深部土高压卸载变形结构性量化参数确定及本构模型

用取自山东巨野矿区埋深300～600m的深部粘土样,在三轴伺服仪上进行原状和重塑土的高压三轴卸载试验,对比分析其变形特点;提出一种描述深部土高压卸载变形与强度连续变化的土结构性参数的方法,并根据三轴卸载试验结果,确定了巨野矿区深部土高压卸载变形结构性参数,建立了描述巨野矿区深部土高压卸载结构性本构模型。     

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。     

水玻璃加固土的弹塑性破坏模型

水玻璃加固土虽然可以被看作为一种弹塑性介质,但是很难用通常的弹塑性模型来描述.本文通过对一系列损伤模型的分析,分别推导建立了水玻璃加固土的弹性与损伤、塑性与损伤本构关系并建立了水玻璃加固土的弹塑性损伤模型.通过与试验结果的对比,证明了本文所建立的水玻璃加固土的弹塑性损伤模型是合理的.     

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。     

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。     

膨胀土含水量记忆膨胀模型

在现场施工过程中膨胀土切坡很稳定,但当降水时膨胀土遇水膨胀,发生破坏,挖除坍滑的部分,切坡遇雨又继续破坏,不断往复,针对这一实际情况,结合以往的杆件单元模型提出了膨胀土的含水量膨胀模型。膨胀模型在外力作用以及历史上的最大含水量作用下对最大含水量具有记忆性,外力卸除,表现出一般土的特性,只有再次来临的含水量大于历史上的最大含水量时,才表现出膨胀土所特有的膨胀性。给出了此模型的应力-应变关系,与以往的弹塑性硬化体所不同之处的直观上的表现在于,此模型的应力-应变关系曲线整体发生了向左移动。     

非饱和土水-力本构模型及其隐式积分算法

在已有工作基础上建立了水力-力学耦合的非饱和土本构模型,在硬化方程中考虑饱和度的影响,同时在土水特征曲线中考虑了塑性体变的影响,从而使模型可以反映非饱和土中的毛细现象与土中弹塑性变形现象的耦合行为。采用隐式积分方法,建立了非饱和土耦合模型的数值模型,并推导了得到了水力-力学耦合的非饱和土的一致切线模量。利用该算法编制了本构模型计算的子程序,使其能向外输出切线刚度矩阵,用于有限元计算。为了验证该算法和程序的正确性,用所编制程序对不同路径下的土体行为进行了预测。通过预测结果与试验结果相对比,表明程序预测结果与试验数据相吻合,模型可以较好地模拟土体的水力-力学耦合行为特性。     

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。     

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。     

Pastor-Zienkiewicz状态相关本构模型及其参数确定方法研究

当考虑无黏性土初始密实度及围压时,Pastor-Zienkiewicz本构模型需采用多组参数模拟同种材料,给其在实际中的应用带来了困难。针对原始Pastor-Zienkiewicz本构模型存在的这一问题,将新近发展的状态相关参数引入剪胀方程、塑性势方向矢量、加（卸）载方向矢量及塑性模量方程中,提高了模型在考虑初始密实度及初始围压时模拟无黏性土力学特性的能力;详细探讨了修正模型参数的拟定方法,明确了各参数的物理意义;通过试验资料对修正模型的预测能力进行了验证,预测结果与试验资料吻合良好,表明了修正模型的可行性和合理性。     

粗颗粒土的应力应变特性及其数学描述研究

大型三轴试验研究了粗颗粒土的应力应变特性及邓肯-张模型的适用性。试验结果表明粗颗粒土表现出明显的低围压下体胀高围压下体缩的体变性质,邓肯-张模型在描述粗颗粒土的体变特性方面存在不足。基于试验结果提出了新的体变描述公式,在未增加模型参数的条件下提出了邓肯-张模型的改进模型。采用改进模型对多种粗颗粒土三轴试验结果进行了预测,结果初步表明改进模型能够更好地模拟粗粒土的体变特性。     

地埋管与土相互作用分析模型及其参数确定

对地埋管道结构分析,考虑管道与土的相互作用问题是非常必要的。其相互作用问题可归结为界面处接触应力的确定,为此,基于地埋管道受力特征的实测结果,建立了地埋管道与土的相互作用分析组合模型,并给出了模型参数的确定方法。由于管与土和管与基床的相对刚度对管土接触面上分布应力的影响显著,在确定其相互作用模型参数时,利用实测结果对其进行了修正,从而,将管道刚度的影响融入到相互作用分析模型中。     

考虑体积变化影响的岩石应变软硬化损伤本构模型及参数确定方法

针对现有岩石损伤模型的局限性与不足,将应力作用下的岩石抽象为空隙、损伤与未损伤材料三部分,以空隙率反映岩石体积或空隙的变化,以损伤变量或损伤因子反映岩石力学性态的改变程度,通过对各部分材料的微观受力及其与宏观应力和应变的关系进行分析,建立了可反映岩石变形过程中体积或空隙变化特性的新型岩石损伤模型;从岩石微元强度合理度量方法研究入手,引进统计损伤理论,建立了可考虑损伤阀值影响的岩石统计损伤演化模型,进而建立了能模拟应变软硬化全过程的岩石统计损伤本构模型,并提出了参数确定方法。该模型不仅能反映岩石应变软硬化特性,而且能反映岩石变形的初期压密和后期扩容的特性。通过实例分析与讨论,表明模型合理与可行。     

粗粒土与结构接触面三维本构关系及数值模型

基于试验结果,探讨了粗粒土与结构接触面的三维力学特性,该接触面在三维剪切时两个方向上的剪应力-应变关系表现出较强的耦合特性,但其主剪应变的大小只与主剪应力的大小有关。基于提出的接触面弹塑性损伤理论,建立了描述三维条件下接触面力学特性的本构模型及其数值格式。编制了有关程序,采用该模型对接触面的力学响应进行了预测。预测结果表明,建立的接触面三维本构关系及数值模型是合理和可行的,能够较好地反映包括剪切耦合特性在内的接触面主要力学特性。     

筑坝土石料的变参数Ramberg-Osgood 模型及其适应性研究

被广泛采用的等价线性黏弹性模型不寻求土体动应力-应变的具体表达式,无法给出能量耗散函数,为深入研究筑坝土石料动力变形机制带来不便。变参数Ramberg-Osgood模型（简称R-O模型）通过变动两个参数以适应土体动模量衰减和阻尼增长,并给出滞回圈的数学表达式。研究中讨论了变参数R-O模型的适应范围,发现该模型不适合描述土体的小应变动力特性,给出了筑坝土石料变参数表达式,绘制了与试验曲线相协调的应力应变滞回圈。可以看出变参数R-O模型能够较好地描述筑坝土石料的动力特性,为进一步研究筑坝土石料的动力耗散与变形机制奠定了基础。     

基于摩尔-库仑模型的非线性本构模型的开发及其在应变局部化中的应用

以FLAC中的Mohr-Coulomb（M-C）本构模型为基础,在C++环境下实现了考虑拉伸截断的非线性本构模型的二次开发。针对应力及位移的分布规律,将理想弹塑性的Hoek-Brown（H-B）本构模型、M-C本构模型及自定义本构模型的数值解及H-B本构模型的理论解进行了比较,验证了自定义本构模型的正确性。采用弹-脆-塑性的自定义本构模型,以先加载,后挖洞的方式模拟了圆形巷道围岩的应变局部化过程,在计算模型的边界条件对称及均质本构参数的条件下,模拟出了4个对称的V型坑,模拟结果与静水压力条件下岩爆的现场观测及试验结果吻合,而采用接近脆性的H-B应变软化模型所得结果的对称性较差     

粘土的粘塑性特性试验与三要素本构模型

研究了3种粘土的未扰动试样和重塑试样在三轴排水固结试验条件下的粘塑性。在试验过程中,利用计算机控制应变控制式三轴仪的加载速度,实现了在不同加载阶段的不同恒应变率加载。依据应力对应变率改变的响应程度对粘土的粘塑性进行了评价。实验结果表明,粘土的粘塑性表现为等时特性,并且经过一定时间的蠕变后,粘土强度会有较大地提高。并指出粘土的粘塑性应力-应变特性可以较好地采用非线性三要素模型对它进行描述。     

岩石损伤软化统计本构模型及参数确定方法的新探讨

基于现有岩石损伤软化统计本构模型研究,通过探讨岩石损伤软化统计本构模型参数与岩石应力-应变全程曲线特征参数即峰值应力与应变的关系,建立起特定围压下模型参数与围压的解析表达式。引进岩石Mohr-Coulomb强度准则,建立不同围压下岩石应力-应变全程曲线峰值应力与围压之间的关系,再通过探讨不同岩石应力-应变全程曲线峰值应变与围压的关系,导出了具有普遍意义的不同围压下岩石峰值应变计算公式,从而建立岩石损伤软化统计本构模型参数确定的新方法,由此得到能够模拟不同围压下岩石应变软化全过程的统一损伤软化统计本构模型。该模型较同类模型具有参数少和易于确定等特点,理论计算和实测结果比较分析表明了该方法与模型的合理性。     

Optimization routine for identification of model parameters in soil plasticity

The paper presents an optimization routine especially developed for the identification of model parameters in soil plasticity on the basis of different soil tests. Main focus is put on the mathematical aspects and the experience from application of this optimization routine. Mathematically, for the optimization, an objective function and a search strategy are needed. Some alternative expressions for the objective function are formulated. They capture the overall soil behaviour and can be used in a simultaneous optimization against several laboratory tests. Two different search strategies, Rosenbrock's method and the Simplex method, both belonging to the category of direct search methods, are utilized in the routine. Direct search methods have generally proved to be reliable and their relative simplicity make them quite easy to program into workable codes. The Rosenbrock and simplex methods are modified to make the search strategies as efficient and user‐friendly as possible for the type of optimization problem addressed here. Since these search strategies are of a heuristic nature, which makes it difficult (or even impossible) to analyse their performance in a theoretical way, representative optimization examples against both simulated experimental results as well as performed triaxial tests are presented to show the efficiency of the optimization routine. From these examples, it has been concluded that the optimization routine is able to locate a minimum with a good accuracy, fast enough to be a very useful tool for identification of model parameters in soil plasticity. Copyright © 2001 John Wiley & Sons, Ltd.