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。     

考虑初始结构性影响的吹填软土应力应变关系

正常沉积的土体一般具有结构性。目前土的本构模型大多数是以非结构性土为基础建立和发展起来的,用它们直接描述结构性土体应力应变关系与实际出入很大。本文以修正的剑桥模型为基础,建立了可考虑初始结构性影响的结构性吹填软土应力应变关系。与修正的剑桥模型相比,只增加了参数的个数,但参数种类不变,其值通过室内常规试验即可求得。对天津滨海新区吹填场地经过真空预压处理后有结构强度的吹填土体进行了三轴试验,通过试验值与模拟值分析比较,初步验证了本文建立的模型可以考虑吹填软土初始结构性影响。     

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。     

考虑土体结构性的弹塑性硬化模型

在对人工制备结构性土样等应力比压缩试验结果分析基础上,确定出结构性土体初始屈服面形状和土体初始屈服后塑性应变增量的方向,推导出结构性土体屈服函数的表达式;硬化参数采用塑性功的函数,根据三轴排水剪切试验结果确定出土体的硬化规律。由此构建能反映土体结构性的弹塑性硬化本构模型,并用试验进行了验证。本文提出一种基于试验的建模方法,不依赖经典塑性力学理论的正交流动规则,并建立可考虑土体结构性影响的本构模型,对土体结构性研究具有借鉴意义。     

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。     

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。     

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。     

基于上下负荷面的弹黏塑性本构模型及应力积分算法实现

为了描述天然软土的时间相依以及结构性特征,提出了一种能考虑土体超固结和结构性的实用弹黏塑性本构模型。它以Asaoka和Hashiguchi的上下负荷面作为某一应变速率下的参考屈服面,按照相对过应力的基本思路,新引入了两个能通过不同应变速率三轴压缩试验测定的率敏性参数 和 ,建立了以当前应力、黏塑性应变以及黏塑性应变速率为状态变量的动屈服准则函数,并给出了基于Newton-Raphson迭代的应力积分算法,且成功地将其嵌入到大型有限元软件ABAQUS中。最终通过数值算例来验证模型的正确性以及应力积分算法的可靠性。结果表明：该模型能同时描述土体的率敏性、蠕变以及结构性特征,模型参数物理意义明确、易懂可测,预测结果与试验数据吻合良好,可用于复杂边值问题的有限元计算。     

长期循环荷载下人工结构性软土累积变形规律及预测模型

针对软土地区路基运营后显著的长期沉降效应问题,以及天然沉积软土均具有一定结构性的特点,制备了不同胶结强度的人工结构性土,开展了结构性土与相应重塑土的压缩试验和动三轴试验,分析了循环次数、动应力比和结构性强度对土体累积塑性变形的影响规律。试验结果表明:土体累积变形随着循环次数、动应力比的增大而增大,随着结构性强度的提高而减小;累积应变曲线可分为破坏型、稳定型和临界型3种形式。进而考虑土结构性影响,在已有累积变形模型基础上引入应力灵敏度S_σ参数,分别建立了结构性软土的破坏型和稳定型的累积变形模型,较好地预测了结构性软土不同变形状态的累积应变曲线,并分析了模型参数随应力水平和结构强度的变化规律。     

基于综合结构势概念的海口原状红黏土K-G模型修正

土的结构性是引起天然土和重塑土各项性质差异的最主要原因。基于考虑土体结构性影响的岩土工程方法和手段应代表岩土工程实践发展方向的这一认识,本文以建立海口原状红黏土的结构性本构模式为研究目标。在结构性定量化指标上,引入综合结构势的概念,建立岩土微结构、胶结作用与宏观力学效应之间的定量表达关系。通过对海口地区所取原状红黏土和相应重塑土进行等向固结排水试验和p=常数的三轴压缩排水试验,分别定义应力型结构性参数和应变型结构性参数。同时发现两者相对于平均主应力存在着归一性化特性,能较好地描述海口原状红黏土的结构性。在此基础上对K-G模型进行了结构性的修正,并进行了数值模拟。结果显示,修正K-G模型能够定量描述海口红黏土的结构性,较好地反映原状红黏土的结构性及预测原状红黏土的应力应变关系。     

考虑扰动影响的土体小应变硬化模型参数试验研究及其在基坑工程中的应用

天然结构性土体容易受到各类施工扰动,导致土体物理力学性质改变,进而影响工程稳定、变形以及邻近环境。针对宁波两种典型土体,分别对原状土和轻、重扰动土以及重塑土开展了三轴试验及一维压缩试验,分析了扰动度对小应变硬化模型(HS-small model,简称HSS模型)主要参数的影响规律,并将其应用于宁波某基坑工程,利用Plaxis3D分析了考虑周边土体扰动影响的坑后土体水平位移变化。研究结果表明,扰动会使土体的强度及刚度参数降低。对于淤泥质黏土,轻扰动试样的参考切线模量E_oed^ref 、参考割线模量E₅₀^ref及参考加卸载模量E_ur^ref值分别降低14%、10%、2%,重扰动试样三参数分别降低43%、14%、15%,粉质黏土三参数也呈现相似降低趋势。在考虑土体扰动影响的情况下,基坑周边两个测斜孔的最大水平位移值分别增大13%、15%,更加接近实测值。研究结果可为小应变硬化模型的参数取值以及考虑扰动影响的基坑工程分析计算提供指导。     

含水率对重塑黄土的变形特性影响的实验研究

采用侧限压缩实验,对相同干密度、不同含水率的重塑黄土进行压缩固结实验。借鉴原状黄土湿陷性的研究方法,分析了含水率对于重塑黄土的变形影响。结果表明:低含水率时,孔隙比随应力的变化近似为线性、割线模量随应力的变化表现明显的非线性、应变速率衰减得快;高含水率时,孔隙比随应力的变化表现为明显的非线性、割线模量随应力的变化近似为线性、应变速率衰减得慢。     

单轴压缩荷载下非贯通闭合节理岩体损伤本构模型

目前损伤力学已被认为是研究节理岩体力学行为的有效工具,但是在目前的节理岩体损伤变量定义中大多仅考虑节理几何特征而未考虑节理内摩擦角等力学参数,这显然不能很好地反映节理岩体的力学特征。为此,拟推导出一个能够综合考虑节理几何及力学参数的损伤变量（张量）,并由此建立单轴压缩荷载下岩体损伤本构模型。首先,基于断裂力学的由于单个节理存在引起的附加应变能增量与损伤力学的损伤应变能释放量相关联的观点,推导出了含非贯通节理岩体的损伤变量计算公式;其次,根据断裂力学理论对单轴压缩荷载下的单个节理尖端应力强度因子计算方法进行了研究,得出了应力强度因子K_Ⅰ、K_Ⅱ的计算公式;同时考虑多节理间的相互作用给出了单组单排及多排非贯通节理应力强度因子计算公式。最后,利用该模型对含单条非贯通节理的岩体在单轴压缩荷载作用下的峰值强度及损伤变量进行了分析计算。结果表明,当节理倾角小于其内摩擦角时,岩体强度与完整岩石相同,岩体损伤为零,而后随着节理倾角增加,岩体强度、损伤随节理倾角的变化分别呈开口向上及向下的抛物线,当节理倾角约为60°时,岩体损伤最大,强度最低。随着节理长度增加,岩体损伤增加,而随着节理内摩擦角的增加,岩体损伤则减小。      

外荷载作用下软土压缩模量的动态演化规律研究

在软土地基的压缩性评价和变形计算中,压缩模量是一个重要的土性参数,目前一般是通过室内侧限压缩试验曲线得到,通常是一个常数。实际上,压缩模量在地基固结过程中会随着土体固结度的增加而逐渐增大,因此,探讨外荷载作用下软土压缩模量的变化规律显得十分必要。以珠江三角洲地区某高速公路代表性软土地基为研究对象,采集天然状态和超载预压后两种状态的淤泥质土样,分别开展不同压力条件下的室内固结试验,通过分析比较两种状态土样的试验数据,得出了两种状态下淤泥质土压缩模量随压力变化的定量关系和压缩模量随压力及时间演化的规律。在此基础上,结合天然状态和超载预压后的淤泥质土样在室内再压缩前后的微观结构图像,分析了两种状态下淤泥质土压缩模量随压力和时间演化的机理。从而为软土变形计算的参数合理取值提供了有用的参考,且对软基堆载预压过程中控制加荷速率和分级荷载的大小具有重要的现实意义。     

深圳地区原状花岗岩残积土硬化土模型参数的试验研究

硬化土（hardening soil）模型是岩土工程数值分析中常采用的模型。为研究加载方式和排水条件对原状花岗岩残积土剪切行为的影响,对深圳地区原状花岗岩残积土进行了常规三轴固结排水、常规三轴固结不排水、固结排水侧向卸载和固结不排水侧向卸载4组试验,并由试验结果确定出不同加载方式和排水条件下的硬化土模型参数。结果表明：在常规三轴试验中,试样在剪切过程中表现为先剪缩后剪胀的特性,在侧向卸载试验中,试样始终表现为剪胀的特性;模型参数值与加载路径密切相关,固结不排水侧向卸载试验（CDLU）测得的有效内摩擦角 较常规三轴固结不排水试验（CD）试验大20%,而有效黏聚力 小了46%;CDLU试验得到的三轴压缩试验的参考割线模量 为CD试验的2.9倍,卸载再加载参考割线模量 为CD试验的1.8倍;在相同加载路径下,模型参数值也受排水条件的影响,由CU试验得到的 与CD试验的结果相近,但CU试验得到的 要明显大于CD试验的结果,CU试验得到的 为CD试验的2倍, 为CD试验的3.8倍。因此,在岩土工程数值分析中应根据工程的实际情况确定和选用模型参数值。     

软土非线性蠕变压缩模型

从土的力学行为与微观结构相结合的途径探讨滨海软土单向压缩的本构特征,旨在构造一个用于软土一维变形计算的合理形式.据多级加荷压缩试验成果,进一步证明了软土具有非线性蠕变特性;并用幂函数描述了软土压缩蠕变规律,用割线模量法概化了单向压缩的应力-应变的关系.提出了压缩蠕变率(CCR)的概念,并建立与土的结构定量参数(定向概率熵和孔隙分布分维数)、应力比之间的幂函数关系.在此基础上,建议了一个考虑非线性蠕变特性的单向压缩本构模型,并用试验资料初步验证了模型的有效性.建议的模型具有参数少、简便实用之特点,可用于软土地基的沉降计算分析.     

真三轴条件下原状黄土的非线性本构模型

为了研究复杂应力条件下非饱和原状黄土的非线性本构模型,通过考虑真三轴条件下中主应力和吸力对大主应变的影响,提出了一个考虑中主应力影响的非饱和原状黄土的非线性本构模型。该模型包含12个参数,均可由常含水率非饱和土真三轴试验确定。研究了中主应力对土体变形和强度的影响,探讨了模型参数的变化规律。初始吸力一定时,土体的黏聚力随着中主应力的增大而增大,而内摩擦角随着中主应力的增大呈线性减小趋势。当吸力小于162 kPa时,吸力摩擦角等于21.8°;当吸力大于162 kPa时,吸力摩擦角等于5.5°。初始吸力相同时,不同中主应力条件下土体的体积模量可取为常数。利用该模型预估了常含水率真三轴等向固结试验的吸力变化规律,理论结果与试验结果比较接近。但是对于真三轴剪切试验吸力的预估还需要进行深入探讨。     

延安地区压实马兰黄土高压固结变形特性

针对典型的Y型狭长沟谷型地貌中的黄土高填方工程做了大量的室内一维高压固结试验。试验结果表明,Gunary模型可较好地表征侧限压缩情况下压实马兰黄土的垂直压应力与垂直压应变的关系,其适用性优于既有且常用的双曲线模型及幂函数形式;基于Guanary模型,利用割线模量法构建的压实马兰黄土地基变形修正公式,可修正考虑上覆荷载变化、含水率变化及压实度变化的地基变形量;割线模量Esoi与含水率的倒数1/w符合二次多项式的关系形式,目前普遍使用的割线模量Esoi与压实度K的线性关系形式不符合实际情况。研究成果对沟谷型黄土高填方工程填筑方案的设计与施工具有重大的参考价值。     

考虑卸荷速率的K0固结膨胀土应力-应变行为

通过GDS三轴试验系统对K0固结原状南阳膨胀土原状样进行了不同卸荷速率和卸荷路径下的不排水三轴剪切试验,在试验资料的基础上,建立了K0固结膨胀土的初始切线模量Ei和极限偏应力qult与固结应力及卸荷速率的关系式。发现,K0固结膨胀土在卸荷剪切过程中的应力-应变关系曲线呈典型双曲线特征;膨胀土的不排水剪切强度随轴向固结应力及卸荷速率的增加而单调增加;Ei及qult随固结应力及卸荷速率的变化规律与强度基本类似,但Ei随固结应力的增加呈指数增加,而qult则表现为线性增加。通过改进邓肯-张双曲线表达式,建立了K0固结膨胀土下不同卸荷速率时应力-应变关系的预测公式,并进行了模型验证。