初始应力各向异性结构性土的二元介质模型

天然岩土材料具有结构性和各向异性。在岩土破损力学的理论框架下,建立了初始应力各向异性结构性土的二元介质模型。岩土破损力学把结构性岩土材料抽象成由胶结强的胶结块（胶结元）和无胶结的软弱带（摩擦元）组成的二元结构体,变形过程中胶结块逐步破损并向软弱带转化。假定胶结块为横观各向同性的理想弹脆性体,胶结块破损后转化成的软弱带为可用邓肯-张模型描述的非线性弹性体。通过引入考虑各向异性影响的破损率和局部应变系数,建立了初始应力各向异性结构性土的二元介质本构模型,并给出了模型参数的确定方法。最后给出了模型的表现,且通过人工制备初始应力各向异性结构性土的三轴压缩试验结果验证了模型的适用性。计算结果表明,所提出的本构模型可以较好地模拟初始应力各向异性结构性土的应力-应变和体积变形特性。     

结构性土二元介质本构模型及破损率影响因素的研究

岩土类材料是非均质的具有微缺陷的天然材料,岩土破损力学将岩土材料抽象成由结构块和结构带组成的非均质二元结构体。破损率演化方程反映了岩土材料在外部荷载作用下,结构块向结构带动态变化程度的过程。从细观尺度上分析结构性土体变形、破坏过程发展机制,揭示土体在荷载作用下结构块向结构带转化的过程。最后,针对杨陵黄土,通过三轴剪切试验,研究围压、含水率对破损率演化规律的影响。研究结果表明,单参数模型的破损率与围压和含水率没有关系,使从实验上证明参数模型的破损率是大主应变的函数。     

岩土破损力学的系统论基础

天然岩土材料与其它材料的根本不同点在于它的结构性,而形成结构性的根本原因在于胶结的不均匀性.胶结强的部位形成结构体,胶结弱的部位形成结构面.岩土材料是由结构体和破损带组成的二元介质.本文分析了岩土材料的系统特性,对岩土破损力学进行了介绍,从非线性科学的角度阐述了岩土破损力学的系统论基础.     

结构性黄土二元介质本构模型在局部化剪切带中的应用

基于破损力学理论,将结构性黄土抽象成具有一定结构强度的结构块和摩擦带组成的二元介质模型。对结构性黄土体来说,局部化剪切带问题也是土体的破损问题,剪切带萌生发展的实质就是结构块向摩擦带转化的动态过程。应用结构性土的双参数破损率二元介质本构模型,采用数值分析方法模拟了平面应变压缩条件下结构性土中局部化剪切带萌生、扩展的过程,研究了不同缺陷方案下局部化剪切带的形态、特性与规律,发现结构性土中局部化剪切带的发展起初是由一段段不连续的微小局部破坏区域在外荷载逐步作用下渐进扩展连接贯通而形成整体剪切带的破坏形式。二元介质本构模型和常规有限元的结合,形象生动地再现了局部化剪切带萌生、发展的过程。     

基于微观力学的胶结岩土材料破损规律离散元模拟

采用离散元法（DEM）研究胶结岩土材料在不同加载条件下的结构破损规律。首先,基于微观力学理论,考虑胶结岩土材料颗粒间胶结特性,给出表征结构性损伤的破损参数式。该式具有微观物理意义,但不能直接用于建立宏观本构模型。其次,采用二维离散元源程序NS2D模拟等向压缩、等应力比压缩以及双轴压缩试验,分析破损参数在不同加载条件下随宏观力学变量（体积应变和剪应变）的演变规律。最后,根据模拟结果提出破损参数数学表达式,其为大主应变的函数。研究结果表明：胶结强度、应力比以及围压均在一定程度上影响了数值试样的结构破损规律。在等向压缩和等应力比压缩试验中,容易用函数式描述数值试样破损参数随体积应变或偏应变的演变规律;而在双轴压缩条件下,由于数值试样有剪胀特性,破损参数随体积应变的演变规律则不易描述。建议的破损参数数学表达式能够较好地描述数值试样在不同加载条件下结构破损规律。     

基于破损参数简化的二元介质冻结粉细砂土本构模型

二元介质模型在非冻结岩土材料中已得到广泛研究,但在冻土领域的相关研究尚不充分。为探讨三轴试验条件下冻结粉细砂土的强度变形特性,此处引入二元介质理论对冻土应力-应变关系进行分析研究。针对现有二元介质模型参量多、确定方法复杂的特点,推导了基于破损参数简化的二元介质模型;并结合开展的5种细颗粒含量、4种围压条件下的冻土三轴试验,对推导模型进行了验证。结果表明:随轴向应变的增大,应力-应变曲线可划分为线弹性阶段、弹塑性阶段和应变软化阶段,3个阶段均可通过胶结元和摩擦元转化理论进行较好的解释;同一围压下随细颗粒含量的增大,偏应力和体胀最大值均呈降低趋势,抗剪强度呈线性减小趋势;在横截面积修正条件下,随轴向应变的增大,5种细颗粒含量冻结粉细砂土均表现为应变软化特性,体积变形表现出由体缩向体胀转化发展的趋势;偏应力发展3个阶段的转折点,与体积变形中体缩极值点和体缩体胀转折点较为契合;通过三轴试验偏应力实测值与基于破损参数简化的二元介质本构模型计算值对比分析,简化模型可以较好地模拟冻结粉细砂土的偏应力-轴向应变关系。     

岩土破损演化理论(Ⅱ):物理状态指标与分区破损理论

指出当前利用CT数研究岩土力学的所有方法仅为观察研究,浪费了宝贵的CT定量化信息。利用集合论和测度论知识,基于CT数定义了岩土材料的λ水平破损比与λ水平破损率、(λ1-λ2)水平截理比及其截理率的概念,研究了λ水平破损率与CT数及密度的关系;研究了破损产生的位置和破损判据。基于破损空间截理的概念将岩土材料区分为安全区、损伤进行区和破损区,定义了损伤进行区下、上限边界面,给出了强化-弱化准则的定义,建立了岩土体分区破损本构关系,并进一步推导了岩土破损空间理论的基本方程。     

基于扰动状态概念的结构性土压缩特性分析

由于土结构性的影响天然沉积土的结构是亚稳定的,屈服后的压缩变形阶段必然伴随着结构的破损。将附加孔隙比?e作为表征原状土的一个结构状态参数,基于扰动状态概念,引入定量分析附加孔隙比?e随固结压力变化关系的方法,得到一维扰动状态概念(DSC)压缩模型,以描述结构性土压缩损伤现象,并通过结构破损指数b来刻画压缩过程中的结构破损速率。根据该模型,对太湖湖沼相典型的天然沉积软黏土、粉质黏土和硬黏土不扰动试样的一维压缩试验结果进行模拟和分析,并结合试验数据提出了模型参数的测定方法。分析结果验证了该模型能够描述具有不同结构形式土样的压缩特性及其实际变形过程中表现出的非线性,这给结构性土非线性固结与沉降计算提供了一定的理论基础。     

循环荷载作用下海床结构粉质土的液化渗流机理定性研究

通过对黄河三角洲海床粉质土的基本性质和循环荷载作用下的喷水冒砂现象的分析,认识了海床粉质土的结构性。利用岩土破损力学原理,建立了海床结构粉质土的二元介质模型。定性分析了结构带土体在加荷、卸荷、液化渗流过程中的变形破损和在液化渗流过程中有效应力和超孔隙水压力的相互转化,指出在液化深度内,土体恢复后的固结强度应提高。这与试验结果相一致。用二元介质模型对解释试验中液化渗流差异是结构带内出现喷水冒砂和结构体上出现遍地冒水现象。     

超固结粘土的二元介质模型

为了分析超固结粘土边坡的变形和稳定的需要,在岩土破损力学的框架内建议了一个适用于这类土的二元介质模型。该模型考虑了土体内在的不均一性,把它看作由结构块和结构带组成的复合体,两者共同分担外荷载,模型包含10参数,并拟定了这些参数的测定方法。通过模拟三轴试验的计算表明,该模型可以反映London粘土的应力-应变特征。     

粗粒土的离心模型试验与数值模拟

岩土工程数值计算中粗粒土常采用邓肯-张本构模型,为了验证该模型在轴向加载、卸载、侧向加载等复杂应力路径条件下的适用性,进行了粗粒土的三轴试验获取其力学特性及本构模型参数;根据相似性原理制作了堆石坝的离心模型试样,并采用与三轴试验同样级配与粒径的粗粒土进行复杂应力路径的堆石坝离心模型试验,试验中通过改变离心加速度模拟加载、卸载,利用上游蓄水模拟坝体的侧向加载;采用ABAQUS对离心模型试验进行三维数值模拟,并研究了模型箱侧壁摩擦系数与土体的初始应力对数值结果的影响。通过比较离心模型试验与数值模拟成果,表明土体的初始弹性模量对计算结果影响较大,初始应力应选择自重作用下的应力场;邓肯-张本构模型能较好地描述堆石坝的加载应力路径,而模拟卸载应力路径有一定的差异,需要改进邓肯-张本构模型中卸载模量的确定方法。     

Fractional order constitutive model of geomaterials under the condition of triaxial test

Fractional calculus has been successfully applied to characterize the rheological property of viscoelastic materials; however, geomaterials were seldom involved in fractional order constitutive models (FOCM), and the topic of first loading and then unloading is rarely discussed through fractional calculus. In this paper, mechanical properties are considered as a ‘spectrum’, both ends of which are elasticity and viscosity, and the fractional order can be utilized to describe such properties quantitatively. In addition to conditions such as creep, stress‐relaxation, and constant‐strain‐rate loading, stress‐strain relationship under the condition of first loading and then unloading was also derived using FOCM. FOCM is then adopted to simulate triaxial tests of geomaterials under corresponding conditions. A comparison of test and numerical results demonstrates that FOCM can reasonably describe the mechanical characteristics of geomaterials.Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

关于结构土屈服破坏的探讨

天然沉积土往往均为结构土,结构土的屈服破坏是研究结构土力学性状的关键问题之一。但是,结构土的屈服破坏至今没有合理明确的定义。对两种天然沉积软粘土的高质量不扰动土样进行了固结压缩试验和三轴等向固结不排水剪切试验以探讨结构土的力学性状。基于结构土的强度特性,提出了当外加应力达到固结屈服应力时结构土达到完全屈服破坏的新概念,并且初步探讨了结构土的强度性状与变形特性的本质联系与其耦合问题。     

人工制备结构性土力学特性试验研究

通过对结构性土的研究可以掌握天然土受荷过程中的变形破损过程, 从而为考虑土结构性的结构物设计、地基加固等提供依据。本文尝试了一种简单可行的结构性土样的人工制备方法, 通过在原状土料中加入少量水泥和盐粒以形成颗粒间的胶结作用和大孔隙组构以模拟天然黏土的结构性。然后进行了室内压缩试验和不同胶结强度土样在排水和不排水条件下的三轴剪切试验,分析结构性土样的力学特性,以探讨结构性土的破损过程和变形机理。     

基于微观力学机制的各向异性结构性砂土的本构模型研究

在岩土破损力学基础上,基于微观破损机制,提出了考虑各向异性的结构性砂土本构理论。采用Lade-Duncan强度准则考虑中主应力对抗剪强度的影响;采用考虑颗粒排列组构的各向异性状态变量A反映各向异性对土体强度和变形的影响;通过相似扩大重塑土的屈服面反映结构性对土性的影响;通过引入非相关联流动法则考虑各向异性和结构性对土体塑性变形的影响。同时,将基于微观力学机制的损伤演化规律引入结构性土的硬化规律;该硬化规律同时考虑了塑性体积应变和剪切应变对各向异性结构性土强度的影响。然后将该模型用于模拟室内三轴压缩试验,初步验证了该模型的合理性和适用性。