非饱和原状黄土弹塑性损伤流固耦合模型及其初步应用

非饱和原状黄土具有显著的结构性,结构性对其力学变形特征有着较大影响,但鲜有报道将结构性引入到非饱和黄土地基湿陷变形的多场耦合响应分析中,该领域亟待进一步深入。以已建立非饱和原状黄土弹塑性损伤本构模型为基础,将其纳入到非饱和土流固理论中,结合非饱和原状黄土水气运移规律,建立考虑结构性的非饱和原状黄土弹塑性损伤流固耦合模型。对新建流固耦合模型的控制方程在时间域和空间域上进行离散,得到单元模量矩阵各元素的具体表达式,并编写多场耦合分析有限元程序ULEDSC。利用新编程序对黄土地区的大型现场浸水试验(以兰州和平自重湿陷性黄土场地的浸水试验为例)进行数值计算,得到浸水和停水阶段的孔压场、位移场以及损伤场等关键变化特征,以初步揭示湿陷性黄土地基浸水沉降变形过程中的多场耦合响应机制。研究成果可为黄土地区的工程实践提供一定参考,新编程序也能为初步解决黄土地基的湿陷性问题提供可能。     

非饱和原状黄土的非线性损伤本构模型研究

作者以损伤理论为基础,建立了非饱和原状黄土的非线性损伤本构模型,模型可反映原状非饱和黄土独特的力学特性。该模型共包含13个参数,都可以通过试验测定。该模型进一步揭示了非饱和土体中某些应力应变特性的内在规律,从而把非饱和黄土的本构模型研究推到了一个新的水平。     

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。     

非饱和增湿条件下典型黄土湿陷性研究

利用自制装置,对原状典型黄土试样(柱状)进行不同饱和程度的非饱和增湿,分析增湿过程中土样不同位置处水分的分布规律。对完成增湿过程的试样进行湿陷性测试,并定义非饱和增湿湿陷系数,用以探讨非饱和增湿条件下试样不同位置及总体的湿陷性特征。研究结果表明,低增湿目标含水率时,随着时间增加,原状黄土土柱上层含水率呈速度减缓的下降趋势,下层含水率呈速度减缓的上升趋势,黄土土柱含水率分布不均匀;高增湿目标含水率时,随着时间增加,黄土土柱上层含水率呈速度加快的下降趋势,下层含水率呈速度加快的增长趋势,黄土土柱含水率分布均匀,且趋于均匀的时间缩短。随增湿目标含水率的增加,黄土土柱每层的非饱和增湿湿陷系数增长速度加快,底层与上层系数数值靠拢,黄土土柱整体非饱和增湿湿陷系数增大且随着压力的增加呈速度加快的增长趋势。低增湿目标含水率时,增湿时间越短土柱整体非饱和增湿湿陷系数越大;高增湿目标含水率时,时间越长土柱非饱和增湿湿陷系数越大。成果可为黄土非饱和湿陷性的研究及评价提供一定的参考及依据。     

非饱和原状黄土强度特性的试验研究

用新研制的非饱和土直剪仪,进行了4组16个控制吸力的非饱和土直剪试验,得到了原状黄土的抗剪强度曲线。分析和探讨了非饱和原状黄土的强度特性。研究表明,同吸力对应的抗剪强度线在 - 图中的位置明显不同,且呈直线式上升;在试验研究的吸力范围内,原状黄土的摩擦角随吸力的变化很小,而粘聚力呈随吸力线性增加。     

饱和黄土的性质与非饱和黄土流变模型

对西安地区相关数据统计分析，把西安市饱和黄土、软黄土的工程性质与一般黄土进行详细对比，指出它们之间的工程性质差异。同时重点介绍推导非饱和黄土加载体积流变模型过程以及模型的适用条件，对该模型的应用作了分析。     

黄土弹塑性损伤本构模型基本构架研究

黄土由于特殊的结构性,其变形和强度受到力和水的共同影响,因此对于黄土的力学研究必须同时考虑力和水的作用。根据热力学和连续损伤力学理论以及黄土在加载和增湿作用下的能量转换过程及结构破损过程分析,提出了黄土的损伤变量、加载损伤和增湿损伤的定义以及它们之间关系,并提出由塑性、加载损伤和增湿损伤三部分组成可以考虑加载和增湿作用的黄土弹塑性损伤本构模型的基本构架,为建立黄土的结构性模型提供一种新的思路。     

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。     

考虑渗流和变形耦合的黄土湿陷数值计算

以甘肃陇西地区自重湿陷性黄土作为研究对象,建立了渗流和变形耦合的黄土湿陷变形模型,然后利用Galerkin有限元法对基本方程进行空间离散,在时间域内用差分方法离散,并用Fortran语言编程计算。结合具体的试验条件计算得知：渗流计算结果与实际较为吻合;计算湿陷变形量比实测的大,并且土体非饱和程度越大,差异越大。因此,建议在建立湿陷变形本构关系时考虑时间因素。     

真三轴条件下的原状黄土增湿变形特性

为了研究复杂应力条件下原状黄土的增湿变形特性,利用改进的非饱和土湿陷真三轴仪,在测量吸力条件下对原状黄土进行双线法分级浸水增湿试验,探讨力-水耦合作用下吸力的变化特性,研究真三轴浸水试验的增湿变形特性,以及吸力、净围压、中主应力和应力比对增湿变形的影响。研究结果表明:由e_i-lgp压缩曲线确定了非饱和土的屈服点,屈服点之前,曲线的斜率近似相等;屈服点之后,曲线的斜率随着初始吸力的减小而减小,且非饱和土与饱和土的交点随着初始吸力的增大呈右下方移动趋势。等向压缩过程中,吸力随着净平均应力的增加近似呈线性减小趋势,初始吸力越小,吸力减小的速度越慢,且吸力变化量越小。均压分级浸水增湿时,吸力s随着浸水量w的增加而减小,增湿体变e_v^sh随着浸水量w的增加而增大,不同净围压下的evsh-w关系曲线相互有交叉。交叉区域之前,净围压越大,增湿体变越小,而交叉区域之后,净围压越大,增湿体变越大。在同一净围压条件下,浸水量相同时,初始吸力越大,增湿体变越大。真三轴剪切增湿试验中,应力比k、中主应力参数b值和净围压s3皆对增湿变形有一定的影响...     

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。     

非饱和黄土非线性K-G模型试验研究

K-G模型较之E-μ模型有较好的优越性,每个参数都能与土的剪切模量或体变模量直接联系,便于岩土工程的非线性理论和计算分析。以西部甘肃永登非饱和黄土为研究对象,进行大量不同湿度下的非饱和黄土常规三轴试验,获得不同初始饱和度下的K-G模型参数,进一步研究这些参数随初始饱和度的变化规律,建立模型参数和初始饱和度的相关表达式。在实际工程中,用测得的非饱和黄土的湿度指标,就可以得到黄土的K-G模型参数进行非饱和黄土的增湿数值模拟计算分析,避免吸力的量测和计算,具有一定的工程实际应用价值。     

非饱和上海软土水力和力学特性耦合弹塑性模拟

目前大多数非饱和土的弹塑性本构模型用非饱和击实土的试验结果进行验证,但现场其他类型的土,如沉积土经常有在非饱和状态下外部环境变化的情况。现有的非饱和土弹塑性模型是否适用于沉积土一类的现场土是需要研究的课题。进行非饱和上海第③层土的吸力控制排水排气三轴剪切试验,使用文中提出的能统一考虑非饱和土水力性状和力学性状的弹塑性本构模型,预测上述三轴试验结果,并与试验数据进行比较。比较结果显示,建立的本构模型能够很好地预测非饱和上海软土的水力和力学性质,说明该模型不仅可以适用击实土的预测,还能够很好地适用于其他类型非饱和土的水力和力学性质的模拟。     

非饱和黄土结构性定量试验研究

非饱和黄土是典型的结构性土,对4种含水率的原状非饱和黄土和重塑非饱和黄土进行了3种围压下的三轴剪切试验。基于二元介质理论,通过原状非饱和黄土和重塑非饱和黄土的应力-应变曲线对比,定义了结构性参数结构应力分担比。考察了不同围压和含水率对结构应力分担比随应变变化的影响,并给出了其定量表达式。试验结果表明,围压和含水率是影响结构性的两个主要因素;随着应变增长,结构应力分担比分先线性增长后指数形式减低,其最大值可以表示成围压和含水率的函数。最后给出了考虑结构性的原状非饱和黄土本构模型的建模思路。     

以塑性功为硬化参数的Q2原状黄土弹塑性模拟

为了研究非饱和Q2原状黄土的力学特性,通过三轴压缩试验、各向等压试验和三轴试验卸载、再加载试验获得Q2原状黄土的力学参数,并结合弹塑性力学理论,推导出Q2原状黄土的屈服函数和以塑性功为硬化参数的硬化规律,采用相关联流动规则,建立非饱和Q2原状黄土弹塑性本构模型。通过模型计算与试验实测值比较,表明该模型基本上能反映Q2原状黄土的力学特性。     

非饱和土损伤模型与应用

非饱和土应力状态是采用有效应力( –ua)和基质吸力(ua–uw)作为应力状态变量,相应的Mohr-Coulomb破坏包面是在有效应力、基质吸力和剪应力的三维坐标系中的曲面（通常在应用中假定为平面）。根据应变等效性原理定义损伤变量,由非饱和土给出损伤变量与偏应力的曲线,并得到非饱和土的损伤阈值与基质吸力呈指数函数关系。采用一非饱和土土坡开挖过程的算例,说明基于损伤演化描述的稳定性数值分析方法可行。     

不同应力路径下非饱和黄土的结构变化特性

以陕西杨陵非饱和黄土为研究对象,对不同初始含水率的原状黄土及相应的重塑黄土进行不同应力比下的等应力比加载试验,求取非饱和黄土在不同应力状态下的综合结构势参数,研究了黄土在等应力比压缩试验状态下的结构变化特性。结果表明,当初始含水率不变时,应力比(?=?3/?1)对黄土的结构性有较大的影响,表现为应力比愈小,黄土的结构性愈弱;当应力状态不变时,含水率对结构性参数影响明显。含水率愈低,同一应力状态下对应的结构性参数愈大,尤其在低含水率区域,含水率变化强烈影响原状黄土的结构性。