原状土的剑桥模型和修正剑桥模型

常规剑桥模型和修正剑桥模型是以正常固结和弱超固结土的三轴试验现象为基础建立起来的,且试样的初始应力状态为各向等压的球应力状态,将模型应用于K0固结状态的原状土必然引起不可忽略的系统误差。基于原状土K0固结线与等倾线之间的关系,在常规剑桥模型的基础上推导并得到了基于K0线的原状土剑桥模型和修正剑桥模型。在主应力空间中,该模型以K0固结线而不是以等倾线为轴线,因而能反映原状土的结构性和各向异性。既有试验数据的验证表明,与常规剑桥模型和修正剑桥模型相比,该模型能更合理的描述原状土的屈服和强度特性。     

海口红黏土的结构性本构模型研究

土体结构性的数学模型是21世纪土力学的核心问题。由于土体微观结构的变化造成了重塑土与原状土的力学特性上的差异。采用应变型和应力型结构性宏观参数来表征这种微观结构的变化,同时将应变性结构性参数引入到等向固结过程中去,用以描述常规三轴试验中剪切前的等向固结过程以及剪切时球应力对结构性土体的影响。实现应变型和应力型结构性宏观参数对整个三轴剪切过程的描述。修正剑桥模型对正常固结重塑黏土的三轴压缩试验能做出准确地描述,但对超固结黏土及原状土,即具有结构地土体,则不能给出准确地描述。将应变型和应力型结构性宏观参数引入到修正剑桥模型中,实现修正剑桥模型的结构化。该结构性修正剑桥模型参数的确定方法与常规修正剑桥模型参数的确定方法相差不多,只不过多了球应力与土体结构性体应变的关系式、偏应力与土体结构性广义剪应变的关系式。经过数值模拟比较,结构性修正的剑桥模型能较好地反映原状土的结构性演化过程,能描述原状土结构的整个破坏过程,在多种应力路径下具有很好的预测作用。     

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。     

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。     

膨胀土应力松弛的分数阶模型

为了更准确地描述膨胀土应力松弛的力学特性,应用分数阶微积分理论构造的软体元件取代传统元件模型中的理想黏滞元件,并考虑黏滞系数的损伤劣化,建立了可以更加准确地反映南宁膨胀土非线性应力松弛特性的三元件模型。通过一系列室内试验研究,探索了在不同含水率条件下南宁膨胀土的应力松弛规律,并根据对试验结果的分析,确定了相关的模型参数,得到了膨胀土在不同含水率条件下的应力松弛方程。与整数阶西原模型和整数阶St.Venant模型进行对比,其结果表明所提出的改进模型能更有效地模拟膨胀土应力松弛的全过程,且模型具有结构简单、计算参数少、计算精度高和便于实际应用等优点。研究结果为膨胀土在长期荷载作用下的应力松弛分析提供了理论基础。     

修正剑桥模型在DPC桩—土结构层中的应用分析

针对DPC桩-土结构层开展大型直剪试验,基于试验分析,在考虑DPC桩-土结构层注浆影响上引入临界应力比,构建了可描述应变软化的修正剑桥模型应力应变方程。直剪试验表明DPC桩-土结构层剪切特性表现为剪切软化,具有明显的峰值强度和残余强度,呈现出明显的结构性,其特征与超固结的黏土的剪切应力应变曲线特性类似。推导出的修正剑桥模型能较好的解释实验结果,所得出的结论对DPC桩的设计有一定的指导意义。      

基于应力空间变换的修正剑桥模型改进

从岩土类材料极限应力状态线所致的各向异性出发,提出了应力空间变换的思想。以修正剑桥模型屈服面的中心为映射中心,给出了重塑土的应力空间变换、应力增量变换的公式, 并考虑了应力洛德角的影响。在变换应力空间中对修正剑桥模型进行了重新表述与改进,给出了基于应力空间变换的改进模型的具体应力应变计算式。通过4种应力路径的基于应力空间变换的改进模型与修正剑桥模型预测结果的对比,揭示了改进后模型的优越性：可以较好的反映各向异性的影响;可以很好地反映三轴伸长等应力路径的应力应变特性;可以反映 等路径所致的软化现象。     

川西崩坡积混合土循环荷载下非饱和动本构模型

在川西地区,由砂砾石与黏土颗粒构成的混合土路基经常会发生沉降变形问题。对于交通荷载作用下土体中的累积变形,可通过建立循环荷载作用下的动本构模型进行描述。在边界面弹塑性理论的框架内,综合考虑崩坡积混合土非饱和状态和细颗粒含量两大主要影响因素,结合能比较真实描述非饱和土体湿陷性能的LC(loading-collapse)屈服曲线,同时基于可移动映射中心的映射准则,采用经典的修正剑桥模型作为塑性势方程,构建了混合土的非饱和动本构模型,其参数可通过拟合或常规试验获得。通过与试验结果进行对比,该模型不仅可以较好地反映非饱和混合土在静载和循环荷载下的力学特性,而且能够真实地预测土体在加、卸载过程中的滞回特性。其结果可为川西混合土路基沉降变形预测提供理论依据。     

基于扰动状态理论的软土压缩变形试验

基于扰动状态理论对漳州和东莞软土扰动样和重塑样单向压缩变形的结构性特征进行了分析,利用重塑样试验数据还原了原状样的压缩曲线,将变形中的土体视为相对完整状态和完全调整状态的混合物,定义原状土样为相对完整状态、重塑土样为完全调整状态,且分别用土弹性模型和修正剑桥模型表达,扰动函数与荷载对数具有较好的幂函数关系,因此建立了土体应力应变关系扰动状态模型,并通过压缩试验结果对模型合理性进行了验证。结果表明,该模型能较好地描述土体压缩变形特性,且参数确定简单易行,为软土地基工程沉降分析提供了一定参考。     

粗颗粒土的应力应变特性及其数学描述研究

大型三轴试验研究了粗颗粒土的应力应变特性及邓肯-张模型的适用性。试验结果表明粗颗粒土表现出明显的低围压下体胀高围压下体缩的体变性质,邓肯-张模型在描述粗颗粒土的体变特性方面存在不足。基于试验结果提出了新的体变描述公式,在未增加模型参数的条件下提出了邓肯-张模型的改进模型。采用改进模型对多种粗颗粒土三轴试验结果进行了预测,结果初步表明改进模型能够更好地模拟粗粒土的体变特性。     

桩柱结构在地震作用下非线性响应研究

基于试验基础上建立的经典弹塑性模型--剑桥模型能够准确描述正常固结土的应力-应变关系。当土体的应力历史上经历过卸载或受到循环交变荷载作用即进入超固结状态,它作为土的应力历史的反映,相比正常固结土受力特性有着显著的差异。为研究超固结因素对土体加载特性的影响,在引入能考虑超固结状态影响的下负荷面剑桥模型后,通过三轴压缩和剪切试验对处于超固结状态下土体的受力特性进行了对比分析,并对循环剪切加载下的应力-应变关系以及超固结比的演化规律进行了研究。结果表明,下负荷面剑桥模型能准确反映超固结因素对土体力学特性的影响,相比原状土有着更高的屈服强度。而通过数值模拟自由场地基在地震作用下的动力响应可以看出,超固结因素对地基的动力响应起到了不可忽略的影响,尤其在强震下更需要考虑其影响。在自由场地基地震动力响应基础上,通过对桩柱结构桩-土耦合系统在地震作用下非线性动力响应的模拟对土体非线性以及超固结因素的影响进行了对比研究,研究表明：土体的非线性因素能显著降低结构振动响应中的高频成分,由于土体在交变加载下很快进入超固结状态,相对于剑桥模型,下负荷面剑桥模型在考虑超固结因素后土体的承载性能显著提高,尤其在强震作用下超固结因素带来的影响更加明显,因此,建议对桩基结构物地震响应研究考虑超固结因素影响,以提高桩基结构物地震响应模拟的精确度和可靠性。     

海相沉积软黏土的弹塑性本构模型研究

在深入探讨海相沉积原状软黏土压缩、变形等力学特性和详细分析加载屈服面随荷载情况变化的基础上,确认了海相沉积原状软黏土的强度、变形特性与结构屈服应力密切相关。即当固结压力小于结构屈服应力时,其力学特性与超固结重塑土的力学特性类似;当固结压力大于结构屈服应力时,其力学特性与正常固结重塑土的力学特性类似。为描述海相沉积原状软黏土的上述力学特性,将姚仰平等提出的超固结重塑土本构模型引入到海相沉积软黏土弹塑性本构模型的构建中。在本构模型构建过程中,考虑了海相沉积原状软黏土具有的抗拉强度及其演化规律,软黏土强度包线的特点及其进一步修正的表达式,使模型更符合海相原状软黏土的强度、变形特性。最后,将3种不同海相沉积软黏土固结排水剪切试验得到的应力-应变-体变曲线与模型预测结果进行对比。比较结果显示,本文提出的弹塑性本构模型能很好地描述海相沉积原状软黏土的剪缩硬化、剪胀软化以及变形的应力水平依存性等力学特性。     

循环荷载作用下黏土改进边界面模型

为克服边界面模型应用不便、不能反映卸载过程中土体的弹塑性性质的缺陷,提出了一个循环荷载作用下可考虑弹塑性加、卸载过程的重塑黏土改进边界面模型。模型采用了简单的边界面形式,可大大简化该模型理论的推导与计算;采取了不预先定义边界面大小的方式,有效地降低了改进边界面模型在应用过程中的经验性;加入边界面胀缩规则,使模型可考虑土样卸载过程中的弹塑性性质,进而可反映土样的滞回特性。通过对重塑黏土进行循环三轴数值模拟试验,并与真实试验结果进行对比分析,验证了改进边界面模型的合理性和有效性。数值验证结果表明,改进边界面模型具有物理意义明确、参数易于确定、形式相对简单的特点,且该模型计算精度较高,计算结果与试验结果吻合得较好。     

同时考虑结构性和初始应力影响的双参量土体本构模型

原状土的结构性和初始应力状态对土的力学效应影响比较显著,在应力水平较小的情况下,原状土的力学行为与重塑土有很大的差异。目前,在描述土体应力应变的本构模型中,绝大多数模型都是基于重塑土在实验的基础上构建的,没有充分考虑土的结构性和初始应力状态的影响。本文在经典的弹塑性理论的大框架下,以桂林岩溶区分布的饱和软黏土为研究对象,结合室内试验的成果,依据前人已建的模型,考虑了土的结构性和初始应力的影响,在充分发挥修正剑桥模型优点的基础上对其进行改进,构建了一种新的饱和软黏土的弹塑性本构模型,并对模型作了分析和比较,初步表明了模型的合理性和有效性,进一步的工程验证研究还在进行之中。该模型的构建可使桂林岩溶区分布的饱和软黏土的应力应变计算更加趋近于实际,并且,对于桂林岩溶区高速公路饱和软基填土过程中,控制加荷速率和控制分级荷载的大小具有重要的现实意义。     

结构性花岗岩残积土的剪切屈服特性试验研究

为研究结构性花岗岩残积土的剪切屈服特性,对未扰动和重塑花岗岩残积土及作比较的掺水泥的重塑土进行了一系列不同围压下的三轴排水对比试验。结果表明,未扰动花岗岩残积土与掺水泥重塑土在剪切过程中的屈服点可以从归一化的剪切切向刚度 与轴向应变 在双对数坐标下的关系曲线中确定;固结压力 对未扰动残积土与掺水泥重塑土的屈服特性都有显著影响, 越大,等向固结作用对土体结构的破坏越严重,剪切开始阶段的初始归一化刚度会相应地越小,屈服时的轴向应变也越小;当固结压力达到足够大时,土体结构被等向固结作用完全破坏,剪切过程中没有结构性屈服现象发生, 曲线与重塑土的 曲线重合;重塑土在不同固结压力下的 曲线重叠,不随固结压力而变化,剪切过程中没有结构性屈服现象发生。     

Sensitivity Analysis of Selected Input Parameters for an Advanced Constitutive Model

Experimental results and simulated behavior of a medium plasticity clay were compared to investigate the performance of an advanced soil constitutive model. The soil model employed for this study was the 3-SKH model. The performance of this model was compared to the performance of two other critical state models; the Cam Clay (CC) and Modified Cam Clay (MCC) models. In addition, the influences of some of the input parameters on the performance of the 3-SKH model were investigated by performing sensitivity analyses. The comparisons demonstrated that the CC model was able to predict normally consolidated compressive behavior of the remolded medium plasticity clay. The compression behavior of overconsolidated clay was better captured by both the 3-SKH and CC models. For extension behavior of the normally consolidated samples, the MCC model performed better than the CC and 3-SKH models in predicting the stress path. The 3-SKH model was found to be very sensitive to varying the exponent in the hardening function. In particular, a difference between the evaluated values as small as 0.01 had a noticeable effect on the predicted stress–strain values for the overconsolidated compression and extension samples.     

结构性吹填软土流变等时曲线研究

软土普遍存在结构性,结构性影响土体各种力学行为。对天津滨海新区结构性吹填软土进行三轴流变试验,通过对比分析原状土与重塑土流变等时曲线发现,结构性吹填软土流变等时曲线可分离为线性粘弹性变形、线性粘塑性变形与非线性粘塑性变形。在应力小于结构屈服应力时,流变等时曲线线刚度大;超过结构屈服应力时,伴随着土结构的破损,流变等时曲线线刚度逐渐减小,最终趋于一定值,与重塑土接近。结构性对流变等时曲线的影响主要集中在线弹性阶段,进入塑性阶段后影响较小。      

The subloading isotropic plasticity as a variable modulus model

The subloading concept is an extension of mathematical plasticity which defines an internal surface to the conventional yield surface. It is indeed a versatile approach, especially for the modelling of soils under quasi-static cycles with smooth transitions from pure elastic to elastoplastic behaviour. For the case of isotropic hardening models, this paper demonstrates that the subloading isotropic plasticity is equivalent to a variable modulus approach and therefore a simpler and equivalent methodology can be adopted instead. In addition to demonstrating this equivalence, an alternative formulation that was presented elsewhere and that uses only one surface is briefly discussed. The alternative formulation can then be easily applied to popular models for soils such as the Cam clay model. Finally, some numerical predictions are presented in order to illustrate the capabilities of the subloading isotropic plasticity and the corresponding variable modulus approach.     

An internally consistent integration method for critical state models

A new procedure to integrate critical state models including Cam–Clay and modified Cam–Clay is proposed here. The proposed procedure makes use of the linearity of the virgin isotropic compression curve and the parallel anisotropic consolidation lines in e–ln p space which are basic features of the formulation of critical state models. Using this algorithm, a unique final stress state may be found as a function of a single unknown for elastoplastic loading. The key equations are given in this article for the Cam–Clay and modified Cam–Clay models. The use of the Newton–Raphson iterative method to minimize residuals and obtain a converged solution is described here. This new algorithm may be applied using the assumptions of linear elasticity or non‐linear elasticity within a given loading step. The new algorithm proposed here is internally consistent and has computational advantages over the current numerical integration procedures. Numerical examples are presented to show the performance of the algorithm as compared to other integration algorithms. Published in 2005 by John Wiley & Sons, Ltd.