堆石料的剪胀特性与广义塑性本构模型

以三轴试验成果为基础,考虑颗粒破碎引起堆石料剪胀比与应力比之间的非线性关系,提出了能够反映堆石料低围压剪胀、高围压剪缩特性的剪胀方程。在广义塑性理论框架内构造堆石料的塑性流动方向向量和加载方向向量,引入依赖于密实度与平均应力的压缩参数,构造随平均应力、剪应力比和密实度变化的塑性模量,建立了一个考虑颗粒破碎的堆石料弹塑性本构模型。阐述了该模型10个参数的确定方法,并通过模拟不同围压和不同应力路径下堆石料的三轴压缩试验资料验证了模型与参数的合理性。     

Q1黄土的弹塑性损伤本构模型

在陕西洛惠渠五洞简易盾构法施工现场进行了取样，分析了Q1黄土的应力—应变曲线特性及物理性状，根据连续损伤力学和热力学定律，提出了Q1黄土的弹塑性损伤本构模型。并将模型计算结果与试验曲线进行了比较，模型验证结果表明，该模型能够较好模拟Q1黄土的软化和剪胀性。     

土体弹塑性本构模型研究概述

土的本构模型是对土体进行研究和土工数值分析的关键。本文对土体弹塑性本构模型的发展过程加以介绍，并侧重介绍了近年来正在发展中的模型。     

堆石料强度变形特性与非线性弹性本构模型研究

在大型三轴试验研究的基础上,提出了堆石料应力-应变关系、侧向应变与轴向应变关系的指数函数表达式,以及抗剪强度包线在q-p平面上的幂函数表达式。继而推导得到了一个反映堆石料强度与变形特性的非线性弹性本构模型。通过对实体工程的数值模拟,将Duncan E-B模型与新建模型进行了对比分析,验证了该模型的可行性。     

考虑颗粒破碎效应的堆石料静动力本构模型

为合理反映颗粒破碎对堆石料力学特性的影响,基于试验结果分析,得出了堆石料在压缩和剪切作用下的颗粒破碎特性规律。通过引入压缩破碎和剪切破碎的相关参数,借鉴已有本构模型的合理定义,吸收临界状态理论和边界面理论的优点,发展了考虑颗粒破碎和状态相关的堆石料静动力统一弹塑性本构模型,并阐述了模型参数的确定方法。该模型不仅能够反映堆石料在静力荷载作用下的低压剪胀、高压剪缩、应变软化和硬化等特性,还能够反映在循环荷载作用下应力-应变的滞回特性和残余变形的累积效应。最后为验证模型的合理性,分别对堆石料的静力三轴和循环三轴试验进行了数值模拟预测,结果表明：模型预测与试验数据吻合良好,所提出的本构模型能够合理地描述颗粒破碎对堆石料静动力变形特性的影响。     

堆石料的临界状态与考虑颗粒破碎的本构模型

高应力水平时堆石料的颗粒破碎对其强度和变形机制有重要影响。临界状态土力学理论对重塑土的应力-应变关系的描述较为成功,但目前颗粒破碎对堆石料的临界状态的影响及其数学描述鲜有研究。对堆石料进行了固结应力从0.4 MPa到4 MPa的18组固结排水和固结不排水常规三轴压缩试验,以及6组等向压缩试验。试验结果表明：在排水条件和不排水条件下,不同的固结应力试样都趋于临界状态;堆石料的临界状态在q-p′平面和e-lgp′平面均为非线性变化。基于此试验结果,通过引入状态参数,在广义塑性力学的理论框架下,建立了考虑颗粒破碎的堆石料本构模型,并给出了模型参数的确定方法。与长河坝料的试验进行了对比,结果表明所建议的本构模型可以较好地模拟堆石料从低围压0.4 MPa到高围压 3.5 MPa下的应力-应变特性     

基于相变状态的砂土本构模型的研究

为了很好地描述砂土的应力应变特征,通常利用以临界状态孔隙比为基础的状态参数建立弹塑性本构关系,但是对于密砂排水试验,临界状态参数很难测到。相变状态作为一特征状态,相关参数较容易测得。因此,本文定义了以相变状态孔隙比为基础的状态参数,并引入砂土的剪胀和边界应力比表达式,建立砂土的弹塑性本构模型。最后,利用本文提出的模型参数得到的密砂模拟结果与试验结果相吻合,较好地反映了密砂的应变强化和软化力学特征。     

剪胀性砂土本构模型的研究

对于中密砂和密砂,剪胀现象是一个比较显著的特征,相变线是描述剪胀现象的一条特征线,它比较容易确定。因此,以相变线作为状态参考线,提出并定义了一种状态参量,在已有弹塑性模型基础上,将状态参量引入剪胀方程和塑性硬化模量表达式中,建立了一个新的考虑砂土剪胀性的本构模型。该模型尤其适合于中密砂和密砂,对于松砂则退化为原弹塑性模型。模型形式较简单,包含9个材料参数,且比较容易确定。数值模拟结果与试验数据吻合较好。     

非饱和黄土的弹塑性软化本构模型

通过对陕西杨陵地区的非饱和黄土进行等应力比压缩试验和常规三轴试验,在对试验结果的应力-应变曲线特性进行分析的基础上,由试验结果直接确定屈服函数,根据Drucker公设,即相适应的流动法则,选择合适的硬化参数,建立了非饱和黄土的弹塑性本构模型,并将模型计算结果与试验结果进行比较。结果表明,该模型能够较好地模拟非饱和黄土与固结应力有关的应变软化现象,计算的变形规律与试验结果基本吻合。     

海相沉积软黏土的弹塑性本构模型研究

在深入探讨海相沉积原状软黏土压缩、变形等力学特性和详细分析加载屈服面随荷载情况变化的基础上,确认了海相沉积原状软黏土的强度、变形特性与结构屈服应力密切相关。即当固结压力小于结构屈服应力时,其力学特性与超固结重塑土的力学特性类似;当固结压力大于结构屈服应力时,其力学特性与正常固结重塑土的力学特性类似。为描述海相沉积原状软黏土的上述力学特性,将姚仰平等提出的超固结重塑土本构模型引入到海相沉积软黏土弹塑性本构模型的构建中。在本构模型构建过程中,考虑了海相沉积原状软黏土具有的抗拉强度及其演化规律,软黏土强度包线的特点及其进一步修正的表达式,使模型更符合海相原状软黏土的强度、变形特性。最后,将3种不同海相沉积软黏土固结排水剪切试验得到的应力-应变-体变曲线与模型预测结果进行对比。比较结果显示,本文提出的弹塑性本构模型能很好地描述海相沉积原状软黏土的剪缩硬化、剪胀软化以及变形的应力水平依存性等力学特性。     

循环荷载作用下考虑颗粒破碎的堆石体本构模型

中国西部兴建的很多200～300 m高的堆石坝处于高烈度地震区。应力水平高时堆石体的颗粒破碎对其在循环荷载作用下的应力、应变特性有重要的影响。基于广义塑性理论,通过引入状态参数,建立了循环荷载作用下考虑颗粒破碎的堆石体的本构模型,并给出了模型参数的确定方法。与堆石体在400、800、1 500、2 200 kPa围压作用时的试验结果对比,表明所提出的本构模型可以较好地模拟循环荷载作用下颗粒破碎时堆石体的动应力和动应变响应。     

堆石料Gudehus-Bauer亚塑性本构模型改进及参数确定方法

研究了Gudehus-Bauer亚塑性本构模型和模型参数的求取方法。采用侧限压缩试验曲线求取模型参数颗粒硬度hs和指数n。根据模型方程的推导,建立了拟合指数 和 与围压之间的关系,并提出了新的拟合参数。考虑到堆石料具有明显的剪胀、剪缩性,在Gudehus-Bauer模型线性项中增加了主要控制体积应变项 ,以改善模型对堆石料体积应变曲线的描述。采用堆石料大型侧限压缩试验、常规三轴试验分别验证了新的拟合参数和改进后的Gudehus-Bauer亚塑性本构模型。与堆石料试验成果比较,提出的新拟合参数与改进后的Gudehus-Bauer亚塑性本构模型可以较好地模拟堆石料的应力-应变特性,并较好地改善了堆石料体变曲线的模拟结果。对改进后的模型作了常规三轴加、卸载模拟,模拟结果反映了改进的Gudehus-Bauer亚塑性本构模型具有一定的卸载适应性。     

复杂应力路径下堆石体本构模型比较验证

目前对堆石体应力-应变关系特性的研究主要建立在常规三轴试验的基础上,对复杂应力路径上堆石体本构模型的验证工作尚不充分。利用糯扎渡高心墙堆石坝主堆石料复杂应力路径大型三轴试验成果,对国内常用的堆石体本构模型--邓肯-张EB模型、清华非线性解耦KG模型和沈珠江双屈服面模型进行了比较和验证。结果表明,邓肯-张EB模型通常会夸大堆石体的体积压缩变形,其加卸载准则无法正确判别一些复杂应力路径的加卸载状况,清华KG模型和沈珠江双屈服面模型对堆石体复杂应力路径的适应性相对较好。     

基于堆石坝竣工期沉降观测数据的材料非线性本构模型参数反演

为了高效和准确地确定堆石料的非线性本构模型参数,提出了基于响应面方法的参数反演方法。采用有限元方法数值模拟了堆石坝的分层填筑过程。建立了堆石坝变形观测点沉降的响应面函数,确定了多项式响应面函数的系数。根据堆石坝竣工期变形观测数据和确定的响应面函数,采用优化方法反演确定了堆石料本构模型参数。工程实际应用结果表明,该方法具有较高的计算效率,预测的堆石坝沉降变形与现场观测值吻合较好。     

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。     

高聚物胶凝堆石料静力特性试验研究

采取加固措施可提高土体抗剪强度、减小变形等。采用聚氨酯高聚物胶凝堆石料加固土石坝以改良堆石料强度、变形特性。开展了聚氨酯胶凝堆石料三轴剪切试验研究,结果表明：聚氨酯胶凝堆石料偏应力-轴向应变曲线具有明显的非线性,抗剪强度提高;采用抛物线拟合偏应力-轴向应变曲线,可反映其应变软化和应变硬化,并得到初始弹性模量随聚氨酯含量的提高而提高;聚氨酯泡沫填充堆石颗粒间孔隙并将堆石颗粒黏结在一起,减少颗粒破碎、颗粒重排列,使堆石料剪缩特征减弱,当聚氨酯含量高时表现出剪胀;聚氨酯增加了堆石料准黏聚力,对内摩擦角无明显影响。通过有限元方法对堆石坝变形和稳定性进行分析,结果表明,聚氨酯加固堆石坝可减少边坡浅层滑动,增大滑弧深度,提高坝坡稳定安全系数。