土结构性本构模型研究现状综述

土本构模型的建立是一个重要而又复杂的问题,到目前为止,国内外学者们已提出数以百计的土本构模型,诸多文献也对这些模型进行了评述和归纳。然而这些土本构模型多是在扰动土或砂土的基础上发展和建立起来的,它们难以描述由于土结构性引起的各种非线性行为,其计算结果与实际情况相差甚远。天然土体一般都具有一定的结构性,所以有必要建立考虑土结构性影响的土本构模型。针对这个现实,目前有些学者已基于各种理论和方法,提出了一些可以考虑土结构性影响的土本构模型,并得了较好的应用。但在目前的文献中还很少有对土的结构性本构模型研究进行归纳,基于此,本文简要介绍了一下目前土的结构性本构模型研究现状,并提出了这些本构模型在应用中所存在的问题。     

结构性土UH模型

在描述重塑土的统一硬化模型（UH模型）基础上,以动态地移动正常固结线（MNCL）代替静态的正常固结线（NCL）作为参考线来确定参考应力,将土的结构性衰减体现在MNCL的演化中,从而把UH模型扩展为可考虑土结构性的结构性土UH模型。结构性土UH模型可以合理地并连续光滑地描述结构性土的等向压缩规律、应变硬化、应变软化、剪切体积收缩、剪切体积膨胀、不排水剪切减压软化以及结构性和密度耦合影响等力学特性。相比于UH模型,结构性土UH模型新增3个参数,分别用于描述结构性的程度、衰减速度、以及塑性流动规律。通过3种天然土的试验结果与模型预测对比验证了结构性土UH 模型的合理性。     

深部土高压卸载变形结构性量化参数确定及本构模型

用取自山东巨野矿区埋深300～600m的深部粘土样,在三轴伺服仪上进行原状和重塑土的高压三轴卸载试验,对比分析其变形特点;提出一种描述深部土高压卸载变形与强度连续变化的土结构性参数的方法,并根据三轴卸载试验结果,确定了巨野矿区深部土高压卸载变形结构性参数,建立了描述巨野矿区深部土高压卸载结构性本构模型。     

结构性土UH模型EI北大核心CSCD

在描述重塑土的统一硬化模型(UH模型)基础上,以动态地移动正常固结线(MNCL)代替静态的正常固结线(NCL)作为参考线来确定参考应力,将土的结构性衰减体现在MNCL的演化中,从而把UH模型扩展为可考虑土结构性的结构性土UH模型。结构性土UH模型可以合理地并连续光滑地描述结构性土的等向压缩规律、应变硬化、应变软化、剪切体积收缩、剪切体积膨胀、不排水剪切减压软化以及结构性和密度耦合影响等力学特性。相比于UH模型,结构性土UH模型新增3个参数,分别用于描述结构性的程度、衰减速度、以及塑性流动规律。通过3种天然土的试验结果与模型预测对比验证了结构性土UH模型的合理性。     

单轴压缩下结构性Q2黄土的损伤本构模型研究

通过西安地区不同含水量的Q2黄土的单轴无侧限压缩试验研究表明,Q2原状黄土的单轴应力应变关系呈强软化型,单轴压缩曲线的转折点随着含水量的增加而不断降低,结构强度在低含水量下的降低幅度远大于高含水量下的降低幅度。在此基础上,根据Weibull统计分布理论和等效应变假定原理,同时考虑黄土的损伤门槛值,推导了单轴压缩条件下的黄土损伤本构方程。     

胶结结构性土统一硬化模型

结构性土颗粒间的胶结使试样剪切破坏最终应力比高于相应重塑土,也限制了试样剪切时体积应变的自由发挥。在考虑结构垮塌为主的结构性土统一硬化(UH)模型基础上,将应力空间中静止的临界状态线扩展为动态的移动临界状态线。据此,通过建立新的屈服面方程并修正剪胀方程,将结构性土统一硬化(UH)模型扩展为胶结结构性土统一硬化(UH)模型。相对于原模型,新模型增加了1个模型参数,即初始胶结应力,反映土颗粒之间的初始胶结作用。通过4种结构性土试验数据与模型预测对照表明：所提模型能够较合理地描述结构性土等向压缩、常规三轴排水与不排水剪切等特性。     

考虑土体结构性的弹塑性硬化模型

在对人工制备结构性土样等应力比压缩试验结果分析基础上,确定出结构性土体初始屈服面形状和土体初始屈服后塑性应变增量的方向,推导出结构性土体屈服函数的表达式;硬化参数采用塑性功的函数,根据三轴排水剪切试验结果确定出土体的硬化规律。由此构建能反映土体结构性的弹塑性硬化本构模型,并用试验进行了验证。本文提出一种基于试验的建模方法,不依赖经典塑性力学理论的正交流动规则,并建立可考虑土体结构性影响的本构模型,对土体结构性研究具有借鉴意义。     

海口红黏土的结构性本构模型研究

土体结构性的数学模型是21世纪土力学的核心问题。由于土体微观结构的变化造成了重塑土与原状土的力学特性上的差异。采用应变型和应力型结构性宏观参数来表征这种微观结构的变化,同时将应变性结构性参数引入到等向固结过程中去,用以描述常规三轴试验中剪切前的等向固结过程以及剪切时球应力对结构性土体的影响。实现应变型和应力型结构性宏观参数对整个三轴剪切过程的描述。修正剑桥模型对正常固结重塑黏土的三轴压缩试验能做出准确地描述,但对超固结黏土及原状土,即具有结构地土体,则不能给出准确地描述。将应变型和应力型结构性宏观参数引入到修正剑桥模型中,实现修正剑桥模型的结构化。该结构性修正剑桥模型参数的确定方法与常规修正剑桥模型参数的确定方法相差不多,只不过多了球应力与土体结构性体应变的关系式、偏应力与土体结构性广义剪应变的关系式。经过数值模拟比较,结构性修正的剑桥模型能较好地反映原状土的结构性演化过程,能描述原状土结构的整个破坏过程,在多种应力路径下具有很好的预测作用。     

结构性粘土的堆砌体模型

天然粘土一般都具有结构性, 其变形过程必然伴随着结构的破坏。 提出了一种新型的堆砌体模型, 用以描述这种结构破坏现象。 这一模型把变形过程中的结构性土看作不同大小土块的集合体, 总的变形将由土块的弹性变形、土块之间滑动引起的塑性变形和土块破碎引起的损伤变形三部分组成。 塑性变形常用屈服函数描述, 损伤变形则可以引入一种类似的损伤函数加以描述。推导了相应的应力应变关系式并提出了模型参数的测定方法。     

黄土的湿载结构性本构模型研究

土结构性是土结构空间排列几何特征和联结特征所表现出的力学性质,是影响土力学特性的重要内在因素。它与土的密度、粒度、湿度相联系,能够综合反映土的强度、变形等力学特性的变化和发展。从综合反映增湿导致土结构内在主动变化和加载变形导致土结构被动变化两个方面出发,沿用土综合结构势的应力比结构性参数,首先建立压缩、剪切及增湿作用下黄土的结构性演化规律;其次,通过压剪湿作用下黄土的应力-应变特性、屈服破坏特性及其与结构性之间的关系,揭示结构性变化对土力学性质的影响;进而,建立了反映压剪湿作用下黄土结构性发展演化的湿载结构性本构模型。最后通过与试验数据、修正剑桥模型的比较分析,初步验证该模型的准确性。     

软粘土地基上循环承载力的计算模型研究

分析了海洋平台基础受到静荷载和循环荷载作用时地基土体的应力状态,对循环荷载作用下计算软土地基的承载力的计算方法进行了研究.在循环三轴试验得出的计算土单元循环强度模型的基础上,提出一种计算软土地基循环承载力的拟静力弹塑性模型,以桶形基础为例,对软粘土地基的循环承载力进行了计算分析.     

饱和软黏土地基中桶形基础水平承载力研究

相比于传统基础,桶形基础作为一种新型的浅海基础形式具有诸多明显的优点,但其使用历史相对较短,设计理论也还不够完善。基于此,利用三维有限元方法和极限平衡方法对单桶形基础的水平承载力进行了数值计算和理论推导,并基于分析结果,给出了适用于估算饱和软黏土地基中单桶形基础水平承载力的简便公式,为指导工程设计提供一定的参考意见。     

粘土的粘塑性特性试验与三要素本构模型

研究了3种粘土的未扰动试样和重塑试样在三轴排水固结试验条件下的粘塑性。在试验过程中,利用计算机控制应变控制式三轴仪的加载速度,实现了在不同加载阶段的不同恒应变率加载。依据应力对应变率改变的响应程度对粘土的粘塑性进行了评价。实验结果表明,粘土的粘塑性表现为等时特性,并且经过一定时间的蠕变后,粘土强度会有较大地提高。并指出粘土的粘塑性应力-应变特性可以较好地采用非线性三要素模型对它进行描述。     

粉质黏土中单桩竖向承载力的离心模型试验研究

桩基础研究的核心问题是桩承载力和桩-土相互作用,包括桩周土的变形和饱和土中孔隙水压力的变化。通过离心模型试验的方法,利用竖向压桩设备把桩压入土体,研究饱和及非饱和粉质黏土中单桩的竖向承载力,以及加载过程中桩周土体的变形和孔隙水压力的变化。粉质黏土饱和后,桩基的承载特性表现出软化的特点,且桩基的承载能力比非饱和粉质黏土中的桩基小,非饱和粉质黏土的压桩试验中桩基没有出现明显的极限承载力。桩基的加载特性与桩周土的变形响应具有显著的相关性,桩的加载过程对桩周土体变形的影响有一定范围,超过这个范围,土体的变形可以忽略不计。饱和粉质黏土中桩基的加载对桩周土体孔压的变化也有一定的影响范围,与桩周土体的变形范围体现出类似的规律。距离桩较近时,桩周土的变形较大;距离桩越远,土体的变形受到桩的影响越小。     

Sensitive bounding surface constitutive model for structured clay

The main purpose of the paper is to present a relatively simple, yet realistic, constitutive model for simulations of structured sensitive clays. The proposed constitutive model can simulate 1‐D and isotropic consolidation, and drained and undrained shear response of sensitive structured clay. The proposed sensitive bounding surface model is based on concepts from the modified Cam clay model 8 and bounding surface plasticity 27 , with the addition of a simple degradation law. The key material parameters are M, λ, κ, and ν from the modified Cam clay framework, h from the bounding surface framework to model a smoothed elasto‐plastic transition, and ω_v, ω_q, and S_sr to model softening associated with destructuration. The model has separate parameters to model destructuration caused by volumetric strain and deviatoric strain. The model is capable of modeling unusual behavior of strain softening during 1‐D compression (i.e., a reduction of effective stress as void ratio decreases). A good match between test results and the model simulation is demonstrated. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

饱和砂土中桶形基础承载力的实验研究

桶形基础是近年开发的一种新型的可广泛应用于海洋工程结构的基础形式。由于多种优越性而受到各国石油部门的重视,并引起许多研究人员的关注。通过在饱和砂中的单桶和四桶基础模型实验,研究了桶形基础的静承载特性。分别进行了垂直方向和水平方向的加载实验,其中,四桶基础水平方向加载又分为沿四桶中心构成的正方形的平行边方向和对角线方向施加,得到了载荷位移曲线,对单桶和四桶基础承载力特性,以及加载方向和速率的影响进行了分析和比较。     

Implicit integration of a mixed isotropic–kinematic hardening plasticity model for structured clays

In recent years, a number of constitutive models have been proposed to describe mathematically the mechanical response of natural clays. Some of these models are characterized by complex formulations, often leading to non‐trivial problems in their numerical integration in finite elements codes. The paper describes a fully implicit stress‐point algorithm for the numerical integration of a single‐surface mixed isotropic–kinematic hardening plasticity model for structured clays. The formulation of the model stems from a compromise between its capability of reproducing the larger number of features characterizing the behaviour of structured clays and the possibility of developing a robust integration algorithm for its implementation in a finite elements code. The model is characterized by an ellipsoid‐shaped yield function, inside which a stress‐dependent reversible stiffness is accounted for by a non‐linear hyperelastic formulation. The isotropic part of the hardening law extends the standard Cam‐Clay one to include plastic strain‐driven softening due to bond degradation, while the kinematic hardening part controls the evolution of the position of the yield surface in the stress space. The proposed algorithm allows the consistent linearization of the constitutive equations guaranteeing the quadratic rate of asymptotic convergence in the global‐level Newton–Raphson iterative procedure. The accuracy and the convergence properties of the proposed algorithm are evaluated with reference to the numerical simulations of single element tests and the analysis of a typical geotechnical boundary value problem. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

软土中桶型基础水平循环承载力的模型试验

利用真空预压方法制备了一个大尺寸软黏土模型试验土池,进行了不同竖向静荷载与水平循环荷载共同作用下软土中单桶基础承载力的模型试验,研究了竖向静荷载与水平循环荷载对基础承载力的影响。结果表明,基础的水平循环承载力小于静承载力;导致基础破坏的循环荷载与循环次数取决于竖向静荷载。竖向静荷载越大,与同一循环破坏次数对应的循环荷载就越小。依据模型试验土的循环强度变化关系,采用弹塑性有限元计算方法对模型试验进行了数值模拟,计算与试验结果基本吻合,表明可以依据软黏土的循环强度变化关系,通过弹塑性有限元数值计算评价软土地基中桶型基础的水平循环承载力。     

含气水合物沉积物弹塑性损伤本构模型探讨

天然气水合物的开采会带来一系列的岩土工程问题,为了保障相关工程设施的安全,有必要建立一个合理的水合物沉积物本构模型。通过深入分析水合物沉积物力学特点,从颗粒间的作用机制出发,认为水合物沉积物的力学响应是沉积物中土体颗粒间摩擦与水合物胶结二者共同作用的结果;考虑到摩擦与接触特性不同的力学机制,分别采用修正剑桥模型和弹性损伤模型对土体骨架及水合物胶结的应力-应变关系进行描述;通过假定水合物胶结的损伤演化规律,并认为在受力变形过程中二者的应变始终相等,初步建立了一个水合物沉积物的弹塑性损伤本构模型。不同水合物饱和度沉积物应力-应变曲线的模型预测结果与室内三轴排水试验结果吻合良好,表明了所建模型的可行性和合理性。     

结构性海积软土的弹塑性研究

通过对天津市欠固结海积软土进行的大量试验,研究了土的结构性和弹塑性变形本构关系两个方面的问题。首次引入结构强度系数,建立了微结构定量参数与力学参数之间的关系,并提出一种综合考虑结构性影响的应力应变关系模型,为海积软土的结构性模型研究及实际应用提供了一条新的途径。