单轴压缩下结构性Q2黄土的损伤本构模型研究

通过西安地区不同含水量的Q2黄土的单轴无侧限压缩试验研究表明,Q2原状黄土的单轴应力应变关系呈强软化型,单轴压缩曲线的转折点随着含水量的增加而不断降低,结构强度在低含水量下的降低幅度远大于高含水量下的降低幅度。在此基础上,根据Weibull统计分布理论和等效应变假定原理,同时考虑黄土的损伤门槛值,推导了单轴压缩条件下的黄土损伤本构方程。     

黄土弹塑性损伤本构模型基本构架研究

黄土由于特殊的结构性,其变形和强度受到力和水的共同影响,因此对于黄土的力学研究必须同时考虑力和水的作用。根据热力学和连续损伤力学理论以及黄土在加载和增湿作用下的能量转换过程及结构破损过程分析,提出了黄土的损伤变量、加载损伤和增湿损伤的定义以及它们之间关系,并提出由塑性、加载损伤和增湿损伤三部分组成可以考虑加载和增湿作用的黄土弹塑性损伤本构模型的基本构架,为建立黄土的结构性模型提供一种新的思路。     

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。     

陇东Q3结构性黄土压剪损伤本构模型试验研究

Q3黄土在我国西北地区分布广泛,且大部分都具有显著的结构性。随着国家“一带一路”倡议的不断向前推进,作为丝路沿线的西北黄土分布地区将迎来新的建设大潮。黄土的结构变形特性非常复杂,深入研究黄土在压缩、剪切条件下的结构损伤变形特性,并依此构建黄土的本构关系在理论研究及现场工程应用中具有非常重要的意义。通过对黄土进行均等压缩试验及三轴剪切试验,基于损伤力学思想,提出黄土结构在均等压缩条件下的平均正应力损伤比,在剪切条件下的平均正应力损伤比及偏应力损伤比。根据弹性、塑性应变确定塑性势线,进而确定其屈服函数;将确定的黄土结构损伤比引入到屈服函数中,得到一定结构损伤时黄土的屈服函数表达式;验证了选取塑性体应变作为本构模型硬化参量的合理性;根据硬化参量与相关试验参数的联系,推导出结构性黄土在压剪条件下的损伤本构模型。经过实测应力-应变曲线与本构模型推算得到的应力-应变曲线对比可知,所建立的本构模型可以较好地反映黄土在压剪条件下结构损伤演化变形过程,具有较好的工程应用前景。     

非饱和黄土的弹塑性软化本构模型

通过对陕西杨陵地区的非饱和黄土进行等应力比压缩试验和常规三轴试验,在对试验结果的应力-应变曲线特性进行分析的基础上,由试验结果直接确定屈服函数,根据Drucker公设,即相适应的流动法则,选择合适的硬化参数,建立了非饱和黄土的弹塑性本构模型,并将模型计算结果与试验结果进行比较。结果表明,该模型能够较好地模拟非饱和黄土与固结应力有关的应变软化现象,计算的变形规律与试验结果基本吻合。     

基于广义塑性力学的黄土湿陷变形本构关系

分析了黄土湿陷变形的塑性特性,基于广义塑性力学原理建立了湿陷变形的增量本构关系。将增湿含水量作为内应力,应用常规三轴浸水试验拟合得出了湿陷体积屈服面和剪切屈服面,并且给出了黄土湿陷变形的起始屈服面。该模型能够反映湿陷性黄土在不同湿陷作用,即水和力的不同组合作用下的湿陷变形特性,考虑了湿陷体积变形和湿陷剪切变形以及球应力和偏应力对它们的交叉影响。     

非饱和原状黄土的非线性损伤本构模型研究

作者以损伤理论为基础,建立了非饱和原状黄土的非线性损伤本构模型,模型可反映原状非饱和黄土独特的力学特性。该模型共包含13个参数,都可以通过试验测定。该模型进一步揭示了非饱和土体中某些应力应变特性的内在规律,从而把非饱和黄土的本构模型研究推到了一个新的水平。     

Q1黄土的弹塑性损伤本构模型

在陕西洛惠渠五洞简易盾构法施工现场进行了取样，分析了Q1黄土的应力—应变曲线特性及物理性状，根据连续损伤力学和热力学定律，提出了Q1黄土的弹塑性损伤本构模型。并将模型计算结果与试验曲线进行了比较，模型验证结果表明，该模型能够较好模拟Q1黄土的软化和剪胀性。     

延安Q2黄土统计损伤本构模型研究

中国黄土的物理力学性质改变具有明显的地域性,是一种特殊土体。以延安Q2黄土在不同围压和含水量下进行常规三轴试验获得的数据为基础,运用岩石统计损伤理论对延安Q2黄土的损伤本构模型进行研究。在考虑损伤门槛值对延安Q2黄土损伤变量的影响下,建立了延安Q2黄土在三轴压缩条件下的统计损伤本构模型,统计损伤本构方程中的参数通过对试验结果进行线性回归求得。试验和分析表明:在半对数坐标下,延安Q2黄土初始损伤点为三轴应力应变曲线的峰值拐点,对应的应力值为损伤应力门槛值。当施加的应力低于损伤门槛值时,应力应变曲线为线弹性关系,延安Q2黄土不发生损伤; 而当施加的应力超过损伤门槛值时,延安Q2黄土发生损伤,并且随着施加的应力增大,损伤不断扩大。将统计损伤理论曲线与试验曲线进行对比,发现二者基本吻合,表明考虑损伤门槛值的延安Q2黄土统计损伤本构模型能较好的反映该地区黄土的变形破坏特征,对该区黄土地区岩土工程设计具有参考和借鉴作用。     

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。     

循环荷载作用下考虑颗粒破碎的堆石体本构模型

中国西部兴建的很多200～300 m高的堆石坝处于高烈度地震区。应力水平高时堆石体的颗粒破碎对其在循环荷载作用下的应力、应变特性有重要的影响。基于广义塑性理论,通过引入状态参数,建立了循环荷载作用下考虑颗粒破碎的堆石体的本构模型,并给出了模型参数的确定方法。与堆石体在400、800、1 500、2 200 kPa围压作用时的试验结果对比,表明所提出的本构模型可以较好地模拟循环荷载作用下颗粒破碎时堆石体的动应力和动应变响应。     

一个考虑循环荷载作用的简化模型

基于塑性硬化模量场理论和多重屈服面模型,结合各向同性硬化准则和移动硬化准则,在新的应力空间建立了一个新型不排水循环荷载作用下的多屈服面模型,并推导了一个适合三轴试验的简化的多屈服面模型。在此基础上,结合一个循环荷载作用下的动孔压模型,进行了饱和软黏土的动三轴模拟试验。结果表明,文中建立的多屈服面模型能够较好地模拟循环三轴试验、直剪试验和平面应变条件下的试验。     

湿载耦合条件下结构性黄土的压缩变形模式研究

对不同含水率的杨凌、青海结构性黄土进行压缩试验,依据变形等效原则,用同一固结孔隙比下非饱和黄土与相同干密度饱和黄土的应力之差定义了结构流体等效应力,提出了压缩应力条件下结构性黄土的有效应力原理。探讨了结构流体等效应力与饱和度（含水率）及应力之间的关系,发现含水率较低时黄土的结构流体等效应力与应力之间呈线性关系,并基于此结构流体等效应力,提出了湿载耦合时结构流体等效应力的表达式。依据压缩应力条件下结构性黄土的有效应力原理,引入能够反映结构性变化的结构流体等效应力,在饱和黄土压缩曲线的基础上建立了结构性黄土压缩曲线模式,根据此模式可以确定湿载耦合时的总应力压缩曲线和有效应力压缩曲线,计算结果与试验结果吻合较好,为计算其增湿湿陷变形提供了一条新的途径。     

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。     

复杂应力路径下流体饱和砂岩本构模型

高孔隙率砂岩在不同围压及被不同流体（水及油）饱和时表现出不同的应力-应变特性及不同的破坏过程。复杂应力路径下油和水饱和砂岩的力学试验表明,存在某一临界围压,随着围压的增加,饱和砂岩从以压剪破坏为主,逐渐转变为以孔隙坍塌破坏为主的破坏机制。通过力学试验结果的分析,以两种破坏理论对油和水饱和砂岩的破坏特征进行了力学解释,并应用经典塑性力学的盖帽模型建立了相应的本构模型,应用非线性有限元法进行了数值验证,研究结果表明,提出的模型与试验资料吻合良好,能较好地模拟复杂应力路径下油和水饱和砂岩的破坏机制及模拟注水采油引起的砂岩附加沉降。