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。     

一个基于热力学的土体本构模型

修正剑桥模型假设体积塑性功的一半转化为耗散能,一半转化为由塑性变形约束的自由能,但通常体积耗散能和塑性体积自由能并不相等。基于热力学理论,通过引进间隔应力比来表征体积塑性功和塑性体积自由能的比例关系,构建了一个土的体积硬化模型。由于岩土材料耗散函数与所处的应力状态有关,因此,需要应用非关联流动法则,修正剑桥模型是适合应用相关联流动法则的一个特例,也是所提出模型的一个特例。     

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。     

砂土-格栅筋土界面特性的本构模型研究

基于砂土与土工格栅、土工织物界面的室内大型直剪试验,分析了两种不同界面的力学性能。试验结果表明,峰值、残余剪切应力与界面剪胀性曲线存在一定的联系,即峰值强度通常会发生在界面相对减缩过程结束和残余剪切强度发生在界面的相对剪胀过程结束。加载过程中由于土工合成材料的逐步磨损、褶皱或者断裂导致了筋土界面强度出现较为明显的强度软化现象,在界面抗剪强度的研究中不可忽略。在试验基础上提出一种能够描述筋土界面力学性能的组合本构模型,该模型包含4个关系式：(1) 峰值、残余强度包络线;(2) 强度峰值前的双曲线模型;(3) 强度峰值后的位移软化模型;(4) 反映剪胀特性的界面剪胀模型。该组合模型的预测结果与直剪试验结果吻合较好,表明所用模型是合理的。     

不同土壤转换函数预测砂土非饱和导水率的对比分析

以现有的4种土壤转换函数(Pedotransfer Functions, PTFs)(包括ROSETTA、RAWLS、CAMPBELL和VAUCLIN)为例,将其用于土壤水力性质数据库UNSODA中56个典型砂土样本的非饱和导水率预测,对4种PTFs的预测结果进行了误差分析,探讨了饱和导水率对非饱和导水率预测的影响。结果表明,当同种PTFs预测的饱和导水率作为输入时,在4种PTFs中VAUCLIN的预测精度最高,其次为ROSETTA和RAWLS,CAMPBELL的误差最大;当实测饱和导水率作为输入时,RAWLS、CAMPBELL和ROSETTA的预测精度有了不同程度提高,但VAUCLIN的预测误差反而有所增大;饱和导水率对非饱和导水率预测的影响较大,实测饱和导水率作为输入时CAMPBELL预测的非饱和导水率与实测值最为接近。     

砂土的物态本构模型

基于砂土的压缩回胀性、剪切非线性及剪缩剪胀性的系统分析和包括循环荷载、主应力轴旋转及应力路径偏转等复杂应力条件下的复杂变形反应,得到了三类应力-应变基本关系。在剪缩剪胀应力-应变关系中,引入了由偏应变分量确定的应变路径长度变量,揭示了应力主轴旋转、应力路径偏转引起的剪缩剪胀性。将这些基本关系与循环荷载下砂土的物态变化相联系,建立了砂土的物态动本构关系。     

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。     

考虑吸附水的非饱和土耗散本构关系研究

为了探索土水吸附特征对非饱和土力学特性的影响,根据赋存环境把土中水分为储存在毛细管内液面张力吸纳作用占主导的自由水和包裹在土颗粒周围基质静电吸着作用占主导的吸附水。通过把土颗粒基质与吸附水一起共同视为非饱和土骨架相,自由水视为液相、土中气视为气相,获得了考虑吸附水的非饱和土功表达式。根据热力学耗散理论,利用功表达式和局部热力学平衡假定,获得非饱和土在绝热变形过程中的熵流和熵产。基于热力学吸附平衡理论获得土中吸附水的吸附方程,进而提出具有实用性的吸附水土-水特征曲线。利用熵产表达式中的热力学共轭量和耗散空间的Drucker 塑性公设,采用纯简化有效应力和有效吸力这一对双应力变量,建立了考虑吸附水的土水完全耦合的非饱和土弹塑性理论框架,据此获得采用净应力和吸力表示的弹塑性柔度矩阵,用于采用上述本构理论建模时理论模型与土工试验成果之间直接相互验证。     

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。     

海相沉积软土蠕变BP神经网络本构模型

海相沉积软土具有很强的蠕变特性,传统分级构建蠕变本构模型方法不实用,且很难真正反映岩土流变的非线性特性。为此,本文引入具有超强非线性映射和容错能力的BP神经网络模型,通过改进BP算法,根据江门软土的室内直剪蠕变试验结果,建立了海相沉积软土BP神经网络蠕变本构模型,避免了传统方法为满足试验曲线变化规律和蠕变特性而需要建立复杂的本构数学表达式。最后,利用上海地区软土蠕变实验结果对本文提出的方法进行了验证,并对BP神经网络蠕变模型在描述软土流变方面的特点进行了讨论。结果表明,本文建模方法简单,并能很好地描述软土的非线性蠕变问题。     

剪胀性砂土边界面模型的研究

剪胀性对于砂土,尤其是中密以及密实砂土,是一个非常显著的特性。相变线是剪胀性砂土的特征曲线,能够反映砂土的围压以及初时孔隙比对变形特性的影响。本文在边界面塑性理论的框架内,把相变状态参量引入到剪胀方程以及塑性硬化模量中,建立了一个能够描述砂土剪胀性以及循环特性的本构模型。本模型采用一套参量可以模拟不同初时孔隙比、不同围压、排水(或不排水)条件下单调(或循环)加载的应力-应变特性。验证表明本模型数值计算与试验结果相吻合。     

A THERMO-VISCOPLASTIC CONSTITUTIVE MODEL FOR CLAYS

The effect of heat on clay behaviour is characterized by non-linearity and irreversibility. Due to the complex influence of temperature, thermomechanical factors have to be taken into account for the numerical simulation of the behaviour of such materials. A cyclic thermo-viscoplastic model is developed for this purpose. It includes thermal hardening and the evolution of yield surfaces with temperature. From the physical point of view, it is built on the basis of available experimental results for a temperature range in which no phase change occurs. Conceptually, it is the generalization of an isothermal multimechanism cyclic model. A thermoplastic formulation of the model is also derived. The results obtained from numerical simulations compare well with experiments. © 1997 by John Wiley & Sons, Ltd.     

基于动态图像法的河流砂和湖滩砂粒形-粒度特征对比

对沉积颗粒大小、形态特征的量化和解释,是沉积动力条件分析和古地理重建的重要内容之一.图像法作为粒度分析的标准,长期受制于样本量小、效率低等困难.基于动态图像法的新型粒度粒形分析系统可在几分钟内获取多达n×107个颗粒的形状和大小信息,为沉积环境重建和动力条件分析提供了新的机会.本文基于两组样品(青藏高原的湖滩砂和黄河中游的河流砂)的动态图像粒度粒形数据,定量分析和对比了湖滩与河流两种环境沉积颗粒的粒度、粒形特征及其异同.结果表明,样品组成颗粒的球度与均值粒度之间整体上存在明显的反相关,球度-粒度曲线可大致划分为斜率不等的三段: 占据颗粒绝大多数的中段(C.S.)球度适中,斜率最小; 细端(F.T.)球度大,斜率也大; 粗端(C.T)球度小,斜率小且不稳定.结合天然沉积颗粒的形状和密度特征,本文认为这些不同斜率的段落可能源于沉积颗粒密度效应和形状效应导致的粒度分异.对比研究表明,湖滩砂与河流砂在粒形-粒度曲线形态与分段特征方面均存在明显差异,两组样品在不同粒形参数(球度—长宽比—凹凸度)三角图和不同球度分段所对应颗粒体积百分比(C.T.-C.S.-F.T.)三角图中均能完全分离.这些事实表明基于动态图像分析的粒度粒形分析可望成为一种潜在的第四纪环境重建工具,在环境研究中有助于对天然沉积物物源特征以及风化、侵蚀、搬运和堆积过程的认识和理解.     

非饱和结构性黄土本构模型的研究

本文在饱和土扰动概念基础上,提出了可以考虑外力和增湿两个扰动因素对非饱和土结构性影响的耦合扰动变量。根据复合材料均匀化理论的思想建立了适用于非饱和结构性黄土的本构模型,并给出了耦合扰动变量的演化方程。通过将BBM模型和本文模型的计算结果分别与已有的实验结果进行对比说明,本文模型能够更好地反映非饱和原状黄土的力学特性。通过对结构性参数、进行分析说明,所给出的耦合扰动变量的演化方程能够较好地描述土结构性随变形劣化的规律。     

基于统计损伤模型的直立层状岩质边坡失稳模型

根据直立层状岩石边坡的实际失稳模式,基于欧拉压杆失稳模型建立了直立层状岩石边坡在自重荷载作用下的失稳计算模型及临界高度计算方法。同时基于岩石内部含有初始损伤的客观事实,建立了基于统计损伤模型的直立层状岩石边坡失稳模型,并对两种不同模型的计算结果进行了讨论。研究结果表明,根据自重荷载作用下的失稳计算模型计算得到的直立岩质边坡溃屈失稳破坏临界高度约为其他研究者相应计算结果的75%,更符合边坡的实际受力特征及破坏情况。基于岩石统计损伤本构模型提出的直立层状岩石边坡失稳模型不但考虑了岩石的弹性模量等参数,而且结合了应力-应变曲线等特征,得出的结果也更符合实际。研究还发现计算参数m、ε0的变化对计算结果有较大影响,说明在类似问题中考虑岩石的损伤演化特性十分必要。     

方解石和白云石溶蚀实验热力学模型及地质意义

通过碳酸盐（方解石、白云石）溶蚀作用实验室模拟研究，建立了溶蚀作用的热力学模型方程，对埋藏成岩的3种不同温压条件下（348．15K，Mpa ,373．15K，25Mpa，403．15K，30MPa）碳酸盐溶蚀作用进行了定量研究。提出随着温度和压力的升高，碳酸盐溶解反应的吉布春播由能降低，因而溶解反应增强；在相同温度和压力的地质条件下，白云石较方解石更易溶蚀并形成次生孔隙，这为油气生成运移提供了有利的地下空间和通道。     

土水特征曲线(SWCC)的滞回特性模拟研究

为了模拟非饱和土的水力、力学特性在多次降雨、蒸发过程中的变化特性,本文以传统域模型的基本原理为基础,推到得到了一个能够模拟SWCC滞后性的计算模型,该模型计算方法简单,易于通过程序实现,且通过与试验数据和其他模型的计算结果对比,验证了该模型的合理性,同时,这个模型可为研究在复杂吸力变化状态下非饱和土的渗流特性、强度特性以及本构模型的研究打下一定的基础。     

饱和砂土中水层形成及演化分析

分析了饱和砂土中水层的形成过程及各相响应量的发展演化过程,结果表明:如果砂层失去骨架的强度,且未被堵塞,则不会存在稳定的水层;如果堵塞延续,则形成的水层会逐渐扩张,否则水层先张开然后逐渐闭合。孔隙水流速、颗粒速度和孔压在堵塞初期有间断,间断会随着堵塞的消失而消失。     

昌黎海岸风成沙丘砂组构特征及其与海滩砂的比较

对昌黎海岸沙丘砂进行薄片统计,重砂矿物分析,电镜扫描,粒度分析及与海滩砂的对比研究发现,沙丘砂在物质组成、颗粒形态、石英砂表面结构特征和粒度特征方面均继承了海滩砂特征,不过,海滩砂中也有沙丘砂的某些特征,反映了两者沉积的混合。这是由于向岸风和离岸风共同作用的结果。