考虑降解效应的城市固体废弃物非线性本构模型

基于城市固体废弃物(MSW)的降解及土力学特征,在应力降解模型、等向压缩特性和邓肯-张模型的理论基础上,建立了一个能够描述MSW应力和降解耦合作用的全量非线性本构模型。给出了不同应力状态下单元体体积和轴向变形随时间变化的数学表达,同时给出了所有参数的确定方法。采用该模型对不同龄期和不同围压条件下填埋场现场试样的三轴CD应力-应变曲线以及室内长期一维降解压缩试验进行了模拟。结果表明,模型概念合理、参数明确,能够较全面地描述不同降解龄期垃圾的本构关系,可用于分析填埋场的长期变形。     

城市固体废弃物的剪切强度机理及本构关系

根据城市固体废弃物（简称MSW）的大三轴固结排水剪试验结果,延伸岩土工程中研究土体的概念和方法,研究MSW的剪切强度机制。MSW与大变形相关的强度特性主要是由于含有大量的纤维状成分所致,在剪切过程中试样总的抗剪能力由剪切面上的摩擦力和纤维状加筋相的拉力所产生。MSW的摩擦强度主要由3部分构成：纤维状成分与土颗粒之间的摩擦,纤维状成分之间的摩擦,和土颗粒之间的摩擦。基于MSW的剪切强度特性,采用邓肯-张本构模型来描述MSW的应力-应变关系。     

垃圾土蠕变-降解特性的室内试验研究

通过室内蠕变-降解对比试验,研究了城市固体废弃物（MSW）的长期变形过程,详细地分析了MSW应变、沉降速率以及孔隙比随时间的变化规律。试验结果显示,考虑有机物降解情况下沉降速率与时间在双对数坐标下呈线性关系;不同的生物降解条件下MSW的变形特性表现出不同的规律。研究表明,MSW的蠕变变形是应力与有机物生物降解耦合作用的结果,采用室内蠕变-降解试验可以很好地模拟垃圾土的沉降变形过程,为室内进一步研究垃圾土的蠕变降解特性提供了很好的依据。     

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。     

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。     

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。     

基于弹塑性理论的修正分层总和法

建议了土体的非线性弹性-塑性本构方程,其中弹性矩阵采用Duncen-Chang本构模型,塑性部分则采用修正剑桥模型;提出了基于弹塑性理论的修正分层总和法新理论;该理论既有常规分层总和法简单,便于理解运用的优点,又能考虑土体的弹性非线性以及塑性变形特性,同时还能考虑土体三向应力对其变形的影响。为基础变形计算提供了一种较为理想的算法。     

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。     

大变形黏土防渗层中的污染物迁移和转化规律研究

国内湖泊疏浚污染底泥堆场一般以较厚的黏土层作为主要防渗层,由于在上覆底泥作用下黏土层会发生较大的固结变形,因此,在研究黏土防渗层中的污染物运移和转化规律时,应该考虑土体变形的影响。基于Gibson一维大变形固结理论和饱和多孔介质中的污染物对流扩散方程,建立了二者耦合的可变形多孔介质中污染物的运移和转化模型,其中首次考虑了土体自重和生物降解作用的影响。利用所建立模型的数值解,研究了在可变形黏土防渗层中的污染物运移和转化规律,同时分析了模型中不同项和主要参数的作用和影响。研究结果表明,土体大变形对黏土防渗层中污染物的运移有着较复杂的影响,一方面土体变形会加速污染物的运移;另一方面土体固结带来的渗透性减小会增加污染物的穿透时间,二者的不同作用取决于众多的影响因素,如土层厚度和吸附作用等。研究结果对于评估天然黏土防渗层对污染物的阻隔作用有重要的指导意义。     

岩体结构面新型本构模型研究

对于涉及需要单独考虑岩体结构面的工程岩体结构分析,采用能反映岩体结构面主要力学特性的合理的本构模型是取得合理解答的关键问题之一。针对在经典连续介质力学理论框架内建立岩体结构面本构模型的缺点,基于岩体结构面的实际受力变形特性,采用直接法建立了一种新型岩体结构面本构模型。所建立的模型依据岩体结构面切向应力变形曲线及剪胀曲线的实际特征,将其分为峰前线性段、峰前非线性段以及峰后软化段,并分别给出了用于描述岩体结构面变形和强度等主要力学特性的数学模型,进而推导建立了结构面各变形阶段的增量型本构模型。最后,编写相关计算程序,采用所建立的新型本构模型以及被广泛采用的Plesha模型对经典的岩体结构面直剪试验成果进行拟合分析。结果表明,所建立的新型本构模型能更为合理的描述岩体结构面的主要力学特性,且模拟能力优于Plesha模型     

The influence of coupled physical swelling and chemical reactions on deformable geomaterials

Coupled thermo‐hydro‐mechanical‐chemical modelling has attracted attention in past decades due to many contemporary geotechnical engineering applications (e.g., waste disposal, carbon capture and storage). However, molecular‐scale interactions within geomaterials (e.g., swelling and dissolution/precipitation) have a significant influence on the mechanical behaviour, yet are rarely incorporated into existing Thermal‐Hydro‐Mechanical‐Chemical (THMC) frameworks. This paper presents a new coupled hydro‐mechanical‐chemical constitutive model to bridge molecular‐scale interactions with macro‐physical deformation by combining the swelling and dissolution/precipitation through an extension of the new mixture‐coupling theory. Entropy analysis of the geomaterial system provides dissipation energy, and Helmholtz free energy gives the relationship between solids and fluids. Numerical simulation is used to compare with the selected recognized models, which demonstrates that the swelling and dissolution/precipitation processes may have a significant influence on the mechanical deformation of the geomaterials.     

公路工程建设中的岩土工程问题

公路工程建设呈现的岩土工程问题主要有地基稳定问题、边坡稳定问题、围岩稳定问题和渗透稳定问题。这些问题对工程的影响体现在变形和强度两个方面,根据工程的功能和性质,应考虑按变形控制或强度控制来确定工程安全标准和评价工程稳定性。基于岩土工程问题的产生条件,提出了在工程实践中应注重的内容及研究方向,如：路基岩土的强度与变形特性研究、地基处理技术及工程特性研究、深基础与地基相互作用研究、边坡稳定性评价方法研究、边坡治理技术及可靠性研究、围岩与结构应力变形研究、地下水对各种岩土体的作用研究等等。     

基于FLAC3D的改进Burgers蠕变损伤模型的二次开发研究

岩石的流变变形对于岩质边坡和地下结构产生重要影响,其时效特性越来越引起人们的关注。然而通用分析软件所提供的岩石流变本构模型均有其特定的使用范围,往往不能满足工程数值分析的需要。考虑到岩体中参数劣化造成的影响,采用了一个变参数的改进Burgers蠕变损伤模型,该模型认为岩体的蠕变参数是随时间因子逐渐弱化的,这弥补了FLAC3D自身流变模型的不足,并利用FLAC3D（Version 2.1）提供的二次开发程序接口,分析了蠕变损伤模型二次开发程序运行的基本原理,给出了该模型具体的程序框图和代码编写中应该注意的关键问题。介绍了该模型的几种退化形式,通过算例分别验证了该模型黏弹性、塑性和损伤的力学性质,分析了损伤参数对蠕变曲线的影响,并由此介绍了验证流变模型二次开发程序正确性的一般步骤。由于采用了面向对象的编程技术,FLAC3D二次开发接口简单实用,研究思路可为其他流变本构模型的二次开发提供参考。     

新时代岩土力学基本问题探究北大核心CSCD

“一带一路”新时代背景下大规模的工程建设,推动着岩土工程学科的繁荣和蓬勃发展。土动力学、非饱和土与特殊土力学与环境岩土工程是未来土力学的重点研究方向,有必要进行系统梳理分析。本文从土工动力测试技术、动本构关系和土-结构动力相互作用方面对土动力学的主要内容进行了阐释,然后从非饱和土有效应力原理、非饱和土本构模型及黄土力学特性方面对非饱和土与特殊土力学的基本理论进行了分析,最后对垃圾填埋处置和水土污染等环境岩土工程亟待解决的问题进行了探索,并提出了合理的应对措施。土力学学科面临着极大的发展机遇,也面临着严峻的挑战,这一系列核心问题的解决,必将为全面提升岩土工程项目建设的质量和效益作出贡献。     

对岩土工程数值分析的几点思考

首先,介绍了笔者对我国岩土工程数值分析现状的调查结果及分析,然后,分析了采用连续介质力学分析岩土工程问题的关键,并讨论分析了岩土本构理论发展现状,提出对岩土本构理论发展方向的思考,最后对数值分析在岩土工程分析中的地位作了分析。分析表明,岩土工程数值分析结果是岩土工程师在岩土工程分析过程中进行综合判断的重要依据之一;采用连续介质力学模型求解岩土工程问题的关键是如何建立岩土的工程实用本构方程;建立多个工程实用本构方程结合积累大量工程经验才能促使数值方法在岩土工程中由用于定性分析转变到定量分析。     

红板岩材料隐式本构模型的建立及其应用研究

针对红板岩材料在岩土工程中所表现的大量模糊的和不确定的因素等特点,基于人工神经网络的学习能力,借助于室内岩石力学试验,进行了对该材料的力学本构特性进行了神经网络模拟研究,提出了隐式本构模型的思想和方法,并通过该方法对该岩石的流变试验结果进行学习,获得了以网络权值结构保存的力学特性知识,由此得到了表征红板岩应力应变本构关系的隐式本构模型。应用结果表明,该方法对岩土类材料本构关系的模拟研究具有很好的应用前景。     

论岩土工程中水-岩相互作用研究的焦点问题--特殊软岩的力学变异性

水－岩相互作用研究是力学和地球科学领域中的前沿课题之一。在力学领域中称之为“固流耦合作用”，在地球科学领域中称之为“水－岩相互作用”。前者研究的焦点在于固体和流体间力学耦事的基本规律；后者主要研究在高温高压条件下，岩石和水发生的化学反应规律及其地球化学特征。岩土工程作为土木工程与地质学的交叉学科，水－岩相互作用研究的侧重点以往主要集中于岩体力学方面，即从渗流场和形变场的相互作用角度研究其基本规律，目前，已开始注意到水和岩石的化学作用问题。从工程实践中迫切需要解决的共性课题－－特殊软弱岩体与水作用后力学性能大幅度变异的问题出发，探讨了某些特殊岩体与水作用的化学规律、矿物学规律及其化学与矿物学损伤所导致的力学损伤规律，并建立软岩－水相互作用的时间效应模型；确定软岩性质软化的标志性监界阈值，为建立水－岩相互作用理论体系奠定软岩研究基础，为重大工程的设计、施工等提供有效的参考的指导。     

岩石蠕变模型研究进展及若干问题探讨

岩石蠕变是岩土工程变形失稳的主要原因之一。近年来蠕变研究正处于一个探索阶段,本文从四个方面综述了蠕变模型的研究进展。研究发现,在岩石蠕变的三个阶段中利用经典本构模型均很难描述加速蠕变阶段,研究者们通过新的元件或者改进的非线性黏弹塑性本构模型可以很好的模拟岩石蠕变实际曲线;基于损伤理论的岩石蠕变模型是近年来发展的主要方向,可以很好的解决岩石微观裂纹所带来的蠕变;随着岩石深部工程的发展,岩体受到周围实际环境下的影响是不可忽略的,从而研究含水量的变化与水力和其它应力耦合下的岩石蠕变也是今后的重点。最后指出,由于试验仪器的原因,高温高压和各向异性下的岩石蠕变模型研究进行的还不是很多,是今后岩石蠕变研究的难点。     

Simulation of earthquake‐induced slope deformation using SPH method

This paper presents the development, calibration, and validation of a smoothed particle hydrodynamics (SPH) model for the simulation of seismically induced slope deformation under undrained condition. A constitutive model that combines the isotropic strain softening viscoplasticity and the modified Kondner and Zelasko rule is developed and implemented into SPH formulations. The developed SPH model accounts for the effects of wave propagation in the sliding mass, cyclic nonlinear behavior of soil, and progressive reduction in shear strength during sliding, which are not explicitly considered in various Newmark‐type analyses widely used in the current research and practice in geotechnical earthquake engineering. Soil parameters needed for the developed model can be calibrated using typical laboratory shear strength tests, and experimental or empirical shear modulus reduction curve and damping curve. The strain‐rate effects on soil strength are considered. The developed SPH model is validated against a readily available and well‐documented model slope test on a shaking table. The model simulated slope failure mode, acceleration response spectra, and slope deformations are in excellent agreement with the experimental data. It is thus suggested that the developed SPH model may be utilized to reliably simulate earthquake‐induced slope deformations. This paper also indicates that if implemented with appropriate constitutive models, SPH method can be used to model large‐deformation problems with high fidelity. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.