基于广义位势理论的土的数值弹塑性模型及其初步应用研究

广义位势理论从数学角度出发建立土的本构模型,可克服传统本构理论的不足,而又同时包含了传统理论作为其特例,从而为土的本构模型研究提供新的和适用性更广的理论。以广义虎克定律为基础的邓肯-张模型以其简单方便、参数确定容易且有明确的物理意义而得到广泛的应用,而其最大缺点则是不能反映土的剪胀性;此外,邓肯-张模型采用双曲线函数拟合试验曲线也有一定的局限性。为保留其参数确定简便的优点,并弥补其不足,基于广义位势理论建立了数值弹塑性模型。该模型保留了邓肯-张模型在参数确定方面的简单性,同时由于采用了广义位势理论来建模,不再受广义虎克定律的限制,因而可弥补邓肯-张模型在反映土体剪胀性方面的缺陷。此外,该模型采用数值手段来表示试验曲线的建模方法,可以克服邓肯-张模型采用双曲线函数表示试验曲线方法的局限性,具有更为广泛的适应性。通过对一碎石桩复合土体三轴试验结果的数值模拟表明：基于广义位势理论的数值弹塑性模型计算与试验结果吻合良好,且在反映碎石的剪胀特性方面优于邓肯-张模型,从而初步证明了该模型的合理性及优越性。     

武汉黏土Duncan本构模型参数研究

通过常规三轴压缩排水试验,确定了武汉正常固结黏土的Duncan Et-?t模型、Et-Bt模型及常值?t模型参数;通过三轴试样的有限元变形分析,验证了模型参数的合理性与有效性,为武汉地区Duncan本构模型的应用提供了参考。针对Duncan Et-?t模型基于?1-?3曲线为双曲线关系假设,而实际试验曲线常常偏离理想的双曲线关系,造成?t参数拟合的困难,提出利用通过应力水平为70 %与95 %对应点的直线拟合?3 /?1与?3之间线性关系从而确定?t模型参数的改进方法,并将该模型参数用于三轴试样的体积变形预测,经与Duncan Et-Bt、Duncan Et和常值?t模型参数预测结果的对比,发现该方法与试验结果有更好的一致性,并具有简单方便的优点。     

考虑土体剪胀性和应变软化性的K-G模型

在三轴试验中密实无粘性土具有剪胀性和应变软化性,广泛应用于工程计算的非线性弹性邓肯-张模型、常规的非线性弹性K-G模型等都不能反映土体的这些性质。根据紫坪铺面板堆石坝筑坝料的大量三轴试验研究,分析密实无粘性土的剪胀性和应变软化性,提出了考虑这种剪胀性和应变软化性的K-G模型和模型参数的求取方法;通过预测曲线与试验曲线对比说明模型的合理性。模型适应多种应力路径,参数可方便地求取,可以在有限元应力-应变分析中推广运用。     

真三轴应力条件下修正邓肯-张模型的试验研究

邓肯-张非线性模型已经被广泛的应用于工程实践的应力-应变数值分析中。考虑轴对称应力条件下邓肯-张模型应用于复杂应力时存在的不足,依据原状土的真三轴试验数据对邓肯-张模型预测结果与实测结果进行比较,论证了复杂应力条件下邓肯-张模型的适用性。通过考虑真三轴试验应力条件下中主应力对大主应变的影响,邓肯-张E-B模型大主应变叠加中、小主应力差作用产生的变形,提出了不同中主应力比的邓肯-张E-B模型参数确定方法,建立了复杂应力路径条件下修正的邓肯-张E-B模型。经与西安原状土真三轴试验结果进行比较,验证了修正邓肯-张E-B模型的正确性,为邓肯-张模型在复杂应力条件下的应用提供了途径。     

堆石料Gudehus-Bauer亚塑性本构模型改进及参数确定方法

研究了Gudehus-Bauer亚塑性本构模型和模型参数的求取方法。采用侧限压缩试验曲线求取模型参数颗粒硬度hs和指数n。根据模型方程的推导,建立了拟合指数 和 与围压之间的关系,并提出了新的拟合参数。考虑到堆石料具有明显的剪胀、剪缩性,在Gudehus-Bauer模型线性项中增加了主要控制体积应变项 ,以改善模型对堆石料体积应变曲线的描述。采用堆石料大型侧限压缩试验、常规三轴试验分别验证了新的拟合参数和改进后的Gudehus-Bauer亚塑性本构模型。与堆石料试验成果比较,提出的新拟合参数与改进后的Gudehus-Bauer亚塑性本构模型可以较好地模拟堆石料的应力-应变特性,并较好地改善了堆石料体变曲线的模拟结果。对改进后的模型作了常规三轴加、卸载模拟,模拟结果反映了改进的Gudehus-Bauer亚塑性本构模型具有一定的卸载适应性。     

堆石料应力-应变关系的拟合方法研究

堆石料大量的大型三轴剪切试验结果表明,其轴向应变与径向应变关系并不完全符合双曲线关系,而是可以分成两段,依次用双曲线关系和直线关系来拟合,提出了一个计算两段关系拐点处径向应变的公式,对Duncan-Chang模型中泊松比的计算进行了修正。根据堆石料应力-应变关系试验结果,提出了一个用8参数拟合其应力-应变关系和体变关系的拟合方法,并将通过此方法得到的计算结果与试验结果进行对比,验证了拟合方法的精度。     

应力路径对软土应力-应变特性影响试验研究

采用应力-应变控制式三轴仪对福州市区某基坑影响范围内典型饱和软土进行了一系列应力路径试验,以研究受基坑开挖和支护结构作用影响的土体卸、加载应力-应变特征。对室内正常固结和相同围压K0固结的试样剪切试验结果进行了比较,表明二者在变形和强度上均存在较大差异。基于K0固结剪切试验结果,求出了邓肯-张模型参数,提出了该模型各参数的验证方法。同时,与室内正常固结试验确定的模型参数进行了对比,说明部分参数之间存在着较大差异,也决定了二者应力-应变关系上的差异,建议以K0固结试样进行三轴加、卸载试验确定邓肯-张模型参数,以满足该模型在基坑工程数值模拟分析中的需要。试验得到的典型软土的邓肯-张模型参数,可供福州市区或相似地层条件下基坑工程数值模拟时参考     

不同围压下两种沥青混凝土成型试样三轴试验研究

为研究制样方法和围压对沥青混凝土力学特性的影响,进行了沥青混凝土试件的2种制样方法、4组不同围压下静三轴试验。试验结果表明:围压越高,沥青混凝土破坏强度越高,剪胀程度越小。相较于室内模拟钻芯试样,击实成型试样三轴试验应力-应变曲线的峰值强度更高,初始切线模量更大,剪胀现象更加明显;通过邓肯-张模型对试验曲线进行拟合,发现邓肯-张模型对沥青混凝土应力-应变的拟合效果并不好;邓肯-张模型不能模拟沥青混凝土的软化和剪胀现象。     

考虑基质吸力的非饱和土邓肯-张统计损伤修正模型

为反映非饱和地基土变形全过程,以某基础工程非饱和土为研究对象,开展固结排水三轴压缩试验。研究发现,非饱和土的偏应力-应变曲线形态近似双曲线,基质吸力对土体力学行为影响十分明显,基质吸力越大,土体偏应力越高。根据非饱和土变形特性及工程特点,选取邓肯-张双曲线模型作为基础模型,引入统计损伤理论,假设非饱和土微元强度服从Weibull概率密度分布,建立邓肯-张统计损伤模型。通过搭建初始切线模量与基质吸力的联系,建立一种新的考虑基质吸力的非饱和土邓肯-张统计损伤模型。给出参数解析方法,得到Weibull分布参数经验表达式,从而修正模型。分析不同基质吸力条件下非饱和土损伤累积规律,采用所建模型和传统邓肯-张模型对比验证非饱和土偏应力-应变试验曲线,证明所建模型的可行性和合理性。研究成果为非饱和土的力学特性研究及辨识模拟提供一定参考。     

流变物质对软土流变参数影响的蠕变试验

流变性是软土的一种长期变形特性,对软土地基的沉降产生重要影响。现有研究表明,软土中高黏性的流变物质是产生其流变特性的主要物质因素,当流变物质分布具有一定均匀性时其流变特性与流变物质的分布形态无关,仅与流变物质本身性质和含量比例相关。通过蠕变试验研究了流变物质对软土流变参数的影响,视强亲水性的膨润土微小颗粒为具有高黏性的流变物质,均匀地把其掺入到人工土试样中进行一维压缩蠕变试验,引入基于邓肯非线性弹性的流变元件模型对蠕变试验曲线进行拟合分析,根据流变物质含量确定流变模型参数的变化规律,建立了模型等效黏滞系数、等效弹性模量和邓肯非线性弹性模量与膨润土（流变物质）含量的关系。模型拟合分析发现,基于邓肯非线性弹性的软土流变元件模型与试验结果具有良好一致性,模型参数与流变物质含量之间关系为双曲线方程。     

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。     

免疫遗传算法在土石坝筑坝粗粒料本构模型参数反演中的应用研究

建立了确定筑坝粗粒料本构模型参数的有限元计算理论与IGA相结合的反演分析方法,利用公伯峡筑坝现场大型载荷试验资料,对筑坝原级配料的本构模型参数进行了反演研究。结果表明,由于在微弱风化花岗岩掺加云母片岩,颗粒破碎严重,爆破堆石料（3BⅠ）的原级配粗粒料反演参数远低于室内三轴试验成果;与3BⅠ堆石料相反,砂砾料（3BⅡ）现场反演得到的邓肯E~B模型参数高于室内三轴试验值;室内三轴试验成果不能客观反映筑坝材料的力学特性,对于当今的300 m级高土石坝建设,宜加强对原级配粗粒料的力学特性研究;同时对原型实测的空间位移场不同拟合方式进行了探讨,认为仅考虑铅直向变形的IGA参数反演成果能基本满足土石坝工程的精度要求。     

碎石桩模型三轴试验及其成果应用分析

通过不同级配的碎石桩模型三轴试验，分析结果表明，珠围压水平下桩体的一－应变关系近似于邓肯模型。着重探讨了围压级配对桩体有特 的上此导出了几条对研讨会石桩设计理论有重要作用的结论。     

风化泥质软岩变形特性及邓肯模型参数的试验研究

选取广东塘厦风化泥质软岩为研究对象,在一系列三轴试验的基础上,分析探讨该类软岩的变形特性及邓肯模型参数变化规律,并提供工程数值分析和计算所需模型参数。     

岩石三轴试验机的现状及发展趋势

30多年来国内几乎没有关于岩石三轴试验机发展状况的全面介绍资料。为了国内大专院校、科研院所和生产厂家能够更好地分析、设计和制造岩石三轴试验机,在收集大量的参考资料,回顾试验机的发展历史,深入调研和分析的基础上,总结并介绍了国内常规和真三轴两大类岩石三轴试验机,同时介绍了蠕变、静动态、高低温和剪切等岩石试验机的发展状况。列举了国内具有代表性的部分用户使用的不同性能的岩石三轴试验机及其参数。指出今后的岩石试验机将会向CT扫描、三轴剪切渗流、三轴仿真试验系统和原位真三轴试验系统方向发展的趋势。相关内容既可以为研制岩石三轴试验机提供参考,也可以为用户选购试验机提供帮助。     

堆石料强度变形特性与非线性弹性本构模型研究

在大型三轴试验研究的基础上,提出了堆石料应力-应变关系、侧向应变与轴向应变关系的指数函数表达式,以及抗剪强度包线在q-p平面上的幂函数表达式。继而推导得到了一个反映堆石料强度与变形特性的非线性弹性本构模型。通过对实体工程的数值模拟,将Duncan E-B模型与新建模型进行了对比分析,验证了该模型的可行性。     

考虑初始应力的坑侧土体真三轴试验研究

针对基坑开挖过程中坑侧土体的应力路径,采用真三轴仪进行考虑初始应力状态下侧向卸荷试验,并与常规三轴试验以及轴向加荷真三轴试验结果进行对比分析,结果表明： 曲线类似于常规三轴剪切试验的 曲线,呈双曲线关系;由于中主应力的影响,土体的初始强度得到提高,真三轴加荷试验初始切线斜率总是大于常规三轴试验的初始斜率;在侧向卸荷的条件下,土体可以在相对小的应变下发生破坏,加荷路径下破坏,土体应力强度要大于卸荷路径。     

黏性土卸载屈服特性试验研究

通过扰动的粉质黏土室内固结排水卸载剪切试验,分别得到真三轴和普通三轴侧向卸载条件下的应力-应变曲线。对这些曲线分析可知,它们表现为应变硬化和非线性,其初始阶段呈直线状,很快转变为曲线;真三轴试验（轴向应力 为常量、减围压 、保持应变 0）相比普通三轴试验（ 为常量、减 ,且中主应力 ）,真三轴试验屈服发生在应力差（ ）值较高、轴向应变值 较小处;将试验取得的各屈服点进行整理分析,认为这种土在卸载条件下的屈服表现较适宜于Matsuo-Nakai屈服强度准则。     

重塑黄土饱和与固结时间三轴试验研究

饱和黄土三轴试验中,土样饱和及固结过程是否完成对试验结果至关重要。土工试验饱和方法中,通常所使用的抽气饱和是提高土样饱和度的有效方法,但对于重塑马兰黄土样,抽气饱和中试样浸水后会发生结构溃散。因此,土样只能在三轴仪上进行饱和。本研究基于GDS非饱和三轴仪对兰州地区的马兰黄土重塑样进行多次饱和试验与固结试验,提出在GDS三轴仪外压力室外部设置三通接头,将试样顶部和底部接通汇集为同一路径,将饱和路径与排水路径均缩短为原来的一半,可明显缩短试验饱和时间与固结时间,进而实现在土样达到预定饱和度情况下缩短试验总时间的目标。而且,本试验中土样上、下同时进水或排水,也符合土体在自然界真实赋存状态下的饱和与固结过程。经反复验证,该方法在粉质黏土重塑样的三轴试验中使用效果较好。