱和重塑条件下的固结排水(CD)与固结不排水(CU)试验,系统研究了饱和土在不同固结围压3、初始干密度d、初始含水量0、剪切速率、排水条件下的应力应变特性。通过对临界状态试验结果的归一化处理,揭示了不同试验方法对同一土样抗剪强度量测差异的内在统一性,得到了重塑饱和膨胀土在固结排水与不排水条件下p'-q-空间内的破坏线。利用双曲线模型较好地拟合了弱硬化型应力应变曲线,用指数曲线模型拟合了弱软化型应力应变曲线,为模拟边坡在降雨条件下的抗剪强度变化及构筑物土体处于正常水位时的强度状态等工况提供了技术参数与理论支持。     

超固结土热黏弹塑性本构关系

热黏弹塑性本构模型是描述土在温度（热）和时间（黏）耦合作用下的应力-应变关系的本构模型。在一些新型岩土工程诸如高放核废料地质处置、地热资源开发与贮存的建设中,需要同时考虑温度和时间对土的影响,所以建立一个热黏弹塑性本构模型具有理论和实际意义。将温度变化对黏土体积和强度参数的影响引入笔者之前提出的超固结土等向应力-应变-时间关系,建立了一个等向应力条件下的应力-应变-时间-温度关系。随后,基于该关系推导了屈服面硬化定律,并将其与超固结土统一硬化模型的屈服方程和流动法则结合,建立了超固结土的热黏弹塑性本构模型。最后,使用新模型预测室内试验,证明新模型能够反映时间和温度对土体积、一维压缩曲线和前期固结压力的耦合影响。     

UH模型对粗颗粒土适用性验证及土石坝工程应用

对3种粗颗粒土进行了常规三轴CD试验、K0压缩试验和等应力比路径试验,根据三轴试验数据标定UH（unified hardening,统一硬化）模型的参数,然后模拟另外两种路径下的应力?应变关系,并与邓肯E-B模型进行比较。结果表明：UH模型能合理地描述不同应力路径下粗颗粒土的力学特性,而邓肯E-B模型的预测结果则较差,验证了UH模型对粗颗粒土的适用性。最后利用UH模型对某心墙堆石坝进行了应力变形三维有限元分析,并将计算结果与邓肯E-B模型及现场监测值进行比较。对比显示：在坝体变形和应力的定性分布规律上,UH模型的计算结果与邓肯E-B模型基本一致;而在定量上,UH模型得到的坝体变形总体上更接近现场监测值,验证了UH模型在土石坝工程中的适用性和合理性。     

Nonlinear Behaviour of an Embankment on Floating Stone Columns

This paper describes a benchmark problem for a floating stone columns supported embankment. In the 3D model, a thick soft subsoil deposit represented by Singapore marine clay was treated by floating stone columns to support a 2.0 m high embankment. The 3D numerical results were compared among different constitutive models such as the hardening soil model, soft soil model, modified Cam-clay model and Mohr-Coulomb model, highlighting the effect of non-linearity in the overall performance of the ground structure. The advanced constitutive soil models allow more realistic soil response to be investigated. From the numerical results, the Mohr-Coulomb model with elastic-perfectly plastic stress-strain response was able to give comparable total settlements but failed to demonstrate some intrinsic behaviours obtained with advanced soil models. These intrinsic behaviours include the mode of failure, displacements profile, stress transfer mechanism and rate of consolidation. This benchmark example has given us an improved understanding of the performance of floating stone columns when a more realistic soil behaviour is modelled.     

不同固结条件下黏土数值化建模的研究

研究了不同初始固结压力条件对黏土本构关系的影响。进行了2组不同固结条件下的排水压缩试验,即等压固结条件和K0固结条件。采用数值建模方法,以 和 为硬化参数的双屈服面模型为框架,通过对试验数据空间的反演获得两种不同初始条件下的黏土弹塑性本构关系,并在整个应力场 可视化。将该数值模型嵌入有限元程序对三轴压缩试验进行数值模拟,并与试验曲线及相同路径下的剑桥模型和Duncan-Chang模型关系曲线进行对比。结果表明,数值建模方法有较好的容错性,能很好地反映应力历史的影响,能模拟真实应力路径。     

Numerical analysis of the installation effects on the behaviour of soft clay improved by stone columns

This paper addresses the installation effects of stone columns in soft soils. Focus is made on the lateral expansion of stone material using the vibro displacement and substitution techniques by means of numerical simulations. The behaviour of reinforced soil after stone column installation is investigated to show how the properties of soft soils can be improved prior to final loading. The effect of such an improvement on the prediction of reinforced soil settlement is evaluated. The axisymmetric unit cell model (UCM) served for the comparison between numerical predictions made by the Mohr-Coulomb and hardening soil constitutive laws adopted for the soft soil. An equivalent group of end bearing columns model was investigated in the axisymmetric condition to predict the settlement of reinforced soil by adopting the Mohr-Coulomb constitutive model for soft clay. The reduction of settlements predicted by the unit cell and group of columns models, due the improvement of the Young’s modulus of soft clay, were compared. It is concluded that a significant reduction of settlement is expected when the group of columns model is considered.     

描述饱和黏性土应变软化的弹塑性双面模型

常规三轴压缩试验中具有较强结构性的黏性土在围压较低时其应力−应变关系会呈现应变软化现象,一般还伴有塑性变形,通常土体内部结构损伤是应变软化产生的主要原因。考虑到采用经典塑性理论描述材料的应变软化不仅会违背 Drucker 的稳定性假设,而且也不能描述卸载塑性。因此,基于修正剑桥模型及 Li 和 Meissner 提出的塑性硬化准则,建立了一个描述饱和黏性土不排水应变软化的弹塑性双面模型。该模型以应力−应变曲线的峰值点分界,将应变硬化和应变软化分别作为独立的加载事件进行分析,同时引入新的结构性参数表征剪切过程中土体结构损伤导致的塑性刚度衰退。对不同固结状态饱和结构性黏土的三轴固结不排水压缩试验结果的模拟表明,所建模型能够较好地描述饱和黏性土的不排水应变软化特性。     

基坑开挖数值分析中土体硬化模型参数的试验研究

土体硬化模型已成为基坑数值分析中最常用的本构模型之一,其应用的关键是计算参数的确定。首先采用薄壁取土器现场取得土样,通过基于GDS的三轴固结排水剪切试验、三轴固结排水卸载-再加载试验及标准固结试验获得了上海典型土层土体的三轴试验应力-应变曲线和固结试验荷载-应变关系曲线。然后根据曲线确定了各土层的HS模型参数,建立了各土层HS模型参数中切线模量 、割线模量 、加载模量 的比例关系,并探讨了这些模量与压缩模量 之间的比例关系。最后将各层的模型参数与模量间的比例关系与国内外其他软土地区的结果进行了比较。试验结果可作为上海地区及其他软土地区基坑工程数值分析中确定HS模型参数时的参考。     

吹填软土邓肯-张模型与应变硬化指数理论研究

天津滨海新区正在进行大规模吹填造陆工程,由于吹填土成分主要以细粒为主,固结不充分,工后沉降问题成为亟需解决的问题。通过吹填软土重塑样的三轴固结剪切试验,以试验所得的应力应变关系曲线为基础,比较研究了邓肯一张模型和应变硬化指数理论。结果表明：两种模型各有特点,邓肯张模型能够准确预测应力应变曲线的始末段,而应变硬化指数理论参数能够反映吹填重塑土的应变硬化能力。     

土体各向异性边界面模型隐式算法在ABAQUS软件中的实现

基于Wheeler土体各向异性旋转硬化法则,结合边界面理论,构造一个能够反映土体初始各向异性及加载后应力诱发各向异性的边界面本构模型,并借助ABAQUS软件提供的UMAT子程序接口,采用隐式积分算法--图形返回算法实现。通过对正常固结状态下（OCR=1）高岭土试样三轴不排水剪切试验进行模拟,并将模拟结果与ABAQUS自带的修正剑桥模型模拟结果进行了比较分析,表明本模型的模拟结果能够反映土体在偏压加载过程中产生的各向异性现象。在此基础上,采用本模型对中等超固结（OCR=4）高岭土试样三轴不排水剪切试验进行模拟,并再次与ABAQUS自带的修正剑桥模型模拟结果进行比较,表明本模型能够较好地反映中等超固结土在小应变情况下的非线性特性。相比于经典弹塑性模型,如修正剑桥模型,本模型的模拟结果更符合中等超固结土的变形特性。