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。     

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。     

率相关本构模型的临界状态描述

临界状态是土的重要破坏特征,是当今许多土本构模型建立的基础。由于工程和试验中不能忽略时间因素,临界状态实际上是土在一定的时间作用下或者说一定的加载速率作用下表现出的破坏规律。率相关本构模型作为考虑了时间对土应力-应变关系影响的本构模型,理应可以描述临界状态。通过使用较为常用的率相关本构模型——过应力弹黏塑性模型对三轴不排水和排水剪切进行预测,探讨了这些模型对临界状态的描述情况。预测结果表明:(1)第1类过应力弹黏塑性模型(该模型认为屈服面是黏塑性体积应变率的等值面)计算所得的三轴不排水应力路径在临界状态线的下方出现应变软化,并且应力路径趋向于坐标原点,不能终止于临界状态;(2)第2类过应力弹黏塑性模型(认为屈服面是黏塑性标量因子的等值面)在对高应变率三轴排水剪切进行预测时,所得的最终应力比超过临界状态应力比;(3)第3类过应力弹黏塑性模型,亦即时间UH模型(认为屈服面是统一硬化参量变化率的等值面,并认为土产生应力塑性变形)在三轴不排水和排水剪切条件下均能较好反映临界状态。通过3种模型的公式分析了前述预测结果产生的原因。     

考虑土体结构性的弹塑性软化模型

采用在原料土中掺入水泥的方法,人工制备试样模拟天然大孔隙结构性土。根据人工制备试样在不同应力路径下等应力比压缩试验结果,确定出结构性土体初始屈服面和初始屈服后塑性应变增量方向;另外,根据三轴排水剪切试验结果建立了土体屈服后硬化规律。在此基础上,提出了一个能够反映土体结构性的弹塑性应变软化模型,并用试验进行了验证。结果表明,所建模型能够较好地反映结构性土体的应力变形规律。     

结构性黄土的临界压力比及其边界面塑性本构模型预测

结构性黄土的临界状态与初始孔隙比有关,表现出临界状态线不唯一,需通过指标临界压力比反映,而修正剑桥模型及其改进模型预测的临界状态线唯一,这导致结构性黄土的临界状态及应力-应变关系难以被准确预测。针对这一问题,首先基于原状黄土三轴不排水剪切试验结果,根据临界压力比的公式,计算得到了不同初始孔隙比条件下指标临界压力比的值,发现原状黄土的临界压力比与初始孔隙比成反比例关系,阐明了其临界压力比的物理力学意义;进一步,在一个考虑临界压力比的边界面塑性本构模型框架下,引入结构性硬化参数以反映原状黄土在等向压缩路径下的结构劣化,通过临界压力比的不同取值来反映临界状态线不唯一,通过耦合塑性偏应变引起结构强度衰减与塑性体变引起结构劣化两个方面充分反映黄土的结构性劣化行为;最后,采用该模型预测了原状黄土三轴不排水剪切行为与等向压缩行为,临界状态、应变软化、应力路径及孔隙水压力预测效果良好。以上结果表明,结构性黄土的临界压力比物理意义明确,且取值方法可靠,本构模型若考虑临界压力比则能切实反映黄土实际的临界状态。上述研究结果对于黄土地区岩土工程问题的数值分析具有重要的理论与实际意义。     

膨胀土临界状态强度特性及其模型拟合

针对蒙自地区膨胀土,进行了饱和重塑条件下的固结排水(CD)与固结不排水(CU)试验,系统研究了饱和土在不同固结围压3、初始干密度d、初始含水量0、剪切速率、排水条件下的应力应变特性。通过对临界状态试验结果的归一化处理,揭示了不同试验方法对同一土样抗剪强度量测差异的内在统一性,得到了重塑饱和膨胀土在固结排水与不排水条件下p'-q-空间内的破坏线。利用双曲线模型较好地拟合了弱硬化型应力应变曲线,用指数曲线模型拟合了弱软化型应力应变曲线,为模拟边坡在降雨条件下的抗剪强度变化及构筑物土体处于正常水位时的强度状态等工况提供了技术参数与理论支持。     

UH模型对粗颗粒土适用性验证及土石坝工程应用

对3种粗颗粒土进行了常规三轴CD试验、K0压缩试验和等应力比路径试验,根据三轴试验数据标定UH（unified hardening,统一硬化）模型的参数,然后模拟另外两种路径下的应力?应变关系,并与邓肯E-B模型进行比较。结果表明：UH模型能合理地描述不同应力路径下粗颗粒土的力学特性,而邓肯E-B模型的预测结果则较差,验证了UH模型对粗颗粒土的适用性。最后利用UH模型对某心墙堆石坝进行了应力变形三维有限元分析,并将计算结果与邓肯E-B模型及现场监测值进行比较。对比显示：在坝体变形和应力的定性分布规律上,UH模型的计算结果与邓肯E-B模型基本一致;而在定量上,UH模型得到的坝体变形总体上更接近现场监测值,验证了UH模型在土石坝工程中的适用性和合理性。     

一个深海能源土弹塑性本构模型

天然气水合物赋存在低温高压环境中,会在土颗粒间形成胶结从而增大深海能源土抗剪强度。基于损伤力学理论,将结构性砂土本构模型推广应用于深海能源土分析中,模拟计算了三轴固结排水剪切试验,再根据应力-应变曲线关系定量反演初始屈服系数与水合物饱和度之间的函数关系,并修正了原有的结构性砂土破损规律,建立了深海能源土弹塑性本构模型。另外,根据该模型模拟了另外一组深海能源土三轴剪切试验和等向固结压缩试验。计算结果表明：新建立的深海能源土本构模型可以有效模拟深海能源土剪切强度随水合物饱和度之间的增长关系;随着水合物饱和度的增加,三轴压缩试验中深海能源土峰值强度及割线模量(E50)逐渐增加,等向固结压缩试验中屈服强度增加,与试验结果有较好的一致性,表明了该模型的合理性。     

软土三轴剪切蠕变试验研究及模型分析

将数字图像测量技术运用于三轴剪切蠕变试验,试验结果表明,土粒间水膜厚度对土的蠕变有很大的影响,不排水时,试样土颗粒间水膜保持不变,土的黏滞系数基本为一定值,土的流变变形较大;排水时,随着水的排出土体发生固结硬化,土颗粒间水膜变薄,土的密度增大,黏滞性增强,流变变形较小。在排水条件下,加载瞬间孔隙水压力会持续上升产生Manadei-Cryer效应,整个过程历时约10 min。随着偏应力水平的增加,试样发生鼓胀变形,进而形成剪切面发生剪切破坏;受排水路径的影响,剪切面通常位于试样偏下部位。对比数字图像测量方法和试样排水体积换算法在获得剪切应变时的试验结果,表明试验过程中试样变形的不均匀会导致排水体积换算法在计算剪切应变时产生较大误差;Singh-Mitchell模型很好地描述土的剪切流变特性,确定参数时两种方法得到的参数相差不大,偏应力水平较低时可采用排水量换算法进行确定。     

UH模型在有限元分析中的应用

由姚仰平等提出的超固结土统一硬化模型(UH模型)能够描述超固结土的硬化、软化、剪缩和剪胀等应力应变特性以及应力路径对它的影响。通过改进,直线型的Hvorslev线由抛物线型的Hvorslev线代替,UH模型的参数与剑桥模型(Cam-clay模型)的参数相同。应用该模型,对三轴试验进行有限元模拟,分析了与应用Cam-clay模型所得应力应变关系曲线的异同点;针对刚性承压板试验,进行了地基承载力的三维有限元分析,比较了与应用Cam-clay模型和摩尔库仑模型(Mohr-Coulomb模型)等所得p-s曲线的不同,分析了地基中不同点处的应力-应变关系曲线,并与Boussinesq弹性理论计算的应力做了比较;进行了地基固结沉降数值分析,比较了孔压、沉降的变化规律,体现了UH模型的优越性。     

基于相似性原理超固结土不排水扩张半解析解

在实际工程中,土体往往因卸载、再加载等复杂应力路径而处于超固结状态,而现有的圆孔扩张问题的计算模型往往不能反映超固结土中剪胀、软化等一些特殊性质。为了解决这一问题,基于相似性原理和统一硬化（UH）模型,结合相关联的流动法则和大变形理论,采用相似求解技术求解了超固结土不排水扩张问题的半解析解答。通过理想化算例分析了圆孔扩张挤土产生的应力和孔压响应,并通过分析不同超固结比OCR的土体应力路径的变化规律,讨论了UH模型的适用性。结果表明：对于轻超固结土,空腔周围土体孔压在塑性区沿径向单调递减,随着OCR增大,塑性区内孔压分布呈现出“S”形的趋势,孔壁附近的孔压逐渐减小,孔壁周围甚至出现负孔压。随着OCR增大,压力?扩张曲线收敛变慢。在扩孔过程中正常固结土一直处于剪缩硬化阶段。而对于超固结土,土体则经历了临界状态→剪胀硬化阶段→临界（特征）状态→剪缩硬化阶段。该研究成果不仅丰富了相似求解技术的应用,而且为超固结土中桩基承载力、隧道围岩变形预测和原位测试参数等岩土工程问题的计算提供了理论依据。     

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。     

Bounding surface plasticity model for stress-strain and grain-crushing behaviors of rockfill materials

Crushing of grains can greatly influence the strength,dilatancy,and stress-strain relationship of rockfill materials.The critical state line(CSL)in the void ratio versus mean effective stress plane was extended to the breakage critical state plane(BCSP).A state void-ratio-pressure index that incorporated the effect of grain crushing was proposed according to the BCSP.Rowe’s stress-dilatancy equation was modified by adding the breakage voidratio-pressure index,which was also incorporated into the formulations of the bounding stress ratio and plastic modulus.A BCSP-based bounding surface plasticity model was proposed to describe the state-dependent stressstrain behaviors and the evolution of grain crushing during shearing process of rockfill materials,and was shown to sufficiently capture the breakage phenomenon.     

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。     

Analysis of the compression of structured soils using the disturbed state concept

The aim of this note is to quantify the influence of soil structure on the compression behaviour of natural soils using the disturbed state concept (DSC). The behaviour of the fully adjusted state is chosen to be that of the corresponding soil in a reconstituted condition so that the disturbance function is a direct measure of the effects of soil structure. A new DSC compression model is proposed. This model is able to describe the compression behaviour of structured soils under loading, swelling and reloading. Special versions of the proposed model are also described for situations (a) where the compression behaviour of the corresponding reconstituted soils is linear in the e–ln p′ space and (b) where the compression is one‐dimensional. The ability of the proposed model and its various versions to describe the compression behaviour of structured soils has been verified. Copyright © 2000 John Wiley & sons, Ltd.     

结构性土压缩曲线的数学模拟

在总结结构性土压缩特点的基础上,以岩土破损力学理论中的弹塑性元（软弱带）为参照状态,通过引入一个可以表征土体结构影响的结构状态参数 ,建立了结构性土压缩曲线的数学表达式。通过结构性土的单轴压缩试验和等向压缩试验,验证了建议的模型可以较好地模拟结构性土的压缩变形特性。由于建议的表达式可以反映结构性土的压缩曲线在 - 坐标中的非线性,对于结构性土的沉降计算有一定的理论意义。     

Constitutive modeling of principal stress rotation by considering inherent and induced anisotropy of soils

In order to simulate the soil response during principal stress rotation, anisotropic unified hardening (UH) model is developed within the framework of elastoplastic theory. Without introducing any additional mechanism to display the role of stress rotation specifically, this model achieves the simulation by considering the material anisotropy. The effect of inherent anisotropy is reflected using the anisotropic transformed stress method, but a new formula for the stress mapping is adopted to keep the mean stress unchanged. Analysis indicates that from the view of the transformed stress tensor, the anisotropic soil is subjected to loading during pure rotation of principal stress axes, so that plastic strains can be calculated. To represent the induced anisotropy, a fabric evolution law is proposed based on laboratory and numerical test results. At the critical state, the fabric tensor reaches a stable value determined by the stress state, while the critical state line is unique in the plane of void ratio versus mean stress. The anisotropic UH model has concise formulation and explicit elastoplastic flexibility matrix and can provide reasonable predictions for the deformation of anisotropic soils when principal stresses rotate.     

强结构性天然沉积土的强度变形特性

广泛分布在日本大分县的天然硅藻土是一种令人惊奇的具有正常固结历史的天然沉积结构土,其含水量如豆腐,却硬如石头。由于具有强结构性,其土样不会受到取样及成形过程的扰动影响,能够在室内对其天然状态进行力学性状研究,是一种难得的天然沉积结构性土。采用最大压力达10 MPa的高压三轴仪对天然沉积硅藻土进行试验,以探讨强结构性天然沉积土的力学性状。结果表明,其固结屈服压力达到上覆压力的57倍以上,固结屈服前的压缩曲线是水平的,固结压力达到固结屈服压力时,压缩性突增。强度试验结果显示,处于固结屈服前状态的强度与应力水平无关,而处于固结屈服后状态时其强度包络线与重塑粘土同样为通过原点的直线。     

An elastoplastic description of frictional destructuration in natural clays and shales

The existence of structuration in natural clays and shales is believed to change their stiffness, yielding, dilatancy and strength characteristics. These constitutive features are widely known to ultimately reunite with those of the reconstituted parent soil upon large straining. However, some experimental results show that such reunification may not occur in isotropic/one-dimensional compression, especially with regard to the critical state friction angle. This peculiar phenomenon has been barely addressed in constitutive models for natural geomaterials. Hence, the present study aims at introducing a structure-dependent critical state friction angle within the subloading yield framework. A new internal variable is introduced in the model of Nakai et al. (Soils Found 51(6):1149–1168, 2011) to capture subtle irreversible degradation of the structured critical state line which also serves as the threshold between contractive and dilatant volume changes. Additionally, a new evolution rule for the proposed destructuration factor is developed by considering important microstructural information revealed by discrete element method simulations. The proposed new modifications not only enhance the model capabilities in predicting bonding effects, but also enrich the classical stress-dilatancy equation by rendering it a function of void ratio, mean stress and the microstructural state. Model simulations of laboratory experimental tests on the Colorado shale as well as Bacinetto clay are presented in order to illustrate the improved predictive capabilities of the new model.