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。     

黏土的应力路径本构模型

根据黏土应力-应变曲线的特点及其应力路径的相关特性,将作者所建立的砂土应力路径本构模型扩展用于黏土,建立了黏土的应力路径本构模型,利用变换应力方法将SMP准则用于黏土的应力路径本构模型,使模型得到了合理的三维化。黏土的应力路径模型与修正剑桥模型相比,在双向加载A区和卸载D区二者完全相同;在单向加载B区和F区,两种模型均可计算塑性应变;特别是在C区和E区,黏土的应力路径模型可计算塑性应变,而修正剑桥模型的塑性应变为0。通过与修正剑桥模型比较和对藤森黏土试验结果的预测,反映了黏土应力路径本构模型描述黏土在不同应力路径条件下应力-应变特性的优越性。     

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。     

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。     

非饱和土三轴压缩应力路径试验的数值模拟研究

应力路径对土的强度和变形性质具有重要影响。相对于饱和土而言,控制吸力条件下的非饱和土三轴压缩状态的应力路径研究更加复杂。随着非饱和土本构理论的不断发展,理论和试验研究结果表明,非饱和土弹塑性本构模型可以用来近似地描述非饱和土的强度和变形性质。因而,运用非饱和土弹塑性本构模型对控制吸力条件下的3种非饱和土三轴压缩应力路径试验进行数值模拟是一种有效的理论研究手段。采用Barcelona模型能够对此类试验进行较好的数值模拟,其研究结果表明,在控制吸力条件的三轴压缩状态下应力路径对非饱和土的强度和变形性质具有重要影响。     

砂土应力路径本构模型的试验验证

建立了砂土应力路径本构模型,揭示了应力路径影响砂土应力-应变关系的本质,在平均应力p变化不大的条件下主要是剪应力比的影响。当使用该模型计算应力-应变关系时,将应力路径线性化,分别计算等平均应力p路径和等应力比 路径上的应变。利用试验对模型所引用的关系式 进行验证,试验结果和 的理论值较为吻合,证明了模型引用关系式 的合理性。并利用模型对复杂路径下砂土的应力-应变关系进行预测,对模型预测与试验结果进行比较,结果表明模型可以合理地考虑复杂应力路径对砂土应力-应变关系的影响。     

考虑颗粒破碎对特征孔隙比影响的堆石体亚塑性本构模型

颗粒破碎是影响堆石体强度和变形特性的主要问题之一。相比于砂土,堆石料在较低的应力水平下就会发生严重的颗粒破碎,因此,在进行堆石体力学特性及本构模型研究时必须考虑颗粒破碎的影响。同时,堆石体在受力过程中孔隙比是变化的,而传统本构模型不能使用一组参数模拟不同孔隙比的同种材料。因此,以能够考虑应力水平和土体孔隙比影响的Gudehus-Bauer亚塑性本构模型为基础,考虑堆石体有别于砂土的孔隙比变化特征,提出了考虑堆石破碎的亚塑性本构模型。亚塑性理论是目前可最大限度地减少人为假定的一种本构理论,颗粒材料在不同特征应力路径下,破碎造成的过度变形量不同;但相同应力水平、不同特征应力路径下孔隙比已不满足Gudehus-Bauer亚塑性本构模型中提出的等比例变化规律。据此,结合考虑颗粒破碎的临界状态理论和堆石体常规三轴试验和循环加载试验结果,提出了考虑颗粒破碎堆石体特征孔隙比的表达式,并将其引入到Gudehus-Bauer亚塑性本构模型中,建立了考虑颗粒破碎的堆石体亚塑性本构模型,提出了模型参数的确定方法。与堆石体试验结果对比表明,该本构模型可以较好地模拟其力学与变形特性。     

粗粒土的离心模型试验与数值模拟

岩土工程数值计算中粗粒土常采用邓肯-张本构模型,为了验证该模型在轴向加载、卸载、侧向加载等复杂应力路径条件下的适用性,进行了粗粒土的三轴试验获取其力学特性及本构模型参数;根据相似性原理制作了堆石坝的离心模型试样,并采用与三轴试验同样级配与粒径的粗粒土进行复杂应力路径的堆石坝离心模型试验,试验中通过改变离心加速度模拟加载、卸载,利用上游蓄水模拟坝体的侧向加载;采用ABAQUS对离心模型试验进行三维数值模拟,并研究了模型箱侧壁摩擦系数与土体的初始应力对数值结果的影响。通过比较离心模型试验与数值模拟成果,表明土体的初始弹性模量对计算结果影响较大,初始应力应选择自重作用下的应力场;邓肯-张本构模型能较好地描述堆石坝的加载应力路径,而模拟卸载应力路径有一定的差异,需要改进邓肯-张本构模型中卸载模量的确定方法。     

基于数值建模方法的弹塑性固结问题解耦研究

研究了弹塑性固结问题的解耦方法。首先,在数值建模方法下得出土的弹塑性本构关系,推导了两类问题下的应力-应变关系统一矩阵式,并将数值建模方法与Biot固结理论相结合,建立了基于此本构关系的固结问题控制方程的增量形式。考虑应力路径的影响,讨论了此类液-固耦合问题的解耦条件,导出了在该条件下的扩散方程和非耦合控制方程,并编制有限元程序计算了两个典型算例,通过对比分析表明,该方法简单合理,能考虑剪胀性对固结规律的影响。     

基于SFG模型的统一屈服面本构模型与试验研究

将SFG模型中的加载湿陷屈服面（LC屈服面）与BBM模型中提出的吸力增加屈服面（SI屈服面）统一成为单独光滑的屈服面,基于弹塑性理论框架,推导出相应的弹塑性本构模型。通过非饱和固结直剪试验对江西红土的模型计算参数的应力-应变曲线与试验结果进行对比。结果表明：模型对多种应力路径下非饱和三轴试验的计算结果与相应试验的测定结果较为吻合,验证了模型能较好地模拟非饱和土在多种应力路径下的体应变行为。统一屈服面简化了加载湿陷屈服面与吸力增加屈服面之间的耦合分析,解决了因双屈服面的不连续而造成计算不便问题,拓宽了SFG模型的适用性。     

Numerical Method for Modeling the Constitutive Relationship of Sand under Different Stress Paths

Overonehundredconstitutivemodelsforsand havebeenproposed,howeveronlyafewmodelsare widelyappliedinengineering.Therearetwochief reasonsforthis.(1)Sandiscomposedofgeological materialsandsituatedinaneutralenvironmentthat hassufferedvariousactions.Therefore,itisdifficult todescribethecomplexbehaviorofsoilsbyusinga simplemathematicalmodelwithonlyafewparame ters.(2)Therealsoexistsabasicparadoxintradi tionalmodelingmethods.Oneaspectofthemodelsis neededtodescribetheconstitutiverelationofsoilac curatel…     

非饱和土的水力和力学特性及其弹塑性描述

简单回顾了非饱和土本构模型研究的发展历程,总结了近几年非饱和土弹塑性本构模型最新研究成果,重点介绍了能统一模拟非饱和土水力性状和力学性状耦合的弹塑性本构模型。通过对建立模型过程中的几个核心问题讨论,较详细地说明该类模型的结构、性能以及相关问题。非饱和土水力性状的滞回性用假定存在饱和度弹性区间的弹塑性过程来模拟;该类耦合模型不仅考虑了吸力对非饱和土水力性状和力学性状的影响,还考虑了饱和度对应力-应变关系和强度的影响以及土体变形对土-水特征曲线的影响。用同一套模型参数,耦合模型可统一预测在吸力控制或含水率控制下沿各种应力路径下非饱和土的水力-力学特性,并简单介绍了膨胀性非饱和土的弹塑性本构模型以及耦合模型在有限元数值计算中的应用。     

Gudehus-Bauer亚塑性本构模型研究

无黏性土的应力-应变关系可以用Gudehus-Bauer亚塑性本构模型来模拟,该模型强调应力增量的大小和方向不仅与当前应力状态有关,而且还取决于当前应变增量的大小和方向。为分析其与传统弹塑性理论的不同之处,对Gudehus-Bauer理论的线性项和非线性项进行了研究,并对不同初始孔隙比下Gudehus-Bauer亚塑性模型的应力-应变关系进行了探讨。结果表明Gudehus-Bauer亚塑性模型不用把应变分为弹性和塑性部分就能考虑不可逆变形,并能体现密砂的剪胀特性和应变软化特性以及松砂的剪缩特性和应变硬化特性。     

An AI-based model for describing cyclic characteristics of granular materials

Modelling cyclic behaviour of granular soils under both drained and undrained conditions with a good performance is still a challenge. This study presents a new way of modelling the cyclic behaviour of granular materials using deep learning. To capture the continuous cyclic behaviour in time dimension, the long short-term memory (LSTM) neural network is adopted, which is characterised by the prediction of sequential data, meaning that it provides a novel means of predicting the continuous behaviour of soils under various loading paths. Synthetic datasets of cyclic loading under drained and undrained conditions generated by an advanced soil constitutive model are first employed to explore an appropriate framework for the LSTM-based model. Then the LSTM-based model is used to estimate the cyclic behaviour of real sands, ie, the Toyoura sand under the undrained condition and the Fontainebleau sand under both undrained and drained conditions. The estimates are compared with actual experimental results, which indicates that the LSTM-based model can simultaneously simulate the cyclic behaviour of sand under both drained and undrained conditions, ie, (a) the cyclic mobility mechanism, the degradation of effective stress and large deformation under the undrained condition, and (b) shear strain accumulation and densification under the drained condition.     

Method of Numerical Modeling for Constitutive Relations of Clay

INTRODUCTIONThe mechanical responses of soils are more com-plicated compared with metals.By comparing thephysical and mechanical properties of the metals withsoils,Lade(1988)found that there are17differentpoints between the metals and soils,which differfrom metals inthree basic mechanical characteristics:pressure sensitivity,dilatancy,and dependence ofstress path.Wang(2004)proposed a principle of theinteraction between plastic volume and shear strains,that is,there are two relatively inde…     

加筋砂土挡墙面板刚度效果的数值分析

为了对加筋砂土挡墙面板的刚度效果有一个合理、定量的把握,利用非线性硬化-软化弹塑性有限元方法对相关的一系列室内模型试验结果进行了系统全面的数值分析。有限元解析中所采用的砂土本构模型是以修正塑性功为基本状态量的弹塑性硬软化模型,该模型可以较为精确地模拟砂土的应力路径效应。结果表明,利用这种较高精度的有限元方法对加筋砂土挡墙的变形破坏进行解析,不仅能较好地模拟加筋砂土挡墙基础底面的平均压力与沉降之间的关系,同时也能较好地再现由于面板刚度变化对加筋砂土挡墙基础的承载力以及渐进性变形破坏的影响。随着面板刚度的增加,面板对剪切带的抑制作用将随之增加,具体表现在砂土围压σ3增大所带来的砂土强度σ1的提高,进而使得加筋砂土挡墙的峰值承载力也随之增大。