一个统一描述饱和-非饱和土温度效应的热–弹塑性本构模型

地热资源开发与利用及核废料地质处理等诸多岩土工程问题,都需要考虑温度对饱和土和非饱和土应力应变特性的影响。为了综合反映温度和吸力对土的先期固结压力的影响,首先提出了不同温度下土的先期固结压力的表达式。然后将此表达式与黏土–砂土统一状态参数模型屈服面相结合,考虑了温度和吸力对正常固结线及临界状态线的影响,提出了一个统一描述饱和–非饱和土温度效应的热–弹塑性本构模型。该模型分为饱和段（吸力小于某一温度下的进气值或排气值）与非饱和段（吸力大于某一温度下的进气值或排气值）。模型预测与试验数据的对比表明,该模型能够较好地定量描述不同温度下饱和土和非饱和土的应力、应变特性。     

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。     

考虑基质吸力变化时非饱和土的一维本构模型

当地下水位上升或地面遇水浸润时,土的饱和度将因毛细作用而变化,以此使土体产生变形。其中由于含水量增加而使土的重度增大,从而引起压缩变形;同时含水量的增加而使基质吸力下降,从而引起土的回弹变形,因此最终变形取决于上述两种变形趋势的综合效应。根据广义Hook定律、Fredlund的双应力状态变量及Brooks和Corey关于基质吸力与饱和度之间的经验关系,建立了K0状态下非饱和土的一维本构模型。将这一模型与分层总和法相结合,可以计算基质吸力变化时土的竖向变形。通过研究发现,非饱和土的地面变形不仅取决于土的性质与土层的厚度,而且依赖于土中吸力变化前后的分布及应力状态等因素。所建议的一维本构模型可以用于非饱和土地基上基础的沉降估算。     

非饱和土的本构模型研究

引用平均土骨架应力的概念,研究推导出非饱和土的刚度参数随吸力变化而变化的关系式,进而推导得到用平均土骨架应力表述的非饱和土LC屈服面函数以及硬化规律。从土力学原理推导,得到土样由于在净应力和吸力作用下产生体积变形引起土样饱和度变化的关系式。由平均土骨架应力推广,得到三轴应力状态的椭圆屈服函数,这一非饱和土本构模型的优点在于考虑了应力作用后土样饱和度的变化,通过对已有试验数据的初步验证,表明提出的非饱和土本构模型的合理性和适用性。     

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。     

一个高饱和度非饱和土的本构模型

高饱和度的非饱和土中由于气体处于封闭状态,其内部气压的变化必将对土体的行为产生影响。首先,对高饱和度非饱和土特性进行探讨和研究,随后,在已有非饱和土模型框架基础上,采用广义有效应力原理,建立一个适用于高饱和度条件下的非饱和土的弹塑性本构模型。模型中引入气相耗散的影响,在硬化方程中考虑封闭气体压力改变的影响。最后,利用已有的试验结果来对模型进行验证,并将模型预测结果与前人模型进行对比,表明模型预测可以很好地预测土体的行为,尤其是在高饱和度条件下其结果比其他模型更加接近实际情况。     

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。     

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。     

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。     

控制吸力循环荷载下非饱和黏性土的弹塑性双面模型

建立非饱和土在动态荷载作用下的本构模型有助于解决相关的工程问题。在塑性增量流动理论框架内,将BBM(Barcelona basic model)模型与笔者提出的塑性硬化准则相结合,考虑控制吸力的循环荷载作用,建立了一个描述非饱和黏性土的弹塑性双面模型。该模型包含一个边界面和一个几何相似的加载面,二者结合记忆中心的概念,共同描述应力路径周期性改变加载方向时非饱和土的非线性、循环塑性和变形累积特性。采用动三轴剪切试验确定了一种非饱和黏质粉土的动态力学特性,分析了吸力、净围压和动应力幅值对循环塑性的影响。模型预测与非饱和土在静、动态加载下的试验结果的对比显示,二者吻合较好,表明所建立的弹塑性双面模型能够模拟非饱和土在控制吸力循环荷载作用下的力学行为。     

非饱和土水-力本构模型及其隐式积分算法

在已有工作基础上建立了水力-力学耦合的非饱和土本构模型,在硬化方程中考虑饱和度的影响,同时在土水特征曲线中考虑了塑性体变的影响,从而使模型可以反映非饱和土中的毛细现象与土中弹塑性变形现象的耦合行为。采用隐式积分方法,建立了非饱和土耦合模型的数值模型,并推导了得到了水力-力学耦合的非饱和土的一致切线模量。利用该算法编制了本构模型计算的子程序,使其能向外输出切线刚度矩阵,用于有限元计算。为了验证该算法和程序的正确性,用所编制程序对不同路径下的土体行为进行了预测。通过预测结果与试验结果相对比,表明程序预测结果与试验数据相吻合,模型可以较好地模拟土体的水力-力学耦合行为特性。     

任意干湿路径下非饱和土的水力耦合本构模型

大量试验表明饱和土样经历脱湿过程进入吸湿阶段后,在高饱和度区域,残余气体会以封闭气泡的形式分布在土样孔隙中,此时土样呈现较大的压缩性,当吸湿过程结束基质吸力再为0 kPa时,土样并不会达到完全饱和状态。韦昌富等(2008)提出的非饱和土的本构模型没有考虑残余含气量的影响,认为土样在吸湿过程后仍能达到完全饱和状态,这与实际情况有一定偏差。为了更精确地模拟真实情况,基于考虑不同残余含气量的毛细滞回内变量理论和忽视残余含气量影响的非饱和土的水力耦合本构模型,提出了考虑不同残余含气量影响的非饱和土的修正本构模型。通过和实测数据的比较,修正模型可以较好地模拟任意干湿路径下的非饱和土力学特性。     

非饱和土的清华弹塑性模型

为研究土在非饱和增湿情况下的应力、应变和强度关系,提出将含水率引入清华模型的硬化参数中建立非饱和土的清华弹塑性模型。通过在干土中掺加冰屑的方法进行增湿试验,表明该模型可以预测不同含水率的非饱和土的应力-变形和强度关系,从天然风干状态增湿到其他含水率的应力-应变全过程的计算结果也与试验结果相符合。将含水率直接引入弹塑性模型而不去研究复杂的基质吸力,可能是非饱和土本构模型工程应用的一条简便途径。     

非饱和黏土状态相关本构模型的数值实现

基于双重塑性机制,即剪切滑移和加载湿陷机制,及毛细滞回和变形间的耦合作用,提出了一个适用于非饱和黏土的状态相关本构模型。建立了该模型的隐式积分算法,并处理了双重固相屈服面交点处的应力积分问题。考虑了吸力与应力间的关系,推导了本构关系的一致性切线模量。最后,利用该模型预测了一组非饱和黏土的三轴试验,以此反映模型的描述能力;对比了不同应变步长下应变控制试验的计算结果,并以此验证算法的收敛性和准确性;利用有限元程序平台U_DYSAC2计算了二维情况下非饱和土地区地基固结问题,从而验证所得一致性切线模量的有效性。     

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。     

考虑残余含气量的非饱和土的水力耦合本构模型

大量的非饱和土干湿循环试验表明,当土体处于吸湿过程直至吸力降低为0 kPa时,土体并不能达到完全饱和状态,还存在一定的残余气体。在高饱和度时,由于残余气体以封闭气泡的形式分布在土体中,土体呈现较大的压缩性,使其与饱和土的性质不同。在这种状态下,现有的非饱和土本构模型预测到的土饱和度为100%,与试验结果存在一定的偏差。为了使本构模型在高饱和度状态时具有较高的精度,对非饱和土的毛细滞回和塑性变形耦合本构模型进行了修正,使其能够考虑残余含气量的影响。通过预测与实测结果比较,证明了新模型能够有效地模拟残余含气量对非饱和土力学特性的影响。     

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。     

川西崩坡积混合土循环荷载下非饱和动本构模型

在川西地区,由砂砾石与黏土颗粒构成的混合土路基经常会发生沉降变形问题。对于交通荷载作用下土体中的累积变形,可通过建立循环荷载作用下的动本构模型进行描述。在边界面弹塑性理论的框架内,综合考虑崩坡积混合土非饱和状态和细颗粒含量两大主要影响因素,结合能比较真实描述非饱和土体湿陷性能的LC(loading-collapse)屈服曲线,同时基于可移动映射中心的映射准则,采用经典的修正剑桥模型作为塑性势方程,构建了混合土的非饱和动本构模型,其参数可通过拟合或常规试验获得。通过与试验结果进行对比,该模型不仅可以较好地反映非饱和混合土在静载和循环荷载下的力学特性,而且能够真实地预测土体在加、卸载过程中的滞回特性。其结果可为川西混合土路基沉降变形预测提供理论依据。     

考虑温度影响的软岩弹塑性本构模型

煤矿的深度开挖、核废料的地下储存和能量桩的广泛应用等诸多的岩土工程问题都需要考虑温度对软岩力学特性的影响。为了能较为全面地描述软岩的力学特性,基于上下负荷加载面,引入温度等价应力的概念,在tij应力空间下构建了一个可同时考虑温度效应、中间主应力影响、结构性、超固结性等软岩力学特性的弹塑性本构模型。新模型的所有参数都具有明确的物理含义。通过理论曲线与试验结果进行对比,验证了所提本构模型的正确性。最后通过改变模型参数,对新本构模型的性能进行了分析讨论。计算结果表明：（1）增大超固结比发展控制参数m或者减小结构状态发展控制参数m*,将会提升软岩的剪切强度。（2）随着温度的上升,软岩的剪切强度反而减弱。（3）初始的超固结比越大,软岩的剪胀特性更明显;而初始的结构性较大时,其体积应变在剪切的最后阶段表现为剪缩。     

非饱和土剑桥模型的基本框架

分析了用有效应力原理和用两个应力变量建立非饱和土力学理论的区别与联系，借助于有效应力原理将饱和土的剑桥模型推广到非饱和土，并与现有的几种塑性模型作了对比分析。