黏土的应力路径本构模型

根据黏土应力-应变曲线的特点及其应力路径的相关特性,将作者所建立的砂土应力路径本构模型扩展用于黏土,建立了黏土的应力路径本构模型,利用变换应力方法将SMP准则用于黏土的应力路径本构模型,使模型得到了合理的三维化。黏土的应力路径模型与修正剑桥模型相比,在双向加载A区和卸载D区二者完全相同;在单向加载B区和F区,两种模型均可计算塑性应变;特别是在C区和E区,黏土的应力路径模型可计算塑性应变,而修正剑桥模型的塑性应变为0。通过与修正剑桥模型比较和对藤森黏土试验结果的预测,反映了黏土应力路径本构模型描述黏土在不同应力路径条件下应力-应变特性的优越性。     

温度-渗流-应力耦合作用分类

根据耦合作用实现方式的不同,将温度-渗流-应力耦合作用分为“力学”耦合和“参数”耦合两大类,“力学”耦合通过场之间的某种力学作用或过程实现,而“参数”耦合则通过场的控制参数的变化而体现出来。     

泥岩渗流-应力耦合蠕变损伤模型研究(Ⅱ):数值仿真和参数反演

进一步分析了第Ⅰ部分[1]提出的泥岩渗流-应力耦合蠕变损伤模型。在连续损伤力学理论和比奥(Biot)理论的基础上,导出了考虑渗流-应力-损伤耦合的蠕变损伤有限元格式,建立了弹性预测、塑性修正、损伤修正-渗透系数修正的数值分析框架,编制了非线性有限元分析程序。根据监测的衬砌长期变形数据,采用优化反分析法获得了蠕变损伤模型中的待定参数,并应用于比利时核废料库施工过程中泥岩巷道围岩渗流-应力耦合过程、损伤演化以及长期稳定性分析,研究结果表明,泥岩开挖后渗透性明显增大,约为原岩的120倍,蠕变效应导致泥岩裂隙和渗透性自愈合,约3.5年后渗透性基本恢复到原岩的数量级,围岩中部的蠕变明显大于顶部和底部。研究成果对软岩隧洞长期稳定性的预测与预报具有一定的参考意义。     

考虑温度影响的软岩弹塑性本构模型

煤矿的深度开挖、核废料的地下储存和能量桩的广泛应用等诸多的岩土工程问题都需要考虑温度对软岩力学特性的影响。为了能较为全面地描述软岩的力学特性,基于上下负荷加载面,引入温度等价应力的概念,在tij应力空间下构建了一个可同时考虑温度效应、中间主应力影响、结构性、超固结性等软岩力学特性的弹塑性本构模型。新模型的所有参数都具有明确的物理含义。通过理论曲线与试验结果进行对比,验证了所提本构模型的正确性。最后通过改变模型参数,对新本构模型的性能进行了分析讨论。计算结果表明：（1）增大超固结比发展控制参数m或者减小结构状态发展控制参数m*,将会提升软岩的剪切强度。（2）随着温度的上升,软岩的剪切强度反而减弱。（3）初始的超固结比越大,软岩的剪胀特性更明显;而初始的结构性较大时,其体积应变在剪切的最后阶段表现为剪缩。     

黏土不排水条件下的应力路径损伤本构模型

黏土的变形主要受土颗粒之间的联结方式控制,将土颗粒之间的联结方式分为完善联结和滑动联结。在弹性变形阶段,颗粒之间的联结为完善联结,随着剪应力的增大,骨架中一部分完善联结逐渐变成滑动联结,这种转变即为损伤的演化。骨架的损伤和破坏遵循Mohr-Coulomb准则,在p-q平面中以应力点到初始损伤线和破坏线的相对距离表示损伤比,给出了一种描述骨架损伤和计算损伤演化的方法,进而提出了一种描述黏土在不排水条件下剪切变形的损伤本构模型。模型中的参数可根据常规三轴压缩试验确定,模型的形式简单,可适用于复杂的应力路径情况。对试验结果的拟合表明,该模型能较好地反映黏土在不排水条件下的剪切变形特征。     

黏土岩时效变形特性试验与理论研究

高放废物地质处置岩体材料选取中,黏土岩因具有低渗透性、损伤自修复特性、对放射性核素具有良好的吸附作用等优点,被认为是一种合理的高放废物地质处置屏障。以黏土岩为研究对象,从黏土岩短期、长期力学特性等方面开展研究工作,主要内容如下：（1）进行黏土岩短期自然固结试验,确定了黏土岩的基本物理力学参数,主要包括前期固结压力、压缩指数等;（2）进行流-固耦合固结试验,试验结果表明盐水作用对黏土岩力学特性具有重要影响,且流-固耦合过程中的膨胀现象与黏土岩的黏土矿物含量和类型密切相关;（3）通过对黏土岩进行固结流变试验,研究黏土岩渗流-应力耦合作用下的长期力学特性,试验表明黏土岩具有明显的流变特性,且流变现象与载荷密切相关;（4）根据固结流变试验建立黏土岩一维流变本构模型,同时将模型计算结果与试验结果进行对比,分析表明,该模型能够很好地反映黏土岩一维固结流变特性。该研究对我国未来黏土岩高放废物处置库的规划、设计、选址和运营等具有重要的参考意义。     

盐岩储气库温度-渗流-应力-损伤耦合模型研究

推导了含夹层盐岩储气库在地应力、注-采气压力和温度联合作用下的温度-渗流-应力（THM）-损伤耦合数学模型,该模型不仅包含了盐岩的热损伤效应,还考虑了气体渗透的Klinkenberg效应以及气体沿夹层层面流动对渗透规律的影响。在此基础上,结合金坛储气库建设,采用数值仿真技术,对储气库在注-采气过程中考虑THM耦合与不耦合情况下的气体渗透、温度分布以及应力分布规律进行了详细的对比分析和探讨,研究结果表明：含夹层盐岩储气库应力-渗透-温度耦合效应十分明显。该问题的研究,为全面深入分析盐岩储气库的安全性和实用性提供了思路及前提,具有重要的理论及实践意义。     

岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合模型研究(Ⅰ):模型建立及其数值求解程序

在地下水渗流场、应力场、损伤场的耦合作用下更易造成隧道围岩坍塌或涌水等灾害。首先,将围岩材料视作各向同性连续介质,基于Drucker-Prager准则建立岩石弹塑性损伤本构模型,采用完全隐式返回映射算法实现弹塑性损伤本构方程的数值求解。其次,以上述研究为基础根据岩石处于弹塑性状态时渗透系数动态演化公式,建立岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合模型,并给出三场耦合情况下的数值求解迭代方法。针对耦合模型中涉及参数较多且不易测定的问题,基于差异进化算法原理建立智能反分析方法,对耦合模型中的损伤参数进行反演。最后,利用C++语言编制相应的岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合程序和参数反演程序,利用所编程序进行以下计算:(1)对智能反分析程序的性能、正确性进行分析,对比不同差异策略、交叉因子、变异因子的反演精度和收敛速度。(2)分别采用弹性模型和弹塑性损伤模型进行隧道围岩位移场、应力场的计算。(3)不考虑力学作用的情况下进行孔隙水压力、渗流量的计算。(4)采用所建耦合模型计算得到隧道围岩应力场、渗流场以及损伤场的相互影响规律。研究结果表明,基于差异进化算法的智能反分析程序能够较好地解决耦合模型中损伤参数不易确定的难题,为实际工程中获得不易测定的计算参数提供了有效的方法,同时所建立的耦合模型通过应力、渗流和损伤的相互作用更能够真实地反映出岩石材料的宏观破坏现象,所编计算程序能够模拟地下水渗流场、应力场、损伤场之间的耦合特性,为受地下水影响严重的工程建设提供了方法,研究结论为后期对实际隧道工程进行耦合计算奠定基础。     

基于细观分析的黏土本构模型

根据黏性土在固结排水条件下的加、卸载变形特征,分析了孔隙水,固体骨架在不同变形阶段的力学响应行为,按照细观力学分析中的自洽方法,建立了在固结排水条件下的黏土损伤本构模型。模型中考虑了孔隙水和固体骨架在加、卸载阶段的不同特性,认为在损伤阶段整体剪切模量的降低是由固体骨架颗粒接触面滑移而引起,与骨架中滑动相的体积百分比和滑动相的剪切模量有关,并给出了求解整体变形模量的解析方法,最后将模型预测与不同初始固结压力,不同应力路径的排水试验结果作了比较,证明该模型是合理的。     

A hypoplastic constitutive model for clays

This paper presents a new constitutive model for clays. The model is developed on the basis of generalized hypoplasticity principles, which are combined with traditional critical state soil mechanics. The positions of the isotropic normal compression line and the critical state line correspond to the Modified Cam clay model, the Matsuoka–Nakai failure surface is taken as the limit stress criterion and the non‐linear behaviour of soils with different overconsolidation ratios is governed by the generalized hypoplastic formulation. The model requires five constitutive parameters, which correspond to the parameters of the Modified Cam clay model and are simple to calibrate on the basis of standard laboratory experiments. This makes the model particularly suitable for practical applications. The basic model may be simply enhanced by the intergranular strain concept, which allows reproducing the behaviour at very small strains. The model is evaluated on the basis of high quality laboratory experiments on reconstituted London clay. Contrary to a reference hypoplastic relation, the proposed model may be applied to highly overconsolidated clays. Improvement of predictions in the small strain range at different stress levels is also demonstrated. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

冻融作用下岩石力-热-水耦合本构模型研究

在寒区隧道工程中,冻胀的水分迁移作用加剧了隧道围岩的冻融破坏。耦合水分迁移作用的岩石本构模型对防治冻融渗漏、崩塌等隧道围岩灾害有着重要意义。基于内状态变量理论,将冻胀过程中的水分迁移量作为本征变量引入Helmholtz自由能,在热力学框架下建立了一个岩石力-热-水耦合本构模型。模型描述了温度和水分迁移对冻融后岩石损伤阈值、等向强化饱和值、等向强化速率等力学参数的影响。模拟了岩石冻融后力学性质的劣化。区别于全量经验公式,本模型以增量形式给出,为复杂应力历史条件下的数值模拟提供了便利。通过将模型模拟曲线与冻融后岩石常规三轴压缩试验曲线进行对比,初步验证模型的可靠性,为实际寒区工程的冻胀破坏预测提供参考。     

On some advanced thermo‐mechanical models for saturated clays

This paper aims to evaluate the performance of several recent constitutive models in simulating the thermo‐mechanical behaviour of saturated clays. A classic thermo‐mechanical test on natural Boom Clay, commonly used in constitutive modelling, was first clarified. Different methods commonly used to measure volumetric strain in drained heating tests were then discussed. Model evaluation was performed in terms of thermodynamic and elasto‐plastic requirements. The capability of the models to capture the observed behaviour was assessed on the basis of the experimental evidence. It was shown that all the models provide reasonable predictions of the thermo‐mechanical behaviour of saturated clays. However, each constitutive model has its own limitations or unclear points from the theoretical point of view. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

Review of constitutive models for describing the time dependent behaviour of soft clays

Different classes of constitutive models have been proposed to capture the time-dependent behaviour of soft soil (creep, stress relaxation, rate dependency). This paper critically reviews many of the models developed based on understanding of the time dependent stress-strain-stress rate-strain rate behaviour of soils and viscoplasticity in terms of their strengths and weaknesses. Some discussion is also made on the numerical implementation aspects of these models. Typical findings from numerical analyses of geotechnical structures constructed on soft soils are also discussed. The general elastic viscoplastic (EVP) models can roughly be divided into two categories: models based on the concept of overstress and models based on non-stationary flow surface theory. Although general in structure, both categories have their own strengths and shortcomings. This review indicates that EVP analysis is yet to be vastly used by the geotechnical engineers, apparently due to the mathematical complication involved in the formulation of the constitutive models, unconvincing benefit in terms of the accuracy of performance prediction, requirement of additional soil parameter(s), difficulties in determining them, and the necessity of excessive computing resources and time.     

热-水-应力耦合弹塑性二维有限元程序的开发与应用尝试

从已有的应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程和弹塑性矩阵入手,使用Galerkin方法将各控制方程分别在空间域和时间域进行离散,初步开发出了一个用于分析饱和岩土介质中热-水-应力耦合弹塑性问题的二维有限元程序,并通过2个算例进行了应用尝试。     

考虑热水力耦合效应土体波动理论的研究进展

岩土介质的热水力耦合效应被广泛应用于水利水电工程、岩土工程、地下工程等诸多领域,是岩土力学及相关领域研究的热点问题,成果显著。笔者就岩土热水力耦合动力响应及波的传播理论等问题,较为全面地论述国内外考虑多场耦合条件下土体波动理论的主要研究成果和最新进展,并对热水力耦合作用机理以及今后研究方向等提出了一些见解。     

海相沉积软黏土的弹塑性本构模型研究

在深入探讨海相沉积原状软黏土压缩、变形等力学特性和详细分析加载屈服面随荷载情况变化的基础上,确认了海相沉积原状软黏土的强度、变形特性与结构屈服应力密切相关。即当固结压力小于结构屈服应力时,其力学特性与超固结重塑土的力学特性类似;当固结压力大于结构屈服应力时,其力学特性与正常固结重塑土的力学特性类似。为描述海相沉积原状软黏土的上述力学特性,将姚仰平等提出的超固结重塑土本构模型引入到海相沉积软黏土弹塑性本构模型的构建中。在本构模型构建过程中,考虑了海相沉积原状软黏土具有的抗拉强度及其演化规律,软黏土强度包线的特点及其进一步修正的表达式,使模型更符合海相原状软黏土的强度、变形特性。最后,将3种不同海相沉积软黏土固结排水剪切试验得到的应力-应变-体变曲线与模型预测结果进行对比。比较结果显示,本文提出的弹塑性本构模型能很好地描述海相沉积原状软黏土的剪缩硬化、剪胀软化以及变形的应力水平依存性等力学特性。     

热-流-固耦合建模过程

热-流-固耦合作用是存在高度非线性的复杂耦合作用。有关这三场的耦合作用研究在地石油工程、热资源开发、地下核废料存储安全、采矿工程等很多领域有着非常重要的应用价值。由于研究对象的不同,热流固耦合模型的形式存在差异,建立符合实际问题的三场耦合模型十分困难,文中在国内外学者对三场耦合模型理论研究的进展状况的基础上,通过一个例子,介绍了用adina建立模型的过程。     

考虑渐近状态特性的超固结土本构模型

基于超固结土的UH模型,结合渐近状态概念,将适用于饱和砂土的渐近状态本构模型推广为考虑渐近状态特性的超固结土本构模型,用于描述土的超固结性和渐近状态特性。通过采用变换应力方法实现了模型的三维化。新提出的本构模型简单、参数较少,与剑桥模型相比,仅增加了一个材料参数,即伏斯列夫面斜率。该模型能够合理反映超固结土的硬化、软化、临界状态、剪缩、剪胀、应力路径依赖性、渐近状态等特性。     

Hypoplastic and viscohypoplastic models for soft clays with strength anisotropy

This paper presents a new viscohypoplastic model for soft clays accounting for their typical features—strength anisotropy and rate dependency. The model is based on the hypoplastic model for clays enhanced by the anisotropic shape of the asymptotic state boundary surface. It has been shown that if the surface is skewed, the model predicts different ultimate strength in compression and in extension. Additional enhancement makes the tensor L bilinear in the strain rate, which more realistically predicts the stress paths of K₀ consolidated samples. The new model has been evaluated by simulating laboratory experiments on soft marine clays (Singapore and Bangkok clays). The model can be easily calibrated using only undrained triaxial and odometer tests. The model is subsequently enhanced by the rate effects. The resulting viscohypoplastic model has been evaluated using experiments of remolded kaolin clay and St. Herblain clay. It is shown that the enhanced model can predict important features of soil viscous behavior, such as rate dependency of strength and preconsolidation pressure, relaxation, and creep.