基于综合结构势概念的海口原状红黏土K-G模型修正

土的结构性是引起天然土和重塑土各项性质差异的最主要原因。基于考虑土体结构性影响的岩土工程方法和手段应代表岩土工程实践发展方向的这一认识,本文以建立海口原状红黏土的结构性本构模式为研究目标。在结构性定量化指标上,引入综合结构势的概念,建立岩土微结构、胶结作用与宏观力学效应之间的定量表达关系。通过对海口地区所取原状红黏土和相应重塑土进行等向固结排水试验和p=常数的三轴压缩排水试验,分别定义应力型结构性参数和应变型结构性参数。同时发现两者相对于平均主应力存在着归一性化特性,能较好地描述海口原状红黏土的结构性。在此基础上对K-G模型进行了结构性的修正,并进行了数值模拟。结果显示,修正K-G模型能够定量描述海口红黏土的结构性,较好地反映原状红黏土的结构性及预测原状红黏土的应力应变关系。     

描述饱和黏性土应变软化的弹塑性双面模型

常规三轴压缩试验中具有较强结构性的黏性土在围压较低时其应力−应变关系会呈现应变软化现象,一般还伴有塑性变形,通常土体内部结构损伤是应变软化产生的主要原因。考虑到采用经典塑性理论描述材料的应变软化不仅会违背 Drucker 的稳定性假设,而且也不能描述卸载塑性。因此,基于修正剑桥模型及 Li 和 Meissner 提出的塑性硬化准则,建立了一个描述饱和黏性土不排水应变软化的弹塑性双面模型。该模型以应力−应变曲线的峰值点分界,将应变硬化和应变软化分别作为独立的加载事件进行分析,同时引入新的结构性参数表征剪切过程中土体结构损伤导致的塑性刚度衰退。对不同固结状态饱和结构性黏土的三轴固结不排水压缩试验结果的模拟表明,所建模型能够较好地描述饱和黏性土的不排水应变软化特性。     

基于真三轴试验的黄土结构性变化规律研究

基于综合结构势理论,通过自主研发的真三轴仪,研究了原状黄土、重塑黄土和饱和黄土的应力-应变关系和土的结构性变化规律,针对反映黄土变形过程结构性演变的应力比结构性参数,揭示了不同含水率黄土结构性参数与广义剪应变关系随固结压力、应力路径的变化规律,建立了数学描述模型,同时验证了真三轴仪和应力比结构性参数的可靠性。结果表明,土的状态不同,其应力-应变关系存在明显差异。原状土更易呈现应变软化或双曲线特性,而重塑土或饱和土更易呈现双曲线或应变硬化特性。随着剪切变形和含水率的增大,土的结构性均逐渐减小,而固结压力? c和中主应力参数b值也会影响土的结构性变化规律。提出的结构性参数的拟合公式与理论和试验结合吻合较好,可推广工程应用。     

三轴应力状态下土的结构性变化特性

应变综合结构势是一种新的、可以方便应用于复杂应力状态下的土结构性参数。根据应变综合结构势参数的定义,用三轴剪切试验中原状黄土（或人工结构性黄土）、重塑黄土以及饱和黄土的应力-应变曲线求得原状黄土（或人工结构性黄土）的结构性参数曲线,分析了三轴试验条件下非饱和黄土的结构变化特性。结果表明,应变综合结构势作为一种新的土结构性参数,它与应力综合结构势参数对同一影响因素的变化趋势基本相同,可以合理解释土体在三轴剪切试验条件下土结构性参数曲线所表现出的基本特征,更适合描述在三轴复杂应力状态下土体结构性的变化和发展。     

湛江强结构性黏土强度特性的应力路径效应

为探讨湛江强结构性原状土与相应重塑土在不同应力路径下的强度特性及其与结构性的关联性,开展了在不同固结条件下的主动压缩、被动压缩、主动伸长3种应力路径试验,分析了该强结构性黏土在不同应力条件下的力学性状与强度特性。结果表明,湛江黏土的剪切破坏形态主要是单一型、双交叉剪切带与“腰鼓”型3类,应力-应变特性主要为轻度应变软化、强烈应变软化、轻度应变硬化、强烈应变硬化4类;偏压固结下试样破坏应变小于等压固结相应值,破坏强度及初始弹性模量比后者大;不同应力路径下土的强度差异主要反映在结构屈服前有效黏聚力的不同,结构屈服前,原状土的黏聚力高于重塑土的黏聚力,内摩擦角小于后者;结构屈服后,黏聚力逐渐减小,内摩擦角略有增大。原状土到重塑土的转变过程是黏聚力与内摩擦力在土体内部相互消长的过程,强结构性黏土在结构屈服前的强度指标具有较强应力路径依赖性。     

原状土的剑桥模型和修正剑桥模型

常规剑桥模型和修正剑桥模型是以正常固结和弱超固结土的三轴试验现象为基础建立起来的,且试样的初始应力状态为各向等压的球应力状态,将模型应用于K0固结状态的原状土必然引起不可忽略的系统误差。基于原状土K0固结线与等倾线之间的关系,在常规剑桥模型的基础上推导并得到了基于K0线的原状土剑桥模型和修正剑桥模型。在主应力空间中,该模型以K0固结线而不是以等倾线为轴线,因而能反映原状土的结构性和各向异性。既有试验数据的验证表明,与常规剑桥模型和修正剑桥模型相比,该模型能更合理的描述原状土的屈服和强度特性。     

一种考虑黏聚强度的改良土弹塑性本构模型

改良土中土颗粒和水化物形成具有一定结构的聚合体而表现出较强的结构性。与重塑正常固结土相比,改良土的结构性更强且具有一定的超固结比。在变形发展过程中,由于聚合体结构逐渐破坏,黏聚强度逐渐损失,土体表现出应变软化的力学特性。基于适用于超固结重塑黏土的统一硬化模型,引入改良土黏聚强度及其随塑性变形的演化规律,对统一硬化参数进行了修正,并采用更适用于改良土的非关联的流动法则,建立了一个可以较好地描述改良土力学特性的弹塑性本构模型。通过与水泥改良土和石灰改良土的三轴剪切排水试验的结果进行对比,该模型能够较为合理地描述改良土加载过程中黏聚强度损失对其力学特性的影响。黏聚强度的存在导致土体表现出超固结土的特性,当黏聚强度损失时会加剧土体的软化速度。     

上海第4层黏土力学特性的弹塑性本构模拟

上海第4层黏土是典型的结构性海相软土,用一个本构模型统一地模拟不同应力路径下的力学特性对数值计算具有重要意义。对UNIFIED模型的结构性及超固结发展函数进行了改进,并提出了一种确定原状土材料参数和初始状态的方法。为了验证修正模型的正确性,用块状取土法取得上海第4层原状土样,进行了固结试验和三轴排水、不排水剪切试验。通过比较试验结果和本构模拟结果,明确了新的本构模型仅用一组材料参数就能统一地模拟上海第4层黏土在固结、排水及不排水三轴试验得到的应力-应变关系。模拟结果揭示了上海第4层黏土的结构比较稳定,即使在经历三轴剪切发生35%轴应变后仍能保持较高位的结构性。     

结构性海洋黏土损伤模型的二次开发及应用

原状土的结构性作为21世纪土力学的核心问题,一直以来受到学者们的广泛关注。软黏土的结构性损伤这一力学行为会对海洋结构物基础造成不可忽略的影响。以海底原状土的结构性特征为研究对象,推导了考虑黏土结构性的SANICLAY模型的数值实现格式。通过子增量步显式算法和有限元的二次开发,实现了结构性多屈服面本构模型在有限元方法中的应用。通过与不同应力路径下的三轴试验结果对比,验证了开发的子程序可准确模拟海洋黏土所具有的结构性。基于不同应力路径试验的数值模拟结果,研究了不同固结和剪切条件下土体塑性势面和屈服面的演化规律,揭示了土体固结可降低结构性损伤程度以及剪切过程中土体产生结构性损伤的机制。将二次开发的子程序应用到具体的边值问题中,开展了可考虑土体结构性影响的海上风电筒型基础静承载力研究,揭示了土体结构性对筒型基础的地基破坏模式、峰值承载力和残余承载力的影响;引入残余衰减比来表征土体结构性破坏后筒型基础的残余承载力,并建立了残余衰减比与结构损伤因子之间的关系。     

考虑结构性影响的原状黄土本构关系

将三轴应力条件下同一应变的原状黄土主应力差与扰动饱和黄土主应力差之比定义了一个定量化结构性参数 ,它综合反映了土的排列和胶结特征所表现出的综合结构势。结构性参数的变化量与轴应变关系可以用双曲线来拟合,由此所得到的结构性参数表达式可以反映围压、湿度、密度、应力和应变对结构性的影响。结构性参数对不同含水率下原状黄土的应力-应变曲线有很好的归一化作用,归一化后的结构性应力-应变曲线可用符合邓肯-张模型的扰动饱和土应力-应变关系来描述。在扰动饱和土本构关系中引入结构性参数所得到的原状黄土本构关系能够考虑原状黄土结构性的影响,且可以描述软化型和硬化型的应力-应变关系,计算结果与试验结果之间吻合较好。     

结构性黄土的双曲线强度公式及其破坏应力修正

抗剪和抗拉强度是结构性土体力学特性的两个方面。通过试验研究了结构性黄土原状土和重塑土的抗拉和抗剪强度。结合抗拉和抗剪强度的试验结果,建立了适用于结构性黄土的双曲线强度公式,进一步研究了相应的破坏应力的修正算法,并将应力比结构性参数引入到结构性黄土的双曲线强度公式中。研究结果表明,建立的结构性黄土双曲线强度可以克服在Mohr-Coulomb强度理论中夸大了的土体抗拉强度缺陷,可为结构性黄土地区的工程灾害评价提供更加切合实际的强度理论。     

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。     

加荷模式对海积软黏土结构损伤性状的影响分析

以天津海积软黏土为研究对象,对原状土及重塑土进行了不同固结压力、应力路径、加荷速率、排水条件下的三轴剪切试验,以应力比结构性参数与应变的关系来描述结构性衰减,研究了不同加荷模式下的结构损伤特性。结果表明,固结压力小于结构屈服应力时,剪切阶段的初始结构性和损伤速率基本不受固结压力影响,固结压力大于结构屈服应力时,初始结构性和损伤速率则随固结压力的增大而减小;在0相似文献   

基于综合结构势概念的结构性原状黄土屈服准则

为了研究结构性原状黄土在加载条件下的破坏特性,采用试验的方法对Q2原状黄土进行了非饱和土三轴剪切试验研究。基于试验成果,定义了可以考虑球应力、偏应力和基质吸力等因素的土的结构性变量参数m。利用通过试验提出的m的计算方法,找出抗剪强度参数c、 值与m之间的关系,推导出m与c、 值的曲线方程,分别将曲线方程代入到Drucker-Prager（D-P）准则方程中对其进行修正,建立了结构性Q2原状黄土的修正屈服准则,该准则可以考虑Q2原状黄土的结构性影响,符合黄土的结构性特性,绘制出可反应结构性参数影响的屈服面,并验证了其合理性。     

黄土初始结构性及其湿载作用下演化规律

黄土的结构性是除粒度、密度、湿度之外更为重要的指标。通过总结分析综合结构势理论框架内业已提出的结构性参数及其演化规律,并将结构性参数分为过程结构性参数和初始结构性参数两类,这种分类说明了合理的结构性参数既要反映土的基本物理属性还要反映其在外部扰动作用下的演化过程。针对目前结构性参数及其演化规律存在的问题,采用能够反映初始结构性的构度指标与反映过程结构性的应力比结构性参数,提出了球应力与剪应力对结构性参数综合影响的综合应变,并分析综合应变与结构性参数之间的关系,建立了一个能反映结构性从初始到湿载作用下衰减演化的数学模型。通过理论分析和常规三轴试验研究表明,该数学模型避免了试验围压对初始结构性的影响,并且考虑了湿载过程中体应变与剪应变的共同影响,更加准确地反映黄土的结构损伤演化规律。     

基于有效固结应力法确定结构性黏性土不排水抗剪强度

由于结构性的存在使得很多天然黏性土的强度和变形特性不同于重塑土和非结构性土。首先回顾了适用于确定重塑土和非结构性土不排水抗剪强度的有效固结应力法,并推导了相应的方程。在此基础上,对于结构性黏性土,采用两段不同斜率（内摩擦角正切）和截距（黏聚力）的直线模拟其抗剪强度包络线,建立了确定其不排水抗剪强度的有效固结应力法方程;当有效应力小于结构屈服应力时,有效固结应力方程中有效应力部分需乘以0.8的修正系数;只要已知剪切前的有效应力,利用相应的有效固结应力法公式,可确定结构性土体的不排水抗剪强度。利用连云港结构性软黏土的等压固结三轴试验数据,验证了有效固结应力法的适用性。分析表明：对于连云港软黏土的不排水抗剪强度,有效固结应力法的计算结果与试验结果吻合较好;对于结构屈服应力,有效固结应力法的预测结果与试验数据点的拟合结果有一定偏差,但并不明显。     

连云港软黏土的不排水强度试验研究

对连云港软黏土不扰动样和重塑样进行三轴CU对比试验研究。结果表明,不扰动样的不排水强度包线是由以屈服压力为界的双折线组成,而重塑样的不排水强度包线可以用通过圆点的直线表示。屈服前阶段,不扰动样由于受结构性影响产生的抵抗作用,其不排水强度包线高于重塑样;屈服后阶段,不扰动样的不排水强度包线介于具有不同初始含水率的重塑样的包线之间。通过对比分析,发现不扰动样与重塑样的不排水强度包线存在差异的主要原因是由于试样的不同初始含水率引起的。不扰动样在屈服后阶段的含水率变化规律与不排水强度增长规律与重塑土相一致,采用Burland提出的孔隙指数Iv,可将不同初始含水率重塑样及屈服后阶段不扰动样的压缩性状较好地归一化。