考虑细观结构演化的非饱和Q_3原状黄土弹塑性本构模型

Q_3原状黄土是典型的非饱和土,具有明显的结构性,其力学变形特征与结构性密切相关。建立黄土的本构模型有必要考虑加载和湿陷过程中结构演化特征,才能真实地反映原状黄土的固有特性。假设原状黄土的屈服应力是重塑黄土与结构性两者的耦合,基于细观结构演化规律,考虑吸力和结构性的影响,提出了一个非饱和Q_3原状黄土的弹塑性本构模型。模型包括土骨架变形与水量变化两个方面,土骨架变形方面以修正Barcelona非饱和土弹塑性模型为基础,引入通过CT三轴试验获得的Q_3原状黄土加载-湿陷过程中的结构演化方程,分别得到描述土骨架在加载和湿陷过程的本构模型,以突出加载和湿陷过程中结构性对变形的影响;水量变化方面则采用广义土-水特征曲线描述,以反映净平均应力和偏应力对持水性的影响。模型总计22个材料参数,均可由试验确定。通过对比若干试验数据与模型计算结果,初步验证了模型的合理性。建立的考虑结构性的弹塑性本构模型为深化认识黄土力学特性提供了可能,并为有效分析黄土地基湿陷变形提供了一定借鉴。     

基于有效固结应力法确定结构性黏性土不排水抗剪强度

由于结构性的存在使得很多天然黏性土的强度和变形特性不同于重塑土和非结构性土。首先回顾了适用于确定重塑土和非结构性土不排水抗剪强度的有效固结应力法,并推导了相应的方程。在此基础上,对于结构性黏性土,采用两段不同斜率（内摩擦角正切）和截距（黏聚力）的直线模拟其抗剪强度包络线,建立了确定其不排水抗剪强度的有效固结应力法方程;当有效应力小于结构屈服应力时,有效固结应力方程中有效应力部分需乘以0.8的修正系数;只要已知剪切前的有效应力,利用相应的有效固结应力法公式,可确定结构性土体的不排水抗剪强度。利用连云港结构性软黏土的等压固结三轴试验数据,验证了有效固结应力法的适用性。分析表明：对于连云港软黏土的不排水抗剪强度,有效固结应力法的计算结果与试验结果吻合较好;对于结构屈服应力,有效固结应力法的预测结果与试验数据点的拟合结果有一定偏差,但并不明显。     

一种考虑黏聚强度的改良土弹塑性本构模型

改良土中土颗粒和水化物形成具有一定结构的聚合体而表现出较强的结构性。与重塑正常固结土相比,改良土的结构性更强且具有一定的超固结比。在变形发展过程中,由于聚合体结构逐渐破坏,黏聚强度逐渐损失,土体表现出应变软化的力学特性。基于适用于超固结重塑黏土的统一硬化模型,引入改良土黏聚强度及其随塑性变形的演化规律,对统一硬化参数进行了修正,并采用更适用于改良土的非关联的流动法则,建立了一个可以较好地描述改良土力学特性的弹塑性本构模型。通过与水泥改良土和石灰改良土的三轴剪切排水试验的结果进行对比,该模型能够较为合理地描述改良土加载过程中黏聚强度损失对其力学特性的影响。黏聚强度的存在导致土体表现出超固结土的特性,当黏聚强度损失时会加剧土体的软化速度。     

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。     

考虑温度影响的软岩弹塑性本构模型

煤矿的深度开挖、核废料的地下储存和能量桩的广泛应用等诸多的岩土工程问题都需要考虑温度对软岩力学特性的影响。为了能较为全面地描述软岩的力学特性,基于上下负荷加载面,引入温度等价应力的概念,在tij应力空间下构建了一个可同时考虑温度效应、中间主应力影响、结构性、超固结性等软岩力学特性的弹塑性本构模型。新模型的所有参数都具有明确的物理含义。通过理论曲线与试验结果进行对比,验证了所提本构模型的正确性。最后通过改变模型参数,对新本构模型的性能进行了分析讨论。计算结果表明：（1）增大超固结比发展控制参数m或者减小结构状态发展控制参数m*,将会提升软岩的剪切强度。（2）随着温度的上升,软岩的剪切强度反而减弱。（3）初始的超固结比越大,软岩的剪胀特性更明显;而初始的结构性较大时,其体积应变在剪切的最后阶段表现为剪缩。     

考虑水合物填充和胶结效应的深海能源土弹塑性本构模型

水合物的填充效应和胶结效应增大了能源土的密实性和强度,使能源土呈现出类似于密实砂土或胶结土的性质。在黏土和砂土的统一硬化模型(CSUH模型)框架下,总结了能源土的力学性质,引入压硬性参量描述水合物对能源土填充和胶结双重作用下的等向压缩特性,引入黏聚强度修正屈服函数并构建了黏聚强度的演变规律,利用状态参数调整剪胀方程,反映能源土剪胀、软化等特性对密实度的依赖性,从而建立能够描述能源土强度、刚度、剪胀与软化等特性的弹塑性本构模型。编制了模型的测试程序,把模拟结果与能源土室内试验结果进行对比。结果表明:提出的弹塑性本构模型能够较好地描述能源土的应力-应变关系、剪缩硬化和剪胀软化等力学特性。     

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。     

部分排水条件下饱和黏性土渐近状态本构模型研究

为研究排水边界条件对饱和软黏土强度特性的影响,利用GDS-DYNTTS动三轴仪开展了饱和软黏土的不排水试验和自由排水试验。采用控制体应变与轴向应变增量比ξ的方法进行了部分排水条件下饱和软黏土的强度特性试验,从孔隙水压力、p-q平面的有效应力路径和渐近状态特性等方面研究了排水边界条件对饱和软黏土力学特性的影响。基于渐近状态特性和剪胀特性,将应变增量比ξ引入应力路径本构模型,建立了饱和黏性土渐近状态本构方程。通过与孔压、有效应力路径实验结果的对比验证了模型的合理性。试验结果表明饱和黏性土的应变增量比ξ应小于0.3;排水条件影响正常固结黏土剪胀性的发挥程度、有效应力路径以及土的抗剪强度大小。随着应变增量比ξ的增大,饱和黏性土的孔隙水压和有效应力比减小而强度增大。试验后期,饱和黏性土试样长期处于临界状态,改变排水条件可抑制或加速土体的破坏。     

重塑超固结上海软土力学特性及弹塑性模拟

对典型上海软土重塑样进行了围压不变和平均主应力不变的三轴排水剪切试验,得到重塑上海软土在不同初始超固结比和围压条件下的应力-应变关系,弄清了超固结比、围压以及应力路径对重塑上海软土的变形和强度特性的影响;根据土体的应力-应变曲线得到重塑上海软土的临界状态应力比及内摩擦角。采用姚仰平等建议的基于伏斯列夫面的超固结土本构模型,并根据等向压缩及三轴排水剪切试验确定其模型参数,对保持围压和平均主应力不变的三轴压缩试验进行了模型预测。预测结果表明,此超固结土本构模型能较好地反映重塑超固结上海软土的变形和强度特性。     

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。     

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。     

冻土弹塑性本构模型研究现状

土体的本构模型是分析计算土工结构变形规律的关键。自剑桥模型提出以来,对于土体本构模型的研究,各国学者在不同环境条件下发展研究了适用于相应试验条件下的各类模型。随着寒区经济的发展,关于冻土力学性质的研究日益增多,许多学者借鉴常规融土的研究方法建立了不同条件下的冻土弹塑性本构模型。为了进一步理清冻土变形行为的特征,完善适用于冻土弹塑性行为的本构模拟理论和方法,作者总结和分析了各类冻土弹塑性本构模型的理论基础、建模方法、参数确定方法等内容,对进一步发展可准确描述冻土复杂力学行为的本构模型具有指导意义。     

连云港软黏土的不排水强度试验研究

对连云港软黏土不扰动样和重塑样进行三轴CU对比试验研究。结果表明,不扰动样的不排水强度包线是由以屈服压力为界的双折线组成,而重塑样的不排水强度包线可以用通过圆点的直线表示。屈服前阶段,不扰动样由于受结构性影响产生的抵抗作用,其不排水强度包线高于重塑样;屈服后阶段,不扰动样的不排水强度包线介于具有不同初始含水率的重塑样的包线之间。通过对比分析,发现不扰动样与重塑样的不排水强度包线存在差异的主要原因是由于试样的不同初始含水率引起的。不扰动样在屈服后阶段的含水率变化规律与不排水强度增长规律与重塑土相一致,采用Burland提出的孔隙指数Iv,可将不同初始含水率重塑样及屈服后阶段不扰动样的压缩性状较好地归一化。     

非饱和压实土率相关变形特征与时效模型

为研究高填方路堤压实土率相关变形特征,对不同压实度的非饱和压实土分别开展了不同加载速率以及不同围压条件下的CD三轴剪切试验,探讨了不同工况下压实土的剪切强度指标;借助GDS饱和土静态三轴仪的围压控制器来间接测定非饱和压实土体变的途径。试验结果表明：压实土强度及变形特征具有明显的时间相依性,加载速率越大,压实土的抗剪强度越高,超固结变形特性越强,抗剪强度指标黏聚力c值增幅较大、内摩擦角 值增幅较小;低围压下,压实土呈应变软化及剪胀变形,且压实度越高,应变软化及剪胀变形越显著,c值增加明显、 值增加缓慢。采用基于下负荷面的弹黏塑性本构模型对路基压实土的率相关变形特征进行表征,预测结果与试验数据吻合良好,表明该模型适用于高填方路堤长期沉降分析。     

结构性黏土的压缩变形特性

海相软黏土的结构性对土体的变形与强度特性有着重要的影响,这种影响与爆炸挤淤置换法处理软基的置换深度直接相关,是海堤基础沉降与稳定性分析的不确定因素。为了探究结构性对海堤地基沉降的影响,并对海相软黏土的压缩特性进行定量分析,建立结构性黏土的压缩变形模型,同时给出模型参数的确定方法。利用文献中的试验数据对模型进行了验证,结果表明模型不仅适用于一维应力状态下的变形分析,能够描述三轴应力状态下结构性黏土的压缩特性。利用所建模型对浙江漩门地区海相软黏土的压缩特性进行模拟,分析表明,模型能较好地考虑结构性对该地区软黏土压缩变形的影响,为该地区海堤沉降的预测提供量化分析的手段,有助于加强结构性黏土地区海堤地基设计与施工的理论基础。     

土结构性对天然软黏土压缩特性的影响

天然软黏土普遍受到土结构性的影响,明确结构性对软黏土压缩特性的影响机制显得尤为重要。对两个天然软黏土原状样进行室内一维固结试验,得到的压缩曲线与已有文献中搜集的39个原状样压缩曲线进行比较。压缩曲线在对数坐标下均呈现倒S形,并存在明显的结构屈服压力。采用双对数坐标处理后,压缩曲线可由双直线较好地表示,易于确定固结屈服压力。41个原状样屈服后的压缩指数和屈服点含水率之间的定量关系,与基于重塑土定量公式计算的压缩指数与固结屈服压力下重塑土含水率的定量关系相一致。对比结果表明：天然软黏土屈服后的压缩特性取决于屈服时的含水率,而与土结构性无关,解释了天然土压缩曲线位于重塑土上方是由于对应屈服点含水率不同而引起的。