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。     

土的基本力学特性及其弹塑性描述

Cam-clay模型是在等向加载试验基础上建立起来的且能够描述正常固结土在常规三轴试验条件下应力-应变关系的最简单弹塑性模型,是建立各种土的弹塑性本构模型的基础。文中分别按加载方式的不同和土组构的不同,对描述与应力状态、应力历史、应力路径、持荷时间等因素有关的加载方式下土应力应变特性的弹塑性本构模型进行了归纳。对反映不同组构所形成的结构性、各向异性和颗粒破碎等特性的弹塑性本构模型进行了综述,并着重介绍了描述应力状态的三维化方法、反映应力历史影响的超固结土模型和模拟渐近状态路径的渐近状态模型等典型研究成果。     

热-力耦合作用下垃圾土体积变形特性和模型研究

城市生活垃圾填埋场因有机质降解产热导致其内部温度长期高于环境温度,引发工程运维问题。垃圾土温控三轴试验结果发现,温度变化引起的垃圾土体积应变与应力水平有关,且弹性体积应变占比较大,影响以塑性体积应变为硬化参数的弹塑性本构模型研究。在前期试验基础上,采用GDS温控应力路径三轴仪,研究了排水条件下温度对垃圾土中黏土体积变形特性和压缩特性的影响,并与相同条件下垃圾土体积变形特性进行比较,揭示了温度变化对垃圾土体积变形特性的影响机制。基于垃圾土温控三轴试验结果,推导了垃圾土热弹塑性压缩指数λ_T和热弹性压缩指数κ_T的确定方法;采用等效应力原则,假设温度变化引起的弹塑性体积应变等于某一等效应力增量引起的弹塑性体积应变,建立了垃圾土在热-力耦合作用下的体变计算模型,并对模型进行了验证分析。研究结果表明,孔隙比是影响垃圾土温度体积应变的主要因素;垃圾土的λ_T和κ_T随初始固结应力的增加而减小,比黏土高一个数量级;选取常温下相应固结应力水平的回弹指数κ和压缩指数λ比例值(κ/λ)能够较好地模拟热-力耦合作用下垃圾土的体...     

基于应变空间硅藻质软岩的软化本构模型

三轴试验结果表明,软岩具有显著的应变软化特征。正常固结软岩表现为峰值后较缓的软化特征,而超固结软岩峰值强度后的应力-应变曲线呈陡降软化特征。应变空间表述的弹塑性理论在解决大应变和软化问题时比应力空间表述的弹塑性理论更具有优越性。基于应变空间的基本的弹塑性本构方程式,采用Mises剪切屈服准则及相关联流动法则,导出固结不排水三轴条件下的应力-应变本构关系式,并采用不同的硬化函数表达式对软岩在不同围压下的应力-应变曲线进行数值模拟。结果表明,应变空间的弹塑性理论能较好地模拟软岩应变软化特征,其中硬化函数的确定是关键问题之一。通过研究,提出了用于固结不排水状态下正常固结软岩的硬化函数形式。     

考虑温度影响的非饱和土本构模型

首先建立了反映温度对非饱和土前期固结压力影响的加载-升温(loading thermal, LT)屈服线,而后基于真强度概念并结合潜在强度的确定方法推导出不同温度下非饱和黏土临界状态应力比的理论计算公式;将LT屈服线与反映常温下吸力对土体前期固结压力影响的加载-湿陷(loading collapse, LC)屈服线结合,建立了加载-升温-湿陷(loading thermal collapse, LTC)屈服面,该屈服面综合考虑了温度和吸力对土前期固结压力的影响;最后在临界土力学框架内建立了一个考虑温度影响的正常固结非饱和土本构模型,并将其扩展到超固结非饱和土。与巴塞罗那模型相比,所提出的模型仅增加了一个参数来反映非饱和土的前期固结压力随温度升高而降低的特性。模型能够综合描述温度、吸力以及不同超固结程度对土应力、应变的影响,方便于数值计算和有限元分析。模型预测和试验分析表明,某一固定吸力下升温会使正常固结非饱和土强度提高;对于超固结非饱和土,升温或湿化均会破坏土体超固结,降低软化和剪胀的效果。     

一个深海能源土弹塑性本构模型

天然气水合物赋存在低温高压环境中,会在土颗粒间形成胶结从而增大深海能源土抗剪强度。基于损伤力学理论,将结构性砂土本构模型推广应用于深海能源土分析中,模拟计算了三轴固结排水剪切试验,再根据应力-应变曲线关系定量反演初始屈服系数与水合物饱和度之间的函数关系,并修正了原有的结构性砂土破损规律,建立了深海能源土弹塑性本构模型。另外,根据该模型模拟了另外一组深海能源土三轴剪切试验和等向固结压缩试验。计算结果表明：新建立的深海能源土本构模型可以有效模拟深海能源土剪切强度随水合物饱和度之间的增长关系;随着水合物饱和度的增加,三轴压缩试验中深海能源土峰值强度及割线模量(E50)逐渐增加,等向固结压缩试验中屈服强度增加,与试验结果有较好的一致性,表明了该模型的合理性。     

率相关本构模型的临界状态描述

临界状态是土的重要破坏特征,是当今许多土本构模型建立的基础。由于工程和试验中不能忽略时间因素,临界状态实际上是土在一定的时间作用下或者说一定的加载速率作用下表现出的破坏规律。率相关本构模型作为考虑了时间对土应力-应变关系影响的本构模型,理应可以描述临界状态。通过使用较为常用的率相关本构模型——过应力弹黏塑性模型对三轴不排水和排水剪切进行预测,探讨了这些模型对临界状态的描述情况。预测结果表明:(1)第1类过应力弹黏塑性模型(该模型认为屈服面是黏塑性体积应变率的等值面)计算所得的三轴不排水应力路径在临界状态线的下方出现应变软化,并且应力路径趋向于坐标原点,不能终止于临界状态;(2)第2类过应力弹黏塑性模型(认为屈服面是黏塑性标量因子的等值面)在对高应变率三轴排水剪切进行预测时,所得的最终应力比超过临界状态应力比;(3)第3类过应力弹黏塑性模型,亦即时间UH模型(认为屈服面是统一硬化参量变化率的等值面,并认为土产生应力塑性变形)在三轴不排水和排水剪切条件下均能较好反映临界状态。通过3种模型的公式分析了前述预测结果产生的原因。     

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。     

考虑温度影响的改进西原流变模型及一维固结解

随着我国热能源开发,热力管道工程大规模应用,由此带来的岩土体应力、变形、渗流和温度耦合作用问题已经成为岩土工程领域的研究热点。在长期荷载作用下,岩土体的变形和强度随时间而变化,尤其是软土,具有明显的流变特征。传统的各流变模型并未考虑升温方式和温度对其各参数的影响。为了能更好地反映流变固结特性,考虑软黏土的黏弹塑性,在西原模型基础上,引入温度膨胀系数,建立了热力耦合作用下的改进西原模型,给出了其应力-应变关系,并利用Laplace变换和逆变换求解了一维热固结方程,得到了其解析解。计算结果表明:固结压力一定时,温度升高加快土体固结;温度一定时,土体中孔压随固结压力增大而减小;改进西原模型的弹性模量越大,孔压消散速率越大,土体固结越快;土颗粒受温度影响而产生的热膨胀对于孔压消散的作用非常小;黏滞系数越小,孔压消散更快,土体固结越快;试验结果与考虑土体的黏弹塑性的热力耦合改进西原模型计算结果吻合,改进西原模型可以较好地描述土体的热力耦合特性。     

土体三维卸荷弹塑性模型及其试验验证

天然土体经历开挖卸荷应力路径后,其应力变形特性与常规加载应力路径条件下规律存在较大差异。目前常用土体本构模型大多建立在等向固结单向加载三轴试验基础上,没有考虑初始K0固结和开挖卸荷应力路径的影响。以剑桥模型为基础,借鉴关口-太田模型的建模思想,通过引入新的应力比参数,对p-q平面上屈服轨迹硬化轴进行旋转,调整弹性区范围,以反映初始K0固结的影响;再运用变换应力法将模型三维化处理,从而使模型可以描述土体三向不等向应力状态,最终得到一个能综合反映土体K0固结开挖卸荷应力-应变特性的三维弹塑性本构模型。通过和典型室内应力路径试验结果进行对比,验证了模型的合理性。     

一个考虑循环荷载作用的简化模型

基于塑性硬化模量场理论和多重屈服面模型,结合各向同性硬化准则和移动硬化准则,在新的应力空间建立了一个新型不排水循环荷载作用下的多屈服面模型,并推导了一个适合三轴试验的简化的多屈服面模型。在此基础上,结合一个循环荷载作用下的动孔压模型,进行了饱和软黏土的动三轴模拟试验。结果表明,文中建立的多屈服面模型能够较好地模拟循环三轴试验、直剪试验和平面应变条件下的试验。     

A Transversely Isotropic Damage Model for Boom Clay

Boom clay can be considered as a transversely isotropic geomaterial. However, due to lack of experimental evidence and data base, it is still difficult to describe the transversely isotropic plastic behavior of this argillaceous rock. In this paper, we present first, by means of an experimental approach, the main features of the mechanical properties of Boom clay. Then, combining the transversely isotropic elastic model and the modified Mohr–Coulomb criterion, a suitable constitutive model is introduced so as to fully describe the mechanical behavior of the studied material, in which, an elastic damage law which takes into consideration, the transversely isotropic effect, a plastic hardening law and a plastic damage law were introduced to describe the nonlinear elastic, hardening and softening behavior of Boom clay. As a preliminary step, the evolution law of both elastic moduli and Poisson’s ratio during the elastic stage was obtained by direct analysis of the test data. The synchronism of the elastic damage in both transversal and axial directions was proved by this method. Some of the parameters of the model in the elastic stage were also determined by direct analysis method and further verified by back analysis. Other unknown parameters in the model were determined by back analysis.     

冻融作用下岩石力-热-水耦合本构模型研究

在寒区隧道工程中,冻胀的水分迁移作用加剧了隧道围岩的冻融破坏。耦合水分迁移作用的岩石本构模型对防治冻融渗漏、崩塌等隧道围岩灾害有着重要意义。基于内状态变量理论,将冻胀过程中的水分迁移量作为本征变量引入Helmholtz自由能,在热力学框架下建立了一个岩石力-热-水耦合本构模型。模型描述了温度和水分迁移对冻融后岩石损伤阈值、等向强化饱和值、等向强化速率等力学参数的影响。模拟了岩石冻融后力学性质的劣化。区别于全量经验公式,本模型以增量形式给出,为复杂应力历史条件下的数值模拟提供了便利。通过将模型模拟曲线与冻融后岩石常规三轴压缩试验曲线进行对比,初步验证模型的可靠性,为实际寒区工程的冻胀破坏预测提供参考。     

结构性土UH模型

在描述重塑土的统一硬化模型（UH模型）基础上,以动态地移动正常固结线（MNCL）代替静态的正常固结线（NCL）作为参考线来确定参考应力,将土的结构性衰减体现在MNCL的演化中,从而把UH模型扩展为可考虑土结构性的结构性土UH模型。结构性土UH模型可以合理地并连续光滑地描述结构性土的等向压缩规律、应变硬化、应变软化、剪切体积收缩、剪切体积膨胀、不排水剪切减压软化以及结构性和密度耦合影响等力学特性。相比于UH模型,结构性土UH模型新增3个参数,分别用于描述结构性的程度、衰减速度、以及塑性流动规律。通过3种天然土的试验结果与模型预测对比验证了结构性土UH 模型的合理性。     

基于旋转运动硬化理论的修正剑桥模型的改进

修正剑桥模型是最早建立和得到广泛承认的经典土体弹塑性模型之一,但不能模拟应力路径转折时土体的应力-应变特性以及应力引起的各向异性。将旋转运动硬化理论引入到剑桥模型中,给出了椭圆屈服面的旋转运动硬化机制,在不增加任何模型参数的情况下,把等向硬化的修正剑桥模型扩展为旋转运动硬化模型。扩展的新模型既保留了单调加载时的等向硬化的特性,又能反映应力路径转折时土体的本构特性与应力诱发的各向异性,初步验证了模型的有效性。     

各向异性弹黏塑性模型在ABAQUS中的研发

通过将Perzyna过应力理论与临界状态理论相结合,并引入Wheeler旋转硬化法则,提出一个能描述土体初始各向异性及应力诱发各向异性的三维弹黏塑性本构模型。模型考虑流变发生的下限,在三维应力空间,模型存在形状相似的静屈服面及动态加载面。采用缩放形式的幂函数。本构模型数值算法采用回映算法,借助ABAQUS软件UMAT子程序接口实现。并通过对三轴不排水蠕变试验的模拟,确定合适的积分步长。此后,分别对三轴不排水蠕变试验及常应变率三轴不排水剪切试验进行了模拟。模拟中通过设置不同参数值,可将模型退化为各向同性模型,并对这两种模拟结果进行了比较。模拟结果表明：(1) 对于三轴不排水蠕变,在低剪应力水平下,各向同性模型和各向异性模型模拟的结果相差不大,而在高剪应力水平下,各向异性模型模拟结果更接近试验结果;(2) 对于常应变率加载试验的模拟,模型合理反映了土体不排水强度随着加载速率的增大而增大现象。     

The influence of anisotropy on compaction bands: The case of coaxiality between stress and fabric anisotropy tensors

Compaction bands are localized failure patterns that appear in highly porous rock material under the effect of relatively high confining pressure. Being affected mainly by volumetric compression, these bands appear to be almost perpendicular to the most compressive principal stress of a stress state at the so-called “cap” of the yield surface (YS). In this study, we focus on the mechanism that leads to the onset of compaction bands by using a viscoplasticity model able to describe the post-localization response of these materials. The proposed constitutive framework is based on the overstress theory of Perzyna (1966) and the anisotropic clay plasticity model of Dafalias (1986), which provides not only the necessary “cap” of the YS, but introduces a rotational hardening (RH) mechanism, thus, accounting for the effect of fabric anisotropy. Following the analysis of Veveakis and Regenauer-Lieb (2015), we identify the compaction bands as “static” cnoidal wave formations in the medium that occur at a post-yield regime, and we study the effect of rotational and isotropic hardening on their onset. Moreover, we determine a theoretical range of confining pressures in triaxial compression tests for the compaction bands to develop. Under the assumption of coaxiality between stress and anisotropy tensors, the results show that the isotropic hardening promotes compaction localization, whereas the RH has a slightly negative effect on the onset of compaction localization.     

循环荷载作用下饱和软黏土的损伤模型

基于各向同性弹塑性损伤和Prevost模型的基本理论,把弹塑性等向硬化、运动硬化和各向同性损伤结合起来,推导了循环荷载作用下不排水饱和软黏土的弹塑性动力损伤本构模型。由循环累积塑性偏应变建立损伤演化方程,以描述循环加载对软黏土结构的破坏作用,并通过对循环三轴试验的模拟验证了模型的有效性。结果表明,提出的模型能较好地描述饱和软黏土在循环荷载作用下的变形、孔压变化及模量损伤过程。     

不同固结条件下黏土数值化建模的研究

研究了不同初始固结压力条件对黏土本构关系的影响。进行了2组不同固结条件下的排水压缩试验,即等压固结条件和K0固结条件。采用数值建模方法,以 和 为硬化参数的双屈服面模型为框架,通过对试验数据空间的反演获得两种不同初始条件下的黏土弹塑性本构关系,并在整个应力场 可视化。将该数值模型嵌入有限元程序对三轴压缩试验进行数值模拟,并与试验曲线及相同路径下的剑桥模型和Duncan-Chang模型关系曲线进行对比。结果表明,数值建模方法有较好的容错性,能很好地反映应力历史的影响,能模拟真实应力路径。     

考虑饱和黏土初始各向异性的循环边界面塑性模型

天然土体的初始各向异性通常可对其后继循环特性产生显著影响。现有考虑循环载荷作用的土体弹塑性模型,往往采用类似修正剑桥模型的椭圆形屈服面,已有研究表明,该椭圆形屈服面因其拉伸弹性区域偏大,针对天然K0固结状态的土体,其计算精度较差。基于新近提出的广义各向同性硬化准则,在边界面方程中引入初始各向异性张量,并采用空间滑动面破坏准则（SMP）的变换应力法,建立了能考虑饱和黏土初始各向异性的循环边界面塑性模型。分别针对等压和偏压固结的饱和黏土静、动三轴试验进行模拟,结果表明,该模型能合理反映土体的初始各向异性及其后继循环动力特性。