地基沉降大变形计算方法的关键问题研究

针对大、小变形法地基沉降量结果的差异问题,从大变形应力和应变度量、本构关系以及本构参数等概念的角度进行探讨。在连续介质力学有关原理基础上,先后研究了基于Green应变、Almansi应变和自然应变的地基大变形沉降量计算式。基于欧拉应力--Almansi应变对、欧拉应力--自然应变对的大变形法压缩本构关系整理方法,以及大、小变形法切线体积压缩系数之间的转换方法等。理论分析和算例分析结果表明,遵循该转换关系的条件下,同一问题所得的大、小变形法最终沉降量结果是相同的,忽略该转换关系将导致大变形法沉降量计算结果偏大或偏小于小变形法的结果,这也为合理确定大变形法本构参数提供新的参考。     

考虑孔隙变形的孔隙介质本构关系初探

孔隙存在是孔隙介质材料结构的本质特征,它决定了孔隙介质的本构关系呈现更为复杂的性质。首先给出了孔隙介质的视应力、视应变、骨架实际应力和骨架实际应变的定义,并在理想孔隙介质的物质模型假定下讨论了理想孔隙介质的本构关系,表明即使孔隙介质的骨架结构满足虎克弹性体本构关系的假定,即假定骨架的实际应力与实际应变之间呈现线性关系,但由于孔隙的存在,孔隙介质的视应力与视应变之间还是呈现非线性,说明应力与变形之间的非线性是孔隙介质的固有特性。     

细颗粒流失对砂砾石土本构关系的影响研究

采用悬挂式防渗墙的坝基砂砾石土中可能发生潜蚀(suffusion)侵蚀而流失细颗粒,导致土体的强度和变形模量降低,从而对坝基防渗墙及上部坝体造成不利影响。定量描述细颗粒流失量对砂砾石土应力-应变关系影响的模型是定量评估这种影响的基础之一。提出了研究这种本构模型的试验方案,进行了三轴和侧限压缩试验研究了颗粒流失量对应力-应变关系的影响。颗粒流失未改变土体的应力-应变特性,但降低了土体的强度和变形模量。通过建立模型参数与流失量的关系,可以用同一个本构模型描述流失量时空变化的砂砾石土本构关系。基于邓肯E-B模型,建立了模型参数与颗粒流失量之间的定量关系表达式,从而实现了颗粒流失对应力-应变关系影响的定量描述方法。     

压实黄土变形特性

黄土路基填料的变形特性直接关系到路基沉降和路基边坡坡度的选取,是黄土地基工程、边坡工程和洞室工程设计计算的重要参数。基于一维室内固结试验,分析了压实黄土变形特性。引入压缩变形系数,分析了压实黄土的物理指标（含水量、压实度）与变形指标（压缩变形系数、压缩系数）的关系,采用应变法来表达压缩变形曲线结果;引入非线性应力、应变关系的割线模量,研究了压实黄土的加荷本构模型和增（减）湿本构模型。结果表明：压实黄土的物理指标对其变形特性影响较大,压实黄土的应力-应变关系可以用幂函数 的形式来表达,提出了压实黄土的加荷本构模型和增（减）湿本构模型,该模型具有较高的可靠性,为研究黄土路基沉降特性提供了有力依据。     

基于硬化参量的盐岩蠕变疲劳本构模型

盐岩具有较好的蠕变特性和损伤自恢复性,被公认为储能或油气储备的理想介质。对盐岩复杂力学行为进行准确表征和预测是保障盐穴地下空间利用工程安全性的基础。通过定义硬化参量等特征因子,建立了新的能够考虑复杂加卸载路径的盐岩蠕变疲劳本构模型。基于盐岩变形位错机制,引入双曲线阻尼元件,作为表征岩石硬化程度的状态变量;通过硬化参量的演化,考虑加卸载历史对盐岩变形行为的影响。借鉴经典Norton模型的应力-应变关系建立蠕变疲劳本构的基本框架关系。通过引入裂隙扩展因子,假设初始形核长度,考虑材料的断裂韧度,修正邻近破坏阶段(加速变形阶段)的应力-应变关系。该模型能够很好地预测常规蠕变、循环加卸载、下限间隔循环加卸载、梯形波蠕变循环加卸载等常见复杂加卸载路径下的塑性变形特征,且能够较好地表征恒荷载蠕变与循环加卸载之间的相互影响。新的蠕变疲劳本构模型中大部分参数具有较为明确物理意义,参数a表征盐岩稳态变形阶段应力与变形率的关系因子,参数b为确定盐岩第一阶段减速变形阶段的关系因子,参数d₀和μ_d分别表示初始裂纹形核量和裂隙扩展速率因子,共同修正模型临界破坏阶段的应力...     

考虑结构性影响的原状黄土本构关系

将三轴应力条件下同一应变的原状黄土主应力差与扰动饱和黄土主应力差之比定义了一个定量化结构性参数 ,它综合反映了土的排列和胶结特征所表现出的综合结构势。结构性参数的变化量与轴应变关系可以用双曲线来拟合,由此所得到的结构性参数表达式可以反映围压、湿度、密度、应力和应变对结构性的影响。结构性参数对不同含水率下原状黄土的应力-应变曲线有很好的归一化作用,归一化后的结构性应力-应变曲线可用符合邓肯-张模型的扰动饱和土应力-应变关系来描述。在扰动饱和土本构关系中引入结构性参数所得到的原状黄土本构关系能够考虑原状黄土结构性的影响,且可以描述软化型和硬化型的应力-应变关系,计算结果与试验结果之间吻合较好。     

单轴拉伸条件下岩石本构理论研究

利用损伤力学理论研究了细观非均匀性岩石拉伸应力应变关系,包括:线弹性阶段、非线性强化阶段、应力降阶段、应变软化阶段。所用的模型分析了岩石的细观各向异性对全过程应力应变关系的影响,分析了产生应力跌落和应变软化的主要原因是损伤和变形局部化,将损伤和变形局部化引入本构模型是和以往模型的重要区别。通过与实验成果对比分析验证了模型的正确性和有效性。     

沉积泥砂非线性大变形固结沉降计算模型

沉积形成的水底黏性泥砂自重固结过程表现出显著非线性大变形固结特征,应采用大变形固结理论进行泥砂沉积固结计算。基于软黏土一维非线性大应变固结理论,应用有效应力、渗透系数与孔隙比间扩展幂次函数固结本构关系,由达西定律、有效应力原理、连续介质方程等建立大变形固结控制方程,根据固结单元孔隙水渗流、单元变形与泥砂沉积层固结沉降耦合关系形成黏性泥砂大变形自重固结数值模型。泥砂自重作为固结荷载,数值模型假定沉积泥砂各向同性且固结沉降应变、孔隙水渗流仅发生于竖直方向,为一维单向沉积固结过程;采用泥砂沉降柱试验确定泥砂非线性扩展幂次函数关系参数。模型应用中,划分竖向固结单元,由沉积泥砂固结本构关系确定各固结单元有效应力及超孔隙水应力,通过超孔隙水应力时间维度上的消散过程及各固结参数间的耦合关系计算泥砂固结沉降。数值模型计算结果表明,沉积黏性泥砂自重固结初期表现为有效应力调整过程,初始有效应力与孔隙比根据固结本构关系匹配调整为扩展幂次函数关系;沉积泥砂应变与应力固结度存在20%左右误差,泥砂固结沉降发展快于超孔隙水应力消散过程,证明沉积泥砂固结沉降变形的发展与超孔隙水应力消散并非同步耦合。计算模型应用于室内沉降柱试验模拟淤积黏性泥砂自重固结沉降预测中,模型输出与试验结果符合良好。     

岩石损伤软化统计本构模型及参数确定方法的新探讨

基于现有岩石损伤软化统计本构模型研究,通过探讨岩石损伤软化统计本构模型参数与岩石应力-应变全程曲线特征参数即峰值应力与应变的关系,建立起特定围压下模型参数与围压的解析表达式。引进岩石Mohr-Coulomb强度准则,建立不同围压下岩石应力-应变全程曲线峰值应力与围压之间的关系,再通过探讨不同岩石应力-应变全程曲线峰值应变与围压的关系,导出了具有普遍意义的不同围压下岩石峰值应变计算公式,从而建立岩石损伤软化统计本构模型参数确定的新方法,由此得到能够模拟不同围压下岩石应变软化全过程的统一损伤软化统计本构模型。该模型较同类模型具有参数少和易于确定等特点,理论计算和实测结果比较分析表明了该方法与模型的合理性。     

粉质黏土卸荷变形特性试验研究

依托武汉长江隧道江北明挖段基坑工程,开展了一系列的K0固结状态下原状粉质黏土卸荷应力路径排水剪三轴试验,并对卸荷变形特性进行了深入分析。分析表明：卸荷应力路径下原状粉质黏土的应力-应变关系与应力路径有着密切的关系,近似呈双曲线型。根据应力-应变曲线表现,可将卸荷应力路径分为A、B两组,A组应力路径试样表现为轴向压缩;B组应力路径试样表现为轴向伸长。卸荷应力路径下粉质黏土的应力-应变关系具有良好的归一化特性,同一应力路径下不同固结压力的应力-应变曲线可采用双曲线函数用平均固结压力归一化,但A、B两组应力路径下的归一化方程有所差别。给出了各种应力路径下的归一化方程,可为卸荷土体的变形参数及本构关系研究提供参考。     

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。     

基于不同客观本构关系的路基大变形固结分析

针对路基大变形固结分析中常用的Jaumann率型本构关系不能考虑邻域变形之影响的缺点,将Truesdell率型本构关系引入到大变形固结理论。采用虚功原理和Galerkin加权残值法,推导了基于不同客观本构关系的大变形固结有限元方程。编制相应的平面应变有限元程序对路基大变形固结性状进行分析,主要讨论了Truesdell率型、Jaumann率型、简化Jaumann率型等3种大变形本构关系对路基固结性状的影响。算例分析结果表明：基于常用的Jaumann率型本构关系的大变形固结分析得到的路基沉降量、侧向位移和孔压等均偏大于基于Truesdell率型本构关系时的相应结果。小变形本构矩阵不能反映客观性要求,将导致计算结果产生较大偏差。对常见问题而言,Jaumann率型和Truesdell率型本构关系对计算结果的影响并不很大,传统分析方法在变形较小时仍具有较高精度。     

Method of Numerical Modeling for Constitutive Relations of Clay

INTRODUCTIONThe mechanical responses of soils are more com-plicated compared with metals.By comparing thephysical and mechanical properties of the metals withsoils,Lade(1988)found that there are17differentpoints between the metals and soils,which differfrom metals inthree basic mechanical characteristics:pressure sensitivity,dilatancy,and dependence ofstress path.Wang(2004)proposed a principle of theinteraction between plastic volume and shear strains,that is,there are two relatively inde…     

Revisiting the existence of an effective stress for wet granular soils with micromechanics

A possible effective stress variable for wet granular materials is numerically investigated based on an adapted discrete element method (DEM) model for an ideal three‐phase system. The DEM simulations consider granular materials made of nearly monodisperse spherical particles, in the pendular regime with the pore fluid mixture consisting of distinct water menisci bridging particle pairs. The contact force‐related stress contribution to the total stresses is isolated and tested as the effective stress candidate for dense or loose systems. It is first recalled that this contact stress tensor is indeed an adequate effective stress that describes stress limit states of wet samples with the same Mohr‐Coulomb criterion associated with their dry counterparts. As for constitutive relationships, it is demonstrated that the contact stress tensor used in conjunction with dry constitutive relations does describe the strains of wet samples during an initial strain regime but not beyond. Outside this so‐called quasi‐static strain regime, whose extent is much greater for dense than loose materials, dramatic changes in the contact network prevent macroscale contact stress‐strain relationships to apply in the same manner to dry and unsaturated conditions. The presented numerical results also reveal unexpected constitutive bifurcations for the loose material, related to stick‐slip macrobehavior.     

基于图像测量技术的非饱和黄土固结变形试验研究

为了研究非饱和重塑黄土在三轴试验条件下的湿陷变形,利用自主研发的三轴试验土样变形数字图像测量系统,对其在均等围压下的三轴固结变形进行了初步研究。研究了非饱和黄土固结变形过程中轴向应变、径向应变、体积应变和时间之间的关系以及体积应变和压力之间的关系,并对比了单轴压缩试验和三轴压缩试验中体积应变和压力的关系。试验研究表明,在含水率一定的条件下轴向应变、径向应变和体积应变与时间的关系可以用双曲线模式表达,其表征最终变形量的参数依赖于均等固结压力。     

Numerical Method for Modeling the Constitutive Relationship of Sand under Different Stress Paths

Overonehundredconstitutivemodelsforsand havebeenproposed,howeveronlyafewmodelsare widelyappliedinengineering.Therearetwochief reasonsforthis.(1)Sandiscomposedofgeological materialsandsituatedinaneutralenvironmentthat hassufferedvariousactions.Therefore,itisdifficult todescribethecomplexbehaviorofsoilsbyusinga simplemathematicalmodelwithonlyafewparame ters.(2)Therealsoexistsabasicparadoxintradi tionalmodelingmethods.Oneaspectofthemodelsis neededtodescribetheconstitutiverelationofsoilac curatel…     

非饱和黏性土的应力-应变关系研究

为了绕过吸力这一复杂的变量建立尽量简便实用的非饱和土本构模型,在双曲线模型的基础上将含水率引入硬化参数中。提出在试验前让土样恢复到原始应力状态下的理论,并依据该理论对三轴试验方法进行改进。为了很好的研究各个含水率下原状土的应力-应变关系,利用重塑土实现原状土的模拟。试验结果表明：重塑非饱和黏性土的应力-应变关系基本符合Kondner提出的双曲线模型。在研究双曲线模型中的参数a和b的规律性的基础上,建立了100、150、200与250 kPa 4种围压状态下参数a和b与含水率的函数关系,并实现了对补做的一组含水率为24.52 %的应力-应变关系的预测。通过实测数据与预测结果对比,发现预测误差比较小,能达到较好的预测效果。     

青藏冻结粉土与混凝土基础接触面本构关系研究

土冻结过程中,冰胶结作用使周围土体颗粒与建（构）筑物基础联成一体,这种胶结力称为土与基础间的冻结强度,通常采用冻土沿物体（例如基础材料）表面的剪切强度来度量。因而,冻土与基础接触面的应力-应变关系及其强度特征是确定冻土区基础工程承载力、抗拔性能和分析构筑物与冻土相互作用的基础和关键。为了更好地服务于工程实际,通过大量的冻结粉土与混凝土基础接触面剪切试验,总结了冻土接触面的基本力学特征和受力变形规律。根据获取的剪应力-位移曲线和冻结粉土接触面强度变化规律,利用标准本构模型建模方法,建立了冻结粉土接触面应力-位移-温度本构方程。该模型可以较好地描述不同温度冻结粉土接触面应力-位移变化规律,并为冻土区构筑物受力和变形数值计算提供基础。     

红粘土动本构关系与动模量衰减模型

针对高速交通循环荷载下红粘土路堑基床的动力稳定性问题,基于大量室内动三轴试验,研究了不同试验条件下原状结构红粘土动本构关系及动模量衰减规律。试验成果表明:原状结构红粘土动本构关系仍可用R.L.Kondner双曲线模型描述;动模量随动应变的增大非线性减小,具有明显的应变软化特征。围压、固结比、含水比对红粘土动本构特征及动模量衰减规律均有明显影响。不考虑其它因素,随围压或固结比的增大,动本构曲线逐渐偏向应力轴,随含水比的增大,动本构曲线逐渐偏离应力轴。同等条件下,动模量随围压、固结比的增大而增大,随含水比的增大而减小。基于回归分析,给出了不同试验条件下原状结构红粘土双曲线模型参数、动模量衰减经验公式及其拟合参数。     

Liquefaction Analysis Using Viscoplastic Kinematic Hardening Constitutive Model

The dynamic response analysis combined with the generalized return-mapping algorithm is applied to the integration algorithms of viscoplastic constitutive relations including the effect of the shear band. The kinematic hardening model based on modified and extended soil model with isotropic strain-hardening–softening is employed. In this paper, the TESRA (temporary effect of strain rate and acceleration) model is employed for the nonlinear viscosity of sand. The constitutive equations of rate-dependent plasticity originally proposed by Duvaut–Lions are employed as the base of the solutions. Liquefaction of a buried pipe is analyzed by finite element method by employing the above mentioned constitutive relations and the calculated results are compared with experimental results. The dynamic response analysis is applied to the solutions of the problems. The kinematic hardening–softening viscoplastic constitutive relations for geomaterials are promising for the predictions of cumulative deformations and liquefaction of the buried pipe. A great deal of experimental results indicate that the stress is a unique function of irreversible strain and its rate.