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。     

非饱和土广义有效应力原理

综述了非饱和土有效应力的沿革,并就非饱和土有效应力的研究和发展中存在的问题进行了讨论。基于多相孔隙介质理论推导得到的变形功的表达式,提出了非饱和土广义有效应力原理。该原理认为,由非饱和土中的单应力变量的有效应力或双应力变量理论很难唯一地确定非饱和土的变形和强度。广义有效应力原理实质上就是要综合考虑影响非饱和土变形和强度的三种广义应力以及与其对偶的广义变形,给出考虑因素更为全面、理论基础更为坚实的广义有效应力原理。它为非饱和土基本性质的研究和本构方程的建立奠定了坚实而科学的理论基础。     

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。     

非饱和土力学中几个基本问题的探讨

近些年非饱和土力学的研究非常活跃,但对一些基本问题的认识并不一致,有时甚至概念混淆。针对非饱和土力学的几个基本问题：非饱和土状态变量的选择、非饱和土有效应力变量的选择、吸力概念的界定和轴平移技术的局限性、非饱和土的结构的表征方法等问题进行了分析和探讨。其中非饱和土状态变量和有效应力的选择对于非饱和土力学的理论和相应本构模型的建立具有重要影响,因此,首先深入讨论了这一问题,概括论述了非饱和土有效应力的演变并深入探讨了目前各种形式有效应力的优缺点。其次,指出由于受负压孔隙水气化（液-气相变化）的影响,在实际场地中大于某一界限值的基质吸力是不存在的;目前被广泛使用的轴平移试验技术却掩盖了这一情况,而基于此所建立的非饱和土强度和变形理论的适用性需要进一步的研究和论证。再次,指出非饱和土的结构除了包括组构和颗粒之间作用力的综合效应外,还建议增加孔隙水和孔隙气的分布以及各相之间的相互作用和物理-化学作用。最后对一些容易混淆的概念进行了梳理。其目的是希望国内同行在今后的研究中对这些问题加以关注,并建立正确的认识,促进非饱和土力学沿着正确的方向发展。     

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。     

非饱和土弹塑性模型参数的试验确定及有限元法

简要介绍广泛应用的非饱和土Alonso模型的原理与发展,并通过3组共7个试样的非饱和土三轴试验,得到模型的11个参数。在饱和土Cam本构关系的基础上,推导出一个基于非饱和土Alonso模型的应力-应变增量方程的计算公式,该方程与饱和土的本构方程形式相同。编制了能够考虑净应力和吸力二者对土体硬化规律影响的有限元程序,从而为非饱和土弹塑性计算提供一条途径,便于进一步应用于实际工程。     

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。     

一种考虑水力滞回效应的非饱和土弹塑性扩展剑桥本构模型显式算法有限元实现

非饱和土应力-应变关系是土力学研究的重要领域。众多学者在非饱和土本构模型及其数值实现方面取得了大量研究成果,但在显示积分算法方面研究较少。在ABAQUS有限元平台基础上,应用带误差控制的显示积分算法,将一种扩展剑桥非饱和土本构模型编制成ABAQUS umat用户材料本构模型子程序,程序应用自动子增量步算法进行误差控制,采用改进欧拉法进行常微分方程显示求解。应用ABAQUS usdfld子程序将ABAQUS计算过程中饱和度及其增量保存为状态变量并导入umat进行耦合计算,使程序完全具备了进行非饱和土本构计算的能力。通过与ABAQUS自带饱和土本构模型的对比数值试验以及多种不同应力路径下的数值试验,验证了本构程序算法的正确性与合理性,相较于传统方法具有形式简洁、计算精度高、稳定性高等优点。最后运用扩展剑桥模型进行考虑水力滞回效应的土干湿循环数值试验,并分析了模型参数b对土干湿循环条件下不可逆累积变形的影响。结果表明,模型参数b对非饱和土干湿循环条件下的力学行为影响很大,b值越大不可逆累积变形越明显,b值越小则不可逆累积变形越小。所采用的误差控制自动子增量步显示积分算法在模拟非饱和土扩展剑桥模型时取得了良好效果,为后续研究打下坚实基础。     

非饱和黏性土的应力-应变关系研究

为了绕过吸力这一复杂的变量建立尽量简便实用的非饱和土本构模型,在双曲线模型的基础上将含水率引入硬化参数中。提出在试验前让土样恢复到原始应力状态下的理论,并依据该理论对三轴试验方法进行改进。为了很好的研究各个含水率下原状土的应力-应变关系,利用重塑土实现原状土的模拟。试验结果表明：重塑非饱和黏性土的应力-应变关系基本符合Kondner提出的双曲线模型。在研究双曲线模型中的参数a和b的规律性的基础上,建立了100、150、200与250 kPa 4种围压状态下参数a和b与含水率的函数关系,并实现了对补做的一组含水率为24.52 %的应力-应变关系的预测。通过实测数据与预测结果对比,发现预测误差比较小,能达到较好的预测效果。     

Work and energy equations and the principle of generalized effective stress for unsaturated soils

The effective stress principle has been efficiently applied to saturated soils in the soil mechanics and geotechnical engineering practice; however, its applicability to unsaturated soils is still under debate. The appropriate selection of stress state variables is essential for the construction of constitutive models for unsaturated soils. Owing to the complexity of unsaturated soils, it is difficult to determine the deformation and strength behaviors of unsaturated soils uniquely with the previous single‐effective‐stress variable theory and two‐effective‐stress‐variable theory in all the situations. In this paper, based on the porous media theory, the specific expression of work is proposed, and the effective stress of unsaturated soils conjugated with the displacement of the soil skeleton is further derived. In the derived work and energy balance equations, the energy dissipation in unsaturated soils is taken into account. According to the derived work and energy balance equations, all of the three generalized stresses and the conjugated strains have effects on the deformation of unsaturated soils. For considering these effects, a principle of generalized effective stress to describe the behaviors of unsaturated soils is proposed. The proposed principle of generalized effective stress may reduce to the previous effective stress theory of single‐stress variable or the two‐stress variables under certain conditions. This principle provides a helpful reference for the development of constitutive models for unsaturated soils. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

吸力历史对非饱和土力学性质的影响

现在被广泛公认的由Fredlund提出的非饱和土力学的双参数理论,即净应力和吸力为非饱和土的应力状态变量,不能直接考虑吸力历史及其饱和度对非饱和土的应力-应变关系和强度的影响。非饱和土三轴试验结果表明,即使净应力和吸力相同的条件下,经过干-湿循环试样与未经过干-湿循环试样的应力比-应变关系和强度是不相同的。在其他条件相同时,经历过干-湿循环的试样比未经过干-湿循环试样的应力比-应变关系要高、强度大和体变小。经过干-湿循环试样的饱和度低而强度高,主要是由于经过先期较高的吸力,相当于受过较大的前期有效压力,使试样成为超固结土。更多不同吸力历史的对比试验有待于进一步研究,以便为非饱和土的水力-力学特性耦合弹塑性本构模型定量地表示上述非饱和土的性质提供基础性试验数据。     

Constitutive modelling of state-dependent behaviour of unsaturated soils: an overview

An unsaturated soil is a three-phase material that is ubiquitous on the earth’s surface. The fully saturated and completely dry states are just two limiting conditions of an unsaturated soil. The state and properties of unsaturated soils can change significantly with external loads, weather conditions and groundwater level. Proper modelling of the state-dependent behaviour of unsaturated soils is crucial for analysing the performance of almost all civil engineering structures. So far, there are many unsaturated soil models and several relevant review papers in the literature. None of the existing review papers, however, focused on the state dependency of unsaturated soil behaviour. Moreover, some aspects of soil behaviour have not been reviewed, including small strain stiffness, dilatancy and stress-dependence of water retention curve. In the current review paper, the state dependency of unsaturated soil behaviour is reviewed, with a particular attention to the three missing parts. The review is carried out in a unified and relatively simple constitutive framework, which adopts a three-by-three compliance matrix to link incremental volumetric strain, deviator strain and degree of saturation to incremental mean net stress, deviator stress and suction. All of the nine variables in the proposed three-by-three compliance matrix have clear physical meanings and can be measured through compression, shearing and water retention tests. Theoretical models based on other constitutive stress variables can be also converted to this framework by matrix transformation.

     

Revisiting the thermodynamics of hardening plasticity for unsaturated soils

A thermodynamically consistent extension of the constitutive equations of saturated soils to unsaturated conditions is often worked out through the use of a unique ‘effective’ interstitial pressure, accounting equivalently for the pressures of the saturating fluids acting separately on the internal solid walls of the pore network. The natural candidate for this effective interstitial pressure is the space averaged interstitial pressure. In contrast experimental observations have revealed that, at least, a pair of stress state variables was needed for a suitable framework to describe stress–strain–strength behaviour of unsaturated soils. The thermodynamics analysis presented here shows that the most general approach to the behaviour of unsaturated soils actually requires three stress state variables: the suction, which is required to describe the invasion of the soil by the liquid water phase through the retention curve; two effective stresses, which are required to describe the soil deformation at water saturation held constant. However a simple assumption related to the plastic flow rule leads to the final need of only a Bishop-like effective stress to formulate the stress–strain constitutive equation describing the soil deformation, while the retention properties still involve the suction and possibly the deformation. Commonly accepted models for unsaturated soils, that is the Barcelona Basic Model and any approach based on the use of an effective averaged interstitial pressure, appear as special extreme cases of the thermodynamic formulation proposed here.     

A constitutive model for unsaturated soil interfaces

A constitutive model based on the disturbed state concept is presented to describe the behavior of interfaces in unsaturated soil. The model is an extension of an existing model developed for a sand–steel interface. As opposed to the original model, the modified model incorporates two independent stress variables, which are the net normal stress and matric suction. The saturated and dry state of the interface can be modeled as a special case using the constitutive model presented in this paper. The modified model is capable of capturing the main features of unsaturated interfaces observed during laboratory testing, including increasing shear strength and strain softening with increasing suction and net normal stress and increasing dilatancy with increasing suction. Laboratory tests were carried out on unsaturated interfaces in a modified direct shear test apparatus. The observed behavior of interfaces between unsaturated soil and steel plates (rough and smooth) is presented in comparison with model predictions. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

非饱和黄土强度参数的试验研究

非饱和土强度理论的研究是非饱和土力学的核心问题。目前公认的非饱和土强度理论是Bishop的单变量理论和Fredlund的双变量理论,二者都引入了基质吸力这一应力参数,只是前者将其归到有效应力中,后者作为独立变量。要得到这两个公式中相关参数需利用控制基质吸力的非饱和土三轴仪或直剪仪测定,控制基质吸力是通过同步增加气压和孔隙水压力保持吸力不变实现的,即所谓的轴平移技术,该项技术一直面临测试周期长的困难和合理性的质疑。鉴于此,本文采用不同含水率的常规三轴CU试验,测定了有效稳态强度参数,得出了吸应力和体积含水率的关系曲线,非饱和强度直接用吸应力函数表达,该强度公式回避了测定基质吸力的问题,便于在工程实际中推广。为了进一步和Bishop及Fredlund的强度公式进行对比,又用张力计测定了同一试样的水土特征曲线,获得了其强度参数。理论上,这3种强度理论对机理的解释不同,但在数学上可以互相转化。从工程应用的角度,基于吸应力的抗剪强度更便于工程应用。     

非饱和土粒间吸力研究的若干思考和进展

非饱和土粒间吸力是建立非饱和土有效应力原理和抗剪强度理论的基础前提,从各力的本质、概念、大小等不同角度出发,对目前非饱和土研究中常见的几种吸力进行了详细地对比和分析。基质吸力表示土壤吸水的趋势,强调的是土颗粒与水之间的相互作用,并非土颗粒间的相互作用,与有效应力概念的本质不符,是Bishop和Fredlund强度理论中分别存在着物理意义不明确参数x和φb的根本原因;广义吸力虽然考虑了结构吸力的作用,但仍将基质吸力作为有效应力的一部分,使原本“实用、简化”的目标更加复杂化;附加内压力将基质吸力以及表面张力的作用进行叠加,存在力作用大小上的重复,同时未考虑结构吸力的作用;张力吸力将表面张力沿两土颗粒连线方向的分量——张力吸力和基质吸力进行叠加,一是仍将基质吸力作为有效应力的一部分,二是同样未考虑结构吸力的作用;粒间吸力（湿吸力和结构吸力）考虑了因土体结构性引起的结构吸力作用,同时也考虑了气液界面上收缩膜的效应——湿吸力的作用,基于粒间吸力的非饱和土有效应力及强度理论不仅符合有效应力定义的本质,而且合理地解释了非饱和土中诸如收缩膜张力的方向性、土中应力概念的平均性、土体物理本质的唯一性、随含水率变化的连续性以及对不同类型土的适应性等众多现象。因此,从粒间吸力的角度出发来研究非饱和土的有效应力原理是正确、可行的。     

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。