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。     

循环荷载下双曲线模型修正土体一维固结解

假定土体的应力-应变关系满足双曲线模型、渗透系数的降低与压缩系数的减小成正比以及初始有效应力沿深度均匀分布,推导出任意荷载下单层地基的非线性一维固结方程。结合具体的定解条件采用分离变量法求出土体有效应力的通解,并进一步求出超静孔隙水压力、按沉降定义的平均固结度Us以及按孔隙水压力定义的平均固结度Up的通解。根据通解求出梯形低频循环荷载作用下的解,并找出循环荷载作用下土体固结性状的影响因素。基于循环荷载作用下的解,采用FORTRAN语言编制了计算程序,计算并分析考虑土体本构关系非线性时的固结性状,以及反映土体本构特征的参数E和n对固结性状的影响。计算结果表明：①Us稍大于Up;②距排水平面越近,附加有效应力受加载方式的影响越明显,距排水平面越远则相反;③E和n对Us的影响很小,可以忽略不计;④E和n对Up和附加有效应力的影响较大且不容忽略。     

土体与时间相关的－维应力－应变性状、弹粘塑性模型和团结分析（续）

土体与时间相关的－维应力－应变性状、弹粘塑性模型和团结分析（续）殷建华ＪａｃｋＩ．Ｃｌａｒｋ（加拿大纽芬兰纪念大学冷海资源中心）７ＥＶＰ模型参数的确定在假说Ａ中，太沙基因结理论被用来计算团结中超孔隙水压力和压缩，次团结系数被用来估计次团结中的蠕变压缩...     

沉积泥砂非线性大变形固结沉降计算模型

沉积形成的水底黏性泥砂自重固结过程表现出显著非线性大变形固结特征,应采用大变形固结理论进行泥砂沉积固结计算。基于软黏土一维非线性大应变固结理论,应用有效应力、渗透系数与孔隙比间扩展幂次函数固结本构关系,由达西定律、有效应力原理、连续介质方程等建立大变形固结控制方程,根据固结单元孔隙水渗流、单元变形与泥砂沉积层固结沉降耦合关系形成黏性泥砂大变形自重固结数值模型。泥砂自重作为固结荷载,数值模型假定沉积泥砂各向同性且固结沉降应变、孔隙水渗流仅发生于竖直方向,为一维单向沉积固结过程;采用泥砂沉降柱试验确定泥砂非线性扩展幂次函数关系参数。模型应用中,划分竖向固结单元,由沉积泥砂固结本构关系确定各固结单元有效应力及超孔隙水应力,通过超孔隙水应力时间维度上的消散过程及各固结参数间的耦合关系计算泥砂固结沉降。数值模型计算结果表明,沉积黏性泥砂自重固结初期表现为有效应力调整过程,初始有效应力与孔隙比根据固结本构关系匹配调整为扩展幂次函数关系;沉积泥砂应变与应力固结度存在20%左右误差,泥砂固结沉降发展快于超孔隙水应力消散过程,证明沉积泥砂固结沉降变形的发展与超孔隙水应力消散并非同步耦合。计算模型应用于室内沉降柱试验模拟淤积黏性泥砂自重固结沉降预测中,模型输出与试验结果符合良好。     

一个描述软黏土时效特性的一维弹黏塑性模型

为了描述软黏土一维应力-应变关系的时效特性,基于Bjerrum的等时间线体系,提出等黏塑性应变率线概念,推导了黏塑性应变率与黏塑性应变增量的关系,建立了软黏土的一维弹黏塑性模型;从理论上分析了新建模型与3种典型的一维弹黏塑性时效本构模型的内在联系,表明新建模型与其他3种模型在本质上是等效的,且形式更简洁,物理意义更明确;利用新建模型对软黏土的固结-蠕变耦合效应、应变率效应、应力松弛效应等时效特性进行了理论分析,并得到了相应的解析解;结合宁波软黏土的一维固结试验,阐述了模型参数的确定方法,并用新建模型对宁波软黏土的固结-蠕变试验、温州软黏土的一维多级等应变率试验、香港海相软黏土的一维应力松弛试验进行模拟,验证了新建模型的有效性。研究结果表明,新建模型能很好地模拟软黏土的一维时效特性。     

循环荷载作用下黏弹性地基一维固结性状研究

针对单层黏弹性地基模型,对循环荷载作傅立叶级数展开,由固结方程求得循环荷载作用下不透水（透水）边界饱和软黏土一维固结解析解。通过不同渗透系数、黏滞系数和弹性模量以及黏弹性与弹性不同地基模型比较等对有效应力的影响,进行了固结性状分析。结果表明、在循环荷载作用下地基中各点的有效应力并不随荷载的变化而同步变化,而是按一定规律滞后发展;有效应力最终达到一个稳定状态,每一个加载卸载循环下有效应力幅值在一个振荡周期的平均值变化趋近于0;软黏土的流变特性对固结的影响主要发生在中、后期。     

考虑非达西渗流和应力历史的土体非线性固结研究

黏土在低水力坡降下偏离达西定律的现象及应力历史对土体变形的影响已为人们所认识,但能够同时考虑非达西渗流及应力历史影响的土体固结理论还很鲜见。在传统太沙基一维固结理论基础上,引入经典的Hansbo渗流模型,并考虑土体在不同应力状态下的变形特性,建立实际变荷载作用下土体的非线性固结模型。利用有限差分法对模型进行数值求解。在保证数值解可靠性的基础上,着重分析非达西渗流对超固结土固结性状的影响及非达西渗流下应力状态对固结性状的影响,并分析比较其异同点。结果表明:非达西渗流下超固结土的固结速率要比达西定律下慢,且随非达西渗流模型参数m、i_1值的增大,固结速率的减慢愈加明显;对考虑非达西渗流的不同应力状态土体而言,超固结土的固结速率最快,且超固结土在外荷载作用下产生的地基最终沉降值最小;对考虑非达西渗流的超固结土而言,前期固结压力越大、回弹再压缩指数越小,则土的固结速率越快,地基土的最终沉降值越小。     

统一硬化模型与下加载面模型的理论关系

Hashiguchi下加载面本构模型是国际上具有较大影响力的超固结土本构模型之一。因此,选取该模型进行理论和构建方法分析,并与UH模型进行对比。对比结果表明,Hashiguchi下加载面模型通过定义单一的数学公式来拟合超固结土内变量的变化规律,从而得到了超固结土应力−应变关系的公式;而统一硬化（unified hardening,简称UH）模型掌握了超固结土体的强度特性,因而能够更准确、合理地描述超固结土的应力−应变关系。相较于Hashiguchi下加载面本构模型,UH模型在理论上更为先进。同时,两个模型的试验预测与试验数据的对比也验证了UH模型在数值计算上的正确性与优越性。     

硅藻质软岩的三维弹粘塑性模型分析

基于Perzyna的弹粘塑性理论的基本假设、粘塑性流动法则及殷建华和Graham的三维弹粘塑性模型,得出了在三轴应力状态下的本构关系表达式。殷建华和Graham的模型提出了“等效时间”,“瞬时时间线”,“参考时间线”,“极限时间线”等一系列新的概念。用三轴应力状态下的本构关系表达式对软岩的固结不排水三轴剪切试验进行了模拟计算,并与试验结果进行了比较。结果表明：数值模拟计算结果与试验结果几乎一致。该模型简单、实用、精度较高,可以模拟硅藻质软岩材料与时间有关的应力-应变关系、孔隙水压力与应变的关系,以及有效应力路径等。     

结构性土固结不排水剪特性的一种描述方法

针对结构性土的固结不排水剪性状,提出一种基于扰动状态概念的描述方法。通过三轴固结不排水剪试验,分析了结构性土固结不排水剪切过程中的剪应力、孔隙水压力与轴向应变的关系特点。根据扰动状态概念的原理,采用邓肯-张的非线性弹性模型描述相对完整状态的应力-应变关系,用孔隙水压力作为参量定义了一个新的扰动函数,构建了一种描述结构性土固结不排水剪性状的本构关系。经验证,模型计算结果与试验数据吻合较好,可统一描述应变软化型和应变硬化型应力-应变关系。     

软黏土变形时效性的试验及经验模型研究

对汕头东部入海口的吹填软土进行了一维次固结试验和三轴固结不排水蠕变试验,分析了这两种机制不同的蠕变特性。一维试验结果表明,软黏土的应力-应变关系呈现出明显的非线性特征,且当土体处于超固结状态时,其主固结和次固结变形相对于正常固结状态会变小,预压可以提高土体的结构屈服强度。在三轴固结不排水蠕变试验中,孔压会随时间一直发展,即有效应力不断减小。当偏应力较小时,土体的变形最终会趋于稳定,应变率也随时间一直减弱;而当荷载增加到临界值时,土体的变形会随时间快速发展,发生加速蠕变破坏。引入分数阶导数的概念,建立了含分数阶导数的Merchant模型,对两种试验数据分别进行拟合并给出了参数范围,结果表明:与经典的Merchant模型相比,分数阶导数Merchant模型能更好地描述软土的蠕变变形,而且模型简单、参数少,能很好地应用到实际工程中。     

软土主次固结划分及影响因素探讨

主、次固结的划分是正确预测和分析软土地基变形并采取有效工程措施的关键问题之一。利用单向固结仪和三轴剪切仪,对天津典型软土进行了一系列一维压缩次固结试验和三维次固结试验,得到荷载、孔隙比、孔隙水压力、体积应变和时间的关系曲线。试验结果表明:由孔隙水压力消散确定的主次固结划分时间滞后于体应变划分时间;所提出的采用应变速率和应变关系来划分主次固结的方法可以合理地适用于各种荷载条件;主固结时间随试样高度的增大而增大,随排水条件的加强而减小;随着荷载等级的增大,主固结时间延长;当荷载小于结构屈服应力时,加荷比对主次固结划分的影响较小,当荷载大于结构屈服应力时主固结时间随着加荷比的增大而延长;预压后土体的主固结应变与总应变的比值比无预压的情况增大30.7%,且该值随着预压荷载的增大而增大。     

某软土深基坑工程时间效应有限元分析

软土地区的深基坑因土体的固结作用和流变性而具有了时间效应。本文以Biot固结有限元法为基础,用三元件模型中的第一个线性弹簧模拟固结作用,弹性模量考虑了开挖应力路径和应力历史的影响;另外一部分(KELVIN模型)来模拟土体的流变性,以实际变形的反演来得到两个参数的大致取值,再对基坑的变形情况以及进一步开挖进行分析。假定为正常固结饱和粘土,平面应变问题。通过对某饱和软粘土地基深基坑开挖工程实例的分析,得到的挡墙水平位移曲线与实测曲线很吻合,表明程序较好地反映出基坑的时间效应。     

k0固结条件下淤泥土排水蠕变特性研究

利用室内试验研究土体蠕变特性时,因受试验条件限制较少开展土体的排水蠕变特性试验研究。对于先还原土体的先期固结条件,然后再开展土体的三轴排水蠕变特性试验的研究更少。为此,以淤泥土为研究对象,通过 固结三轴排水蠕变试验探讨了饱和淤泥土在轴向加载和侧向减载条件下的排水蠕变特性。由试验数据可知：排水条件下,两种应力路径的轴向蠕变规律基本一致,体积应变明显小于轴向应变,且随时间的延长呈现一定程度的剪缩与剪胀交替性。首次利用三单元力学模型推测出淤泥土的蠕变起始时间为施加偏应力荷载后的100～200 min之间。提出淤泥土蠕变系数的概念并总结其变化规律,得知淤泥土的蠕变系数与偏应力水平密切相关,即不论围压及加载方式如何,蠕变系数均随应力水平增大而增大,且基本呈直线关系,而与前期固结围压大小、蠕变荷载施加方式关系不大。最后提出了淤泥土蠕变本构模型建立的思路,即用南水双屈服面模型描述瞬时变形量和用蠕变经验公式描述蠕变变形量相结合的方式来建立蠕变本构模型。     

任意荷载下双面半透水边界分数阶导数黏弹性饱和土层一维固结

基于Terzaghi一维固结理论,分析了考虑半透水边界条件的分数阶导数黏弹性饱和土层在随时间变化的任意荷载作用下一维固结问题。首先,应用Laplace变换联立求解饱和土层一维固结微分方程和分数阶Kelvin-Voigt黏弹性本构方程,推导出有效应力和沉降在Laplace变换域内的解析解,采用Crump方法进行Laplace逆变换,得到了时间域内的半解析解。然后将本文得到的半解析解分别退化为半透水边界条件下基于黏弹性假设的一维固结半解析解和双面透水边界条件下基于分数阶黏弹性假设的一维固结半解析解,结果与已有文献的半解析解相同,验证了本研究所提出解的可靠性。最后通过算例分别考察了半透水边界参数、分数阶黏弹性模型参数和荷载参数对饱和土层固结沉降的影响。研究表明,半透水边界条件参数、分数阶次与黏滞系数主要影响饱和土层固结的发展快慢,而饱和土层的最终沉降量主要受到土层压缩模量的影响;另外,饱和土层的固结规律与外荷载变化规律一致。     

红粘土动本构关系与动模量衰减模型

针对高速交通循环荷载下红粘土路堑基床的动力稳定性问题,基于大量室内动三轴试验,研究了不同试验条件下原状结构红粘土动本构关系及动模量衰减规律。试验成果表明:原状结构红粘土动本构关系仍可用R.L.Kondner双曲线模型描述;动模量随动应变的增大非线性减小,具有明显的应变软化特征。围压、固结比、含水比对红粘土动本构特征及动模量衰减规律均有明显影响。不考虑其它因素,随围压或固结比的增大,动本构曲线逐渐偏向应力轴,随含水比的增大,动本构曲线逐渐偏离应力轴。同等条件下,动模量随围压、固结比的增大而增大,随含水比的增大而减小。基于回归分析,给出了不同试验条件下原状结构红粘土双曲线模型参数、动模量衰减经验公式及其拟合参数。     

碎石桩复合地基大变形非线性固结模型

基于分段线性差分法,建立了一种碎石桩复合地基大变形非线性固结模型SC1。该模型可以进行等应力和等应变条件下桩土复合地基固结分析,同时能够考虑涂抹区、井阻、桩土自重、变荷载,以及固结过程中桩土参数的非线性变化和大变形问题,并编制了 Fortran 计算程序。分别采用基于等应变假设的桩土复合地基解析解和室内试验数据验证了模型的正确性,小变形条件下,该模型数值解与有无井阻及涂抹区的桩土复合地基解析解均能较好吻合;大变形非线性条件下,模型计算结果与室内试验数据基本一致。采用该模型预测实际工程,随固结时间延长,模型等应力与等应变的沉降量计算值相差逐渐增大,现场实测值介于等应力和等应变条件下模型计算结果之间。     

黄土固结蠕变特性试验研究

基于杨凌地区黄土的单向固结试验资料,分别研究了加载条件下原状黄土和扰动黄土的固结蠕变特性,由试验数据整理分析出不同含水率、不同固结压力下的固结蠕变曲线簇,根据蠕变曲线形态特征,推导出单向固结条件下黄土的应变-时间关系并拟合得到该关系中的参数,在分析参数与固结压力之间关系的基础上推导出黄土的一维固结蠕变本构关系,经试验证明,该关系能较好的描述杨凌地区黄土的固结蠕变特性。另外,基于试验资料以及Buisman次固结系数的概念,分析出次固结系数与固结压力之间的定量关系,为确定固结压力对黄土次固结特性的影响提供了一种新途径。     

超固结粘土的二元介质模型

为了分析超固结粘土边坡的变形和稳定的需要,在岩土破损力学的框架内建议了一个适用于这类土的二元介质模型。该模型考虑了土体内在的不均一性,把它看作由结构块和结构带组成的复合体,两者共同分担外荷载,模型包含10参数,并拟定了这些参数的测定方法。通过模拟三轴试验的计算表明,该模型可以反映London粘土的应力-应变特征。     

地基固结沉降随机有限元计算和可靠度分析

基于比奥（Biot）固结理论，采用邓肯-张本构模型，考虑随机场的影响，首次给出了地基固结沉降随机有限元分析方法，并基于随机有限元对点固结沉降和差异固结沉降的可靠度进行了分析。