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。     

结构性土压缩变形本构描述

在孔隙比与应力半对数坐标中,重塑土等向压缩线通常从正常固结线(NCL)下方逐渐趋近于NCL,整个过程中压缩线切线斜率大小单调增大。而对结构性土进行等向压缩时,因结构性的存在,压缩线会首先越至NCL之上,而后再从上方逐渐趋近于NCL,整个过程中压缩线切线斜率先增大后减小。重塑土与结构性土压缩线切线斜率演化在单调性方面的差异,可通过数学上增量函数构造的方法加以实现。如果在平面直角坐标系中以一水平线作为参考线,描述一过原点的函数曲线,使其上任意一处的切线斜率由该处函数值与参考线函数值的差决定,则参考线是否移动决定了所描述函数切线斜率演化的单调性。受此启发,在孔隙比与应力半对数坐标中提出移动正常固结线(MNCL)的概念。用MNCL代替NCL作为参考线,结合统一硬化模型(UH模型)的理论框架,建立了结构性土压缩变形的本构描述。     

土的量化记忆模型及其参数确定

土的真非线性分析要求追踪应力-应变历史,寻求滞回圈上应力-应变的瞬时切线模量。由于地震荷载的随机性,实际土体的应力-应变历史轨迹非常复杂。基于传统模型的骨架曲线和滞回圈表达式进行这类分析的难度很大。作者介绍的量化记忆模型是为土的动力真非线性分析提出的,它是将单调加载情况下呈非线性变化的切线模量量化,记忆为一种分段线性分布的几何结构,并通过对这种结构加以变换,以描述循环加载情况下具有滞回特性土料的动应力-应变关系。在试验的基础上,运用非线性最小二乘法,确定了量化记忆模型中的 , , , , , 6个参数,并将量化记忆模型生成的应力-应变关系曲线与试验曲线进行了比较。结果表明,量化记忆模型是有效可行的。     

原状膨胀土的强度变形特性及其本构模型研究

对南阳原状膨胀土进行了不同吸力下的三轴剪切试验，试验结果表明原状膨胀土在剪切过程中呈脆性破坏形式，原生裂隙和软弱面是决定原状膨胀土强度的主要因素，建议采用四屈服面的非饱和弹塑性模型描述原状膨胀土的湿胀干缩特性和剪胀剪缩特性。     

循环加-卸载岩石本构模型研究

循环加-卸载岩石本构模型是预测压气储能洞室长期稳定性的关键,但目前还没有适用的本构模型,因此,提出了一种能够描述岩石循环加载和卸载的本构模型。鉴于岩石在循环作用下损伤不断累积,将基于Weibull分布的岩石损伤软化模型进行拓展,并用内变量疲劳本构模型描述每个循环的初始模量和卸载模量的变化,进而得到循环加-卸载作用下的岩石本构模型,然后将该模型与现有的试验结果进行对比。该模型物理意义明确,涉及的参数较少,且便于拟合。提出的循环加-卸载下岩石本构模型对试验数据拟合效果较好,能较准确地反映循环荷载上、下限值对应的轴向应变,也能反映出循环内部变形模量衰减的趋势。该模型的成功建立为循环加-卸载下岩石本构模型的研究提供了新思路。     

基于统一硬化参数的深海能源土本构模型

深海能源土是指含天然气水合物（俗称"可燃冰"）的深海沉积物,其本构特性的模拟对可燃冰的安全开采至关重要。首先分析了水合物对能源土强度、剪胀和软化等力学特性的影响机理,水合物饱和度越大,对能源土力学特性影响越显著。然后在修正剑桥模型的基础上,通过引入水合物的饱和度和统一硬化参数来修正屈服函数,以反映水合物对能源土强度、剪胀、软化等特性的影响,建立了能考虑天然气水合物胶结作用形成及退化影响的深海能源土弹塑性本构模型,推导了相应的弹塑性矩阵。最后,通过模拟结果与已有能源土三轴试验数据对比分析,表明模型能很好地预测能源土强度、剪胀和软化等特性,验证了模型的合理性和有效性。     

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。     

非饱和土毛细滞回与变形耦合弹塑性本构模型

在修正剑桥模型的基础上,提出了一个非饱和土毛细滞回与骨架变形耦合的弹塑性本构模型。该模型考虑了基质吸力与饱和度对屈服应力的影响,可以同时描述非饱和土的弹塑性变形特性与毛细循环滞回效应。根据塑性体变的产生使非饱和土进气值增大的特点,建立了变形对土-水特征曲线影响的数学描述。该模型有效地考虑了饱和度对前期屈服应力的作用,准确地反映了土体在不同土-水状态条件下（脱湿和吸湿过程）强度特性的变化,而且还可以有效地描述水力循环历史对土体变形的影响。通过与试验数据对比,证明了该模型能够模拟非饱和土的主要力学特性。     

土的本构模型研究现状及发展趋势

从两方面总结了前人关于土体本构关系的成果以及目前的发展状况：一方面,从宏观现象学角度介绍了剑桥模型、弹性－硬化塑性模型以及为描述循环荷载条件下土的本构特性所建立的多重屈服面模型和边界模型;另一方面,阐述了土的微观结构和土微结构力学模型的研究状况。认为今后的土本械模型研究趋势必将与土的结构性研究紧密相联,成为２１世纪土力学的核心。     

深部砂土三轴高压卸载结构变化的CT研究

用取自山东巨野矿区埋深近 6 0 0m的深部砂土样,在三轴试验机上进行围压为 12MPa的三轴卸载试验,同时用CT装置探测试样在试验全过程中内部结构变化,并对纪录的CT图片进行了计算机图像分析处理,分析了深部砂土在高压卸载条件下变形和破坏结构性变化本质特点。     

大埋深粘土三轴高压卸载变形与强度特征

以取自山东巨野矿区埋深近 4 30～ 6 0 0m的深部粘土样为例 ,分析测试了土的常规物理力学性质参数。考虑该埋深土的天然应力水平及其在煤矿建井开挖中的卸载应力变化 ,在三轴伺服仪上 ,进行三向等压分别达 11MPa、12MPa、14MPa下的卸除围压、保持轴压的三轴高压卸载试验 ,分析了深部粘土三轴高压卸载变形和强度特点 ,得到了相关力学参数。成果丰富了土的高压卸载力学性研究 ,并为巨野矿区煤矿立井建设提供了工程地质基础参数     

卸荷条件下粉质粘土变形性状研究

通过室内应力控制的三轴试验研究卸荷条件下土体的应力-应变关系和孔隙水压力变化特征,得到变形模量的确定方法。研究表明:在初始偏压应力固结条件下,无论是轴向压力保持不变而侧向压力不断卸荷,还是轴向压力和侧向压力同时卸荷,其应力-应变关系均表现为较好的双曲线函数关系。而且,侧向固结压力愈大,强度值愈大。在卸荷过程中,随剪切应力的增大和剪切应变的发展,土样呈现剪胀趋势并在后期产生较大的负孔隙水压力。不排水条件下由于负孔隙水压力的存在,土样的表观强度略有增大。     

巴东组紫红色泥岩三轴压缩试验及本构模型研究

采用MTS压力试验系统对巴东组紫红色泥岩进行了4个不同级别围压的三轴压缩试验和单轴试验。得到了巴东组紫红色泥岩在这5个围压下的全应力-应变曲线。根据试验结果,把全应力-应变曲线分为4个主要阶段,并分析了屈服强度、峰值强度、残余强度随围压的变化规律,结果表明,它们与围压成线性增大关系,满足库伦-莫尔强度准则。同时,根据试验曲线,利用双线性-线性软化-残余理想塑性模型来模拟巴东组紫红色泥岩,并给出了每一段的本构方程,确定了相关参数,可供类似的工程参考。     

软黏土卸荷变形特性室内试验研究与数值模拟

利用在常规三轴仪的基础上改制而成的应力控制式三轴仪进行了加(卸)荷作用下软黏土变形特性的室内试验研究,得到了以下的结论:(1)在加荷载和卸荷载大小相同的情况下,卸荷过程中的变形量比加载过程中的变形量小,约为加载过程中的变形量的十分之一; (2)当卸荷比例比较小时,试样的回弹变形量非常小; (3)当卸荷比例达到某一定值以后,试样的回弹变形量会显著地增加; (4)当卸荷比例超过另一定值以后,试样的回弹变形量将会趋于稳定。应用有限元分析软件ABAQUS对试验过程进行了数值模拟,得到了以下的结论:(1)在加荷载和卸荷载大小相同的情况下,软黏土加(卸)荷过程中的位移-时间关系曲线相似; (2)在分级卸荷的初始阶段和分级卸荷的最后阶段,用修正剑桥模型计算的变形增量要比试验得到的变形增量稍大,在中间阶段,用修正剑桥模型计算的变形增量与试验得到的变形增量可以较好地吻合; (3)在每一级的卸荷过程中,位移随时间的变化关系与试验结果吻合的很好。     

无连接挡板高填方路堤薄壁挡土墙土压力模型试验研究

提出了一种新型的互锚薄壁挡土墙,该挡土墙是在传统加筋土墙的基础上发展起来的。以钢筋为拉筋,两侧的挡土墙面板通过拉筋对称连接互锚。通过模型试验测试了该结构挡土墙面板后土压力的分布规律。挡土面板后土压力并不是呈线性分布,也没有表现中间大、两端小的三角形分布或曲线,即在挡土墙的墙底和墙顶土压力接近于0、在挡土墙的中间土压力最大的分布规律,而是在距离挡土墙顶部1/3h以上(h为墙高),挡土墙面板后的土压力分布完全呈线性分布,与朗肯主动土压力理论相似;但是在距离挡土墙顶部1/3h以下位置,挡土墙面板后的土压力随着挡土墙高度的延伸,土压力基本保持不变,近似呈现一条竖线段。结果表明这种挡土墙的承栽能力得到明显加强。     

高压环境条件下注浆模型试验系统设计

注浆工程常常在高地层压力、高水压力的地质环境条件下进行(如煤矿堵水或注浆加固工程)。为了研究高压环境条件下注浆浆液的渗流扩散特征,作者研制了可形成5MPa以上高压环境的注浆试验系统。该试验系统由四个功能模块组成,并可分为四个设备子系统。该试验系统的核心设备高压注浆模型试验装置中应用压力传导管解决了高压罐体内部监测设计所遇到的尺寸效应、传感器防腐、高压密封等难题。