非饱和土的本构模型研究

引用平均土骨架应力的概念,研究推导出非饱和土的刚度参数随吸力变化而变化的关系式,进而推导得到用平均土骨架应力表述的非饱和土LC屈服面函数以及硬化规律。从土力学原理推导,得到土样由于在净应力和吸力作用下产生体积变形引起土样饱和度变化的关系式。由平均土骨架应力推广,得到三轴应力状态的椭圆屈服函数,这一非饱和土本构模型的优点在于考虑了应力作用后土样饱和度的变化,通过对已有试验数据的初步验证,表明提出的非饱和土本构模型的合理性和适用性。     

考虑温度影响的非饱和土本构模型

首先建立了反映温度对非饱和土前期固结压力影响的加载-升温(loading thermal, LT)屈服线,而后基于真强度概念并结合潜在强度的确定方法推导出不同温度下非饱和黏土临界状态应力比的理论计算公式;将LT屈服线与反映常温下吸力对土体前期固结压力影响的加载-湿陷(loading collapse, LC)屈服线结合,建立了加载-升温-湿陷(loading thermal collapse, LTC)屈服面,该屈服面综合考虑了温度和吸力对土前期固结压力的影响;最后在临界土力学框架内建立了一个考虑温度影响的正常固结非饱和土本构模型,并将其扩展到超固结非饱和土。与巴塞罗那模型相比,所提出的模型仅增加了一个参数来反映非饱和土的前期固结压力随温度升高而降低的特性。模型能够综合描述温度、吸力以及不同超固结程度对土应力、应变的影响,方便于数值计算和有限元分析。模型预测和试验分析表明,某一固定吸力下升温会使正常固结非饱和土强度提高;对于超固结非饱和土,升温或湿化均会破坏土体超固结,降低软化和剪胀的效果。     

考虑基质吸力变化时非饱和土的一维本构模型

当地下水位上升或地面遇水浸润时,土的饱和度将因毛细作用而变化,以此使土体产生变形。其中由于含水量增加而使土的重度增大,从而引起压缩变形;同时含水量的增加而使基质吸力下降,从而引起土的回弹变形,因此最终变形取决于上述两种变形趋势的综合效应。根据广义Hook定律、Fredlund的双应力状态变量及Brooks和Corey关于基质吸力与饱和度之间的经验关系,建立了K0状态下非饱和土的一维本构模型。将这一模型与分层总和法相结合,可以计算基质吸力变化时土的竖向变形。通过研究发现,非饱和土的地面变形不仅取决于土的性质与土层的厚度,而且依赖于土中吸力变化前后的分布及应力状态等因素。所建议的一维本构模型可以用于非饱和土地基上基础的沉降估算。     

考虑温度影响的重塑非饱和膨胀土非线性本构模型

以非饱和土的非线性模型为基础,通过对土性参数的修正和考虑温度本身引起的土的变形,建立了考虑温度效应的重塑非饱和膨胀土的本构模型。该模型包括土骨架的本构关系和水量变化的本构关系两个方面,涉及18个参数,都可用非饱和土三轴试验确定。共做了13个重塑非饱和膨胀土温控三轴试验,分析了温度对土的强度和变形的影响,研究了模型参数的变化规律。     

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。     

超固结非饱和土本构关系的三维化方法

本构模型的三维化对反映材料在三维应力状态下的力学特性具有重要意义。在π平面上,广义Mises三维化方法不能反映应力洛德角对材料变形和强度的影响,g(θ)等方法不能合理地反映应力水平对变形和强度的影响。变换应力三维化方法考虑了应力洛德角影响,数学表达简洁,不增加模型参数,便于计算应用。将作者等人所提的超固结非饱和土本构模型与基于SMP（spatially mobilized plane）的变换应力方法结合,实现了超固结非饱和土的三维化,达到了从剪切屈服到剪切破坏的连续过渡。该模型能够描述不同应力洛德角下超固结非饱和土的硬化、软化、剪胀特性,并与试验数据进行了对比     

考虑残余含气量的非饱和土的水力耦合本构模型

大量的非饱和土干湿循环试验表明,当土体处于吸湿过程直至吸力降低为0 kPa时,土体并不能达到完全饱和状态,还存在一定的残余气体。在高饱和度时,由于残余气体以封闭气泡的形式分布在土体中,土体呈现较大的压缩性,使其与饱和土的性质不同。在这种状态下,现有的非饱和土本构模型预测到的土饱和度为100%,与试验结果存在一定的偏差。为了使本构模型在高饱和度状态时具有较高的精度,对非饱和土的毛细滞回和塑性变形耦合本构模型进行了修正,使其能够考虑残余含气量的影响。通过预测与实测结果比较,证明了新模型能够有效地模拟残余含气量对非饱和土力学特性的影响。     

考虑颗粒破碎影响的粗粒土本构关系

粗粒土在较大的应力条件下容易产生颗粒破碎现象,而现有的大多数模型都没有考虑剪切过程中的颗粒破碎。模型将塑性功引入土体受力变形过程的能量方程中,推导得到土体流动法则。采用直线型屈服轨迹和非相关联流动法则,利用不排水应力路径计算得到硬化函数,建立了一个考虑颗粒破碎的粗粒土本构模型。对比分析表明：该模型对粗粒土在各种围压下的应力-应变和体应变计算结果与试验曲线吻合较好。     

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。     

非饱和土本构模型在预测地表沉降中的应用

地下水位降低将导致非饱和土体中净平均应力和基质吸力发生变化,从而引起土体体积变化。利用GDS非饱和土三轴仪,研究了重塑非饱和黏土在干燥过程中试样含水率变化和总体积变化。针对某一典型基坑,运用大型有限元软件ABAQUS模拟了井点降水而形成的二维饱和-非饱和稳态渗流。饱和土区域和非饱和土区域沉降变形有着本质的区别,基于试验和数值模拟结果,根据Fredlund非饱和土弹性体变本构模型和饱和土有效应力原理,分别估算了饱和土区和非饱和土区沉降变形量。结果表明,在总沉降量中非饱和土区的沉降量是不可忽略的。随着降水深度的增大,非饱和土区域沉降量在总沉降量中所占比例将逐渐增大。     

不饱和土动弹塑性本构模型研究

以饱和度与有效应力为状态变量,通过引入描述不饱和与饱和土孔隙比差的状态变量,将Zhang等提出的饱和土体应力诱导各向异性动弹塑性本构模型推广到不饱和土体中,使其可描述不饱和土在动力循环荷载作用下的力学特性行为。通过对已有不饱和土体在完全不排水条件下的动三轴试验进行理论模拟,验证了所提出不饱和土本构模型的正确性。最后基于所提出本构模型,讨论了在不排水条件下初始饱和度对不饱和土动力特性研究。结果表明,不饱和土在动力荷载作用下,土体的孔隙比将减少,导致饱和度增加;当初始饱和度较高时,不饱和土会转化为饱和土,从而发生液化现象。该研究成果对研究不饱和土在地震等动力荷载作用下的力学特性行为具有重要意义。     

A constitutive model for unsaturated soil interfaces

A constitutive model based on the disturbed state concept is presented to describe the behavior of interfaces in unsaturated soil. The model is an extension of an existing model developed for a sand–steel interface. As opposed to the original model, the modified model incorporates two independent stress variables, which are the net normal stress and matric suction. The saturated and dry state of the interface can be modeled as a special case using the constitutive model presented in this paper. The modified model is capable of capturing the main features of unsaturated interfaces observed during laboratory testing, including increasing shear strength and strain softening with increasing suction and net normal stress and increasing dilatancy with increasing suction. Laboratory tests were carried out on unsaturated interfaces in a modified direct shear test apparatus. The observed behavior of interfaces between unsaturated soil and steel plates (rough and smooth) is presented in comparison with model predictions. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

非饱和黏性土的应力-应变关系研究

为了绕过吸力这一复杂的变量建立尽量简便实用的非饱和土本构模型,在双曲线模型的基础上将含水率引入硬化参数中。提出在试验前让土样恢复到原始应力状态下的理论,并依据该理论对三轴试验方法进行改进。为了很好的研究各个含水率下原状土的应力-应变关系,利用重塑土实现原状土的模拟。试验结果表明：重塑非饱和黏性土的应力-应变关系基本符合Kondner提出的双曲线模型。在研究双曲线模型中的参数a和b的规律性的基础上,建立了100、150、200与250 kPa 4种围压状态下参数a和b与含水率的函数关系,并实现了对补做的一组含水率为24.52 %的应力-应变关系的预测。通过实测数据与预测结果对比,发现预测误差比较小,能达到较好的预测效果。     

黄土高原丘陵沟壑区包气带土壤水运移过程

包气带土壤水运移过程是黄土高原生态修复中亟需回答的关键科学问题。环境同位素方法可获取其他方法难以获取的水文过程信息。通过对黄土高原丘陵沟壑区羊圈沟小流域降水、包气带0~150 cm土壤水和绣线菊（Spiraea salicifolia）木质部水等样品的同位素δD和δ18O进行测定。结果表明:羊圈沟小流域降水同位素组成受蒸发作用影响较大,呈现明显分馏效应。包气带土壤水、降水与木质部水同位素组成存在明显月份变化特征。降水是土壤水的主要补给来源,灌丛的水分利用来源主要为降水和土壤水,符合降水-土壤水-植被水的运移特征。灌丛木质部水和20~40 cm土壤水δD和δ18O最为接近,20~40 cm土壤水是灌丛水分利用的主要来源。研究揭示了包气带土壤水运移过程及植物水分利用来源,为土壤水运移过程、模型结构与参数识别等提供科学依据。     

非饱合土的弹塑性模型研究

从孔隙水的存在状态出发，探讨了非饱和土的有效应力原理。利用非饱和土的有效应力原理，将饱和土的弹塑性模型推广到了非饱和土中，建立了能反映非饱和土渐近性破坏、湿陷湿胀等特性的剑桥修正模型。该模型中新引入的试验参数较少，确定时只需要水分特征曲线，其它可以利用饱和土的成果，能在工程实际中采用。     

非饱和土壤Richards方程入渗求解探讨

根据理查兹(Richards)方程求解非饱和土壤垂直一维入渗率历时规律,因缺乏土壤水分特性函数K(θ)、D(θ)的一般有效公式,而采用与实际相差甚远的定值或线性函数假设,使成果隐含过多经验成分或需要反复迭代计算.笔者在文献[1]中提出的非饱和土壤水分特性函数的一般有效基础公式,用分离变量法直接求解Richards方程,用土壤水动力学方法分别导出了含有渗前土湿因子的新入渗公式.它摆脱了同类入渗公式对水分函数过于简单的概化假设和经验成分.为放弃迄今水文学产流计算中惯用的下渗容量曲线"截首留尾"的经验做法,以直接使用含有渗前土湿因子的下渗公式提供了理论依据,从而将有利于产流计算方法的改进和计算精度的提高.     

低含水率非饱和高温冻土模型

在低含水率非饱和土模型的基础上,从冻土物理特性出发,只考虑毛细吸力和附加压力的作用,建立了非饱和高温冻土细观结构模型,并结合相关实验数据资料改进了高温冻土未冻水含量的经验关系式,基此推导出孔隙水压力、有效应力以及抗剪强度随温度、含水量的变化关系. 同时,通过理论计算与实验（实测）结果进行对比分析,发现本模型能够很好地反映非饱和高温冻土的相关物理力学特性,尤其在定性上能够与宏观实测结果相吻合. 最后,基于非饱和高温冻土微观模型,对非饱和高温冻土的有效应力、抗剪强度进行了讨论分析,给出了合理的理论解释,并对高温冻土相关物理力学特性做出了定性的理论预测.