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。     

非饱和土水-力本构模型及其隐式积分算法

在已有工作基础上建立了水力-力学耦合的非饱和土本构模型,在硬化方程中考虑饱和度的影响,同时在土水特征曲线中考虑了塑性体变的影响,从而使模型可以反映非饱和土中的毛细现象与土中弹塑性变形现象的耦合行为。采用隐式积分方法,建立了非饱和土耦合模型的数值模型,并推导了得到了水力-力学耦合的非饱和土的一致切线模量。利用该算法编制了本构模型计算的子程序,使其能向外输出切线刚度矩阵,用于有限元计算。为了验证该算法和程序的正确性,用所编制程序对不同路径下的土体行为进行了预测。通过预测结果与试验结果相对比,表明程序预测结果与试验数据相吻合,模型可以较好地模拟土体的水力-力学耦合行为特性。     

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。     

黄河大堤非饱和土的三轴试验研究

利用特制的非饱和土三轴仪器,模拟实际工程中土体的受力条件,对黄河大堤非饱和土在不同围压条件下的土水特性以及非饱和土的强度进行了试验研究。试验表明：非饱和土基质吸力随着土体周围压力的增大而减小,随着含水率的增大而减小;非饱和土的有效摩擦角 值受含水量的影响不大。但总凝聚力 受含水率的影响较大,含水率越小,基质吸力就越大,总凝聚力亦越大。根据试验结果,提出了非饱和土的抗剪强度的拟合模型,该模型参数易于确定,与实测结果：拟合误差较小,满足非饱和土的强度计算精度要求。     

非饱和土的蒸发效应与影响因素分析

采用非饱和土等温流和考虑热湿耦合的非等温流方程,结合不同的蒸发计算模型,分析了大气蒸发效应对非饱和土吸力变化的影响,并对控制蒸发量计算的多个参数进行了影响程度分析。结果表明,考虑实际蒸发量和非饱和土热湿耦合的水分运动公式能较好地模拟大气影响下非饱和土吸力变化状态,通常所采用的等温流方程加以潜在蒸发量计算非饱和土吸力变化会高估表层蒸发和吸力的下降程度。控制地面蒸发的主导因素是外部气象条件,尤其以太阳净辐射量和风速为最,土体自身特性参数影响程度有限。     

非饱和黏性土的电阻率特性及其试验研究

在讨论黏性土导电特性的基础上,假定非饱和黏性土中存在3种电流流通路径,针对已有的非饱和土电阻率结构模型存在的缺陷,推导了适用于非饱和黏性土的电阻率结构模型,探讨了土电阻率的主要影响因素,并将其归纳为3类。最后,通过对合肥膨胀土相关试验研究,分析了含水率、孔隙水电阻率、温度以及孔隙率对膨胀土的电阻率的影响特征,探讨了非饱和膨胀土的电阻率基本特性。     

非饱和土本构模型在预测地表沉降中的应用

地下水位降低将导致非饱和土体中净平均应力和基质吸力发生变化,从而引起土体体积变化。利用GDS非饱和土三轴仪,研究了重塑非饱和黏土在干燥过程中试样含水率变化和总体积变化。针对某一典型基坑,运用大型有限元软件ABAQUS模拟了井点降水而形成的二维饱和-非饱和稳态渗流。饱和土区域和非饱和土区域沉降变形有着本质的区别,基于试验和数值模拟结果,根据Fredlund非饱和土弹性体变本构模型和饱和土有效应力原理,分别估算了饱和土区和非饱和土区沉降变形量。结果表明,在总沉降量中非饱和土区的沉降量是不可忽略的。随着降水深度的增大,非饱和土区域沉降量在总沉降量中所占比例将逐渐增大。     

脱湿条件下黏性土吸力强度演化规律及其微观机理

含水率的增减变化是非饱和土强度改变的关键因素。开展室内脱湿条件下压试样的直剪试验结果表明,在土样脱湿条件下土体抗剪强度特性变化显著,低含水率下非饱和黏性土抗剪强度变化有明显峰值,展示应变软化特性,高含水率下展示应变强化特性。通过联系土–水特征关系(SWCC)及吸应力特征关系(SSCC)曲线建立的非饱和土抗剪强度模型,能够预测含水率变化下非饱和土的抗剪强度演化。基于实测数据开展的模型验证结果表明,所建模型利用测定的土–水特性和饱和土的抗剪强度参数,能够准确地确定脱湿过程中非饱和土的吸力强度,该模型的应用将极大地简化试验和节约测试时间。采用核磁共振(NMR)技术对脱湿过程中的剪切样开展了孔隙水分布的测试,从微观上解释了非饱和黏土抗剪强度随含水率改变的演化机理。     

非饱和土毛细滞回内变量模型的修正

土-水特征关系是基质吸力和含水率之间关系。在反复干湿循环路径下土-水特征曲线呈现出毛细滞回特性。基于毛细滞回内变量理论和传统的土-水特征关系经验模型,提出了能模拟在任意干湿循环路径下土-水特征关系的修正模型。该模型比原模型增加了一个可逆参数,考虑了含水率的可逆变化,使扫描线在靠近边界线的时候斜率不会无限大,同时保留了原模型精度。通过与文献中的试验结果进行比较,修正模型可以更好地模拟非饱和土的土-水特征关系的循环滞回特性,并讨论了可逆参数的确定方法。     

非极限状态非饱和土主动土压力试验及理论分析

目前土压力研究大都以极限状态下的土体为研究对象,且假定土体处于饱和或干燥状态,未考虑墙体位移与土体非饱和特性对土压力的影响,在实际工程的应用中有局限性。鉴于此,开展主动平动模式下墙后不同含水量砂土的刚性挡墙土压力室内模型试验,并采用渗压计和土压力盒分别量测不同深度处土中的基质吸力和土压力,以及利用DIC图像关联技术观察不同挡墙位移时的土体位移情况。试验结果表明,当墙后土体处于非极限状态时,土体破坏面始终通过墙踵,且其形态接近于平面;其次,在此基础上,结合非极限状态下墙土摩擦强度发挥特性和非饱和土强度准则,提出位移相关的非饱和土强度模型,并建立非极限状态下非饱和土主动土压力计算模型,以及与室内试验结果对比验证了该模型的合理性;最后,针对提出的计算方法探讨了墙体位移和土体基质吸力对主动土压力的影响。参数分析结果表明,非饱和土主动土压力随挡墙位移量的增大而逐渐减小,而随着基质吸力的增大呈现先减小再增加的趋势,且存在一极小土压力值,朗肯土压力值和Fredlund扩展朗肯土压力值分别为该模型在饱和与非饱和情况下位移达到极限状态时的特殊值。     

基于热力学并考虑体变及滞回效应的土-水特征曲线模型

基于热力学内变量理论,提出能综合考虑毛细滞回效应和非饱和土体积变形影响的土-水特征曲线模型。热力学第二定律推导结果表明：毛细滞回现象和塑性变形本质上是一种耗散行为;吸力和饱和度的变化不仅与流相变化直接相关,而且也受到固相体积变化的约束与影响;土-水特征曲线的流相体积变化与固相变形之间存在相互耦合作用。从微观上阐明滞回现象产生的机制以及变形对吸力的影响,建立了考虑体变及滞回效应的土-水特征曲线一般性模型。然后采用边界面塑性理论,在只增加两个新参数的情况下,建立了一个简化的能描述毛细滞回及塑性孔隙比变化影响的新模型。最后,利用已有试验数据对这一模型进行了验证,结果表明,新模型能考虑土体变形的影响,并能较为准确地描述毛细滞回现象,模型预测结果与已有的试验数据吻合较好。     

基于孔隙胀缩的土−水特征曲线滞后增量模型

土体孔隙比对土?水特征曲线（SWCC）具有重要影响。试验研究表明,土体在经历不同水力荷载路径后,孔隙发生胀缩致使SWCC产生滞后现象。基于这一发现,假设孔隙胀缩可致使SWCC曲线及扫描曲线产生滞后现象,并以轴平移技术为例解释了土体孔隙在水力载荷作用下胀缩的细观行为。在此基础上,将由变截面毛细管模型定义的孔隙等效半径与Fredlund-Xing方程相结合,通过将孔径控制参数?d简化为常量,推导得到了考虑孔隙胀缩并能反映滞后效应的非饱和土SWCC增量方程。该模型仅需通过主干燥及任意一条扫描曲线确定模型参数,即可预测其他扫描曲线。最后,通过5组试验数据验证了该模型对不同类型土的适用性且该模型具有预测高阶扫描曲线的能力。     

考虑变形影响的黄土土-水特征及其滞后效应

为了研究变形对非饱和黄土土-水特征和滞后效应的影响,通过先构建恒定吸力条件下土体含水率与孔隙比的关系,再引入吸力的影响,建立了一个能够考虑变形的三维土-水特征曲面模型,模型能够很好地描述不同初始孔隙比黄土吸脱湿过程中含水率随孔隙比和吸力的变化规律。为了证实所提出模型的可靠性,对压实黄土进行一系列吸脱湿过程的土-水特征试验。试验结果表明,恒定吸力条件下土体含水率与孔隙比成线性关系,验证了模型的理论假设。另外由模型可以确定恒定孔隙比状态的土-水特征,将其与试验结果对比发现,脱湿路径由吸力引起的变形对土-水特征影响较大,会使特征参数减小,并抑制滞后效应。     

大坝渗流基流的分析模型研究

深入研究了库水位等变化对渗流变化滞后效应,探讨了渗流的滞后模型,利用该模型进行优化分析,确定了渗流滞后天数和影响天数以及上游有效水深等参数;并借助于上游有效水深,将非稳定渗流计算问题转化为稳定渗流的求解问题,简化了计算;在此基础上,结合实测资料及渗流分析,建立了大坝渗流基流的分析模型。算例表明：建立的模型能较好地反映基流的变化性态。     

考虑循环温度驱动的土−水特征曲线滞后模型

在温度、水头等边界条件往复变化时,土体内的水分迁移过程会出现滞后效应。为了模拟非饱和土在经历温度循环时水力特性,提出了一个能够反映滞后效应的经验模型,该模型假定各扫面线的曲线形态与对应边界线相似,因此利用土−水特征曲线中两条边界线的方程,无需引入新的参数,即可得到任意状态出发的扫描线方程。以高岭土为介质,设计了循环温度驱动下的土柱试验,在不透水的土柱内,利用水浴加热的方式使土样一端进行升降温循环。试验结果表明,升温后孔隙水会从高温端向低温端迁移,温度降低到初始状态后,含水率的分布不会完全恢复到初始状态,而是表现出一定的滞后效应。利用该滞后模型进行数值计算,可以较好地反映试验过程中滞后效应对土体含水率变化的影响,并结合已有的砂土、粉土试验结果,验证了该模型的有效性。该模型计算方法简单,易于通过程序实现,可应用于地质处置、供热管道设计等工程问题。     

考虑滞后作用的地面沉降阿尔蒙分布预测模型

地面沉降相对于地下水水位变化具有滞后性。本文尝试建立了考虑滞后作用的地面沉降阿尔蒙分布滞后模型,并对收集到的沧州地区某时段内的地面沉降量进行了模拟预测,预测结果与灰色GM(1,1,)预测模型和神经网络预测模型的预测精度进行了对比。结果表明,阿尔蒙分布滞后模型的预测结果优良,预测精度相比较另两种方法均有提高,可以应用到地面沉降的预测问题中。     

复杂水力路径下非饱和流动的数值分析

多孔介质中的流动问题,与孔隙介质的特性,含水量状态以及含水量的变化历史密切相关。基于毛细循环滞回理论模型,考虑含水量变化历史对土水特征关系的影响,在开发的U-DYSAC2有限元程序中进行了相应的数值实施。在试验给定的初边值条件下进行了非饱和渗流模拟分析,并将模拟结果与实测数据比较,表明在压力边界条件反复变化下,考虑滞回效应能获得更接近实测的结果,证实该模型在模拟各种循环变化条件下非饱和土渗流初边值问题的适用性与必要性。对入渗重分布反复变化条件下非饱和土柱流动的数值模拟表明,考虑滞回与不考虑滞回条件下,含水量、孔隙水压力和湿峰的迁移的预测在入渗后的重分布过程差异较大。考虑滞回效应时,土柱上部的脱湿速率、下部的吸湿速率比不考虑滞回时要低。从而证实了非饱和多孔介质中的土水状态依赖于含水量变化,而且强烈依赖于土体的水力路径变化。因此,循环边界条件变化下,毛细滞回效应在非饱和渗流模拟中的影响显著,必须加以考虑。     

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