土体各向异性研究进展

综合论述了土体各向异性在土体本构理论发展的不同阶段的研究进展：详细介绍了国内外在各向异性研究中所采用的试验手段、研究方法、理论成果和应用情况：对具代表意义的重要成果作了比较详细的描述和分析。分析了原生各向异性和应力各向异性的区别与联系，认为土体材料的颗粒结构性是各向异性产生的根本原因，复杂的应力状态是各向异性产生的客观条件：强调了各向异性，尤其是应力各向异性在土体本构理论研究中的重要性，对以后各向异性研究方法提出自己的观点。     

复杂应力条件下掺砾黏土真三轴试验

采用新型真三轴仪器,对掺砾黏土进行了复杂应力条件下加载试验,近似模拟了土石坝填筑期心墙土体单元的加荷过程。试验结果表明,由于土体单元处于复杂应力状态,即使是单向加载这样的简单加荷应力路径,在不同应力方向上的应力和变形也都呈现显著的应力各向异性。土石坝应力变形分析中坝体单元处于三向应力条件下,由于加载引起的应力各向异性对心墙乃至整个坝体的应力变形规律都有较大影响,合理的本构模型应该能够反映并描述这种复杂应力状态下的应力各向异性。     

土体各向异性的再认识

土体原生和次生各向异性有本质不同。从柔度矩阵的角度分析了弹性和弹塑性理论对各向异性的反映 ;复杂应力状态下砂土真三轴试验结果表明 ,次生各向异性对土体应力应变关系有很大影响 ,是土体特性的本质体现 ,在土工数值分析中应当充分考虑其影响。     

应力各向异性对地基变形的影响

应力诱导各向异性对复杂应力状态下土体的变形规律有重要影响 :建立在常规三轴试验基础 ,加以各向同性假设的常用土体本构模型不能反映土体的这种特性。偏载作用下的地基土体单元因相对位置的不同而具有不同程度的应力各向异性 ,能否反映这种各向异性 ,直接影响到地基变形分析的结果。采用各向异性非线性弹性模型 ,对偏载作用下的地基土体变形进行有限元数值分析 ,并和邓肯模型计算结果比较 ,分析结果表明各向异性的影响不容忽视     

复杂应力路径下堆石体本构模型比较验证

目前对堆石体应力-应变关系特性的研究主要建立在常规三轴试验的基础上,对复杂应力路径上堆石体本构模型的验证工作尚不充分。利用糯扎渡高心墙堆石坝主堆石料复杂应力路径大型三轴试验成果,对国内常用的堆石体本构模型--邓肯-张EB模型、清华非线性解耦KG模型和沈珠江双屈服面模型进行了比较和验证。结果表明,邓肯-张EB模型通常会夸大堆石体的体积压缩变形,其加卸载准则无法正确判别一些复杂应力路径的加卸载状况,清华KG模型和沈珠江双屈服面模型对堆石体复杂应力路径的适应性相对较好。     

上海软土各向异性弹塑性模型

根据同济大学真三轴仪所做的上海典型软土的排水试验、Kirkgard和Lade真三轴仪所做的旧金山湾淤泥的不排水试验资料，以及日本太田—关口(0hta—Sikiguchi)模型，提出上海各向异性弹塑性模型(简称上海软土模型)，该模型包括形状函数、屈服函数、应力—应变关系。为了证明模型的合理性，从理论和试验中对形状函数和屈服函数进行了检验。最后，提供了上海软土模型的有关参数。     

淤泥土应力-应变矢量增量的真三轴试验研究

保持大主应力、中主就力不变,增大小主应力是实际工程中可能存在的一种应力路径,土石坝蓄水和土方回填等就类似这种加荷方式。就该应力路径对宁波淤泥土进行了真三轴试验,针对真三轴试验结果,对弹塑性本构关系中涉及到的应力矢量增量与庆变矢量增量的方向变化规律进行了特定条件下的研究。结果表明,在这种应力路径下排水剪切,应变知音一增量与应力矢量增量的方向不仅不一致,而且与π平面上相应的径向应力路径的偏角也不一致,这种应力路径下的现象和结果是岩土塑性力学和计算土力学中极少考虑的。     

基于ABAQUS建立土体本构模型库的研究

ABAQUS作为一种强大的通用有限元分析程序,具有很强的非线性计算功能和前、后处理能力。但标准ABAQUS程序中的土体本构模型,没能反映土体的剪胀、软化与硬化、应力路径对变形的影响等,因此,有必要在ABAQUS中开发出更适合于土体特性的本构模型库。为拓展ABAQUS在岩土工程领域的计算能力,利用二次开发工具UMAT数据接口,开发出更适合于工程应用的土体本构模型库,如邓肯模型、南水模型及状态相关的砂土模型,不仅可以充分利用ABAQUS程序方便、快捷的前后处理和强大的非线性求解平台,而且还可以完成更有针对性、更切合实际土体应力-应变有限元的数值计算,为工程实践提供技术支持。从计算过程、模拟结果与试验结果比较来看,二次开发模型库子程序运行稳定,模拟结果正确、可靠。     

人工制备初始应力各向异性结构性土方法探讨

通过对结构性黏土的研究可以掌握天然土受荷过程中的变形破坏过程,从而为考虑土结构性的结构物的设计、地基加固等提供依据。近年来随着高、深和大型建筑的兴建,结构性黏土的研究变得尤为重要。天然土都具有结构性和各向异性。发展了一种能够考虑初始应力各向异性影响的结构性土的人工制样方法。通过对原料粉质黏土中添加水泥形成颗粒之间的胶结作用,添加盐粒并溶解后形成大孔隙组构分布和在水化过程中的侧限应力状态的结构性土样的端部施加竖向荷载,从而人工制备了具有初始应力各向异性的结构性土样。然后对初始均质结构性土样、初始应力各向异性结构性土样和重塑土样进行了三轴固结排水剪切试验,初步分析了初始应力对结构性土样的应力-应变特性的影响和初始应力各向异性结构性土的破损机制。     

排水条件下卸荷土体变形特性的真三轴试验研究

在真三轴仪上模拟基坑开挖周边土体的应力路径,进行了排水与不排水两种卸荷试验,通过对试验结果的对比分析可知,土体在不同排水条件下应力-应变关系有着显著的差异,说明排水条件对土体的变形性状有一定的影响。进一步研究了排水条件下卸荷土体广义剪应力与广义剪应变的关系,证明土体广义剪应力与广义剪应变关系曲线呈明显的非线性,并根据土体实际应力路径定义了中主应力系数,推导出了土体卸荷剪切模量计算公式。     

均布矩形荷载作用下土体各向异性对附加应力分布的影响

简要地介绍了均布矩形荷载作用下考虑土体各向异性的附加应力计算公式,编制了相关程序计算了各种不同情况下的附加应力系数,并与各向同性情况下的附加应力系数进行了对比。在此基础上,详细地分析了均布矩形荷载作用下土体的各向异性对附加应力分布的影响。     

考虑各向异性的软黏土扰动状态本构模型

以大量试验结果为依据,运用物理意义明确、获取简便快捷、经济实用的土电阻率结构指标进行软黏土扰动变量的表征和测定。以三轴试验与电阻率测试结果为基础,进行了扰动函数的构建。在软黏土扰动状态描述中,引入旋转硬化因子,用以考虑应力诱发各向异性,进而构建了考虑各向异性的软黏土扰动状态概念本构模型。模型从一定程度上克服了传统扰动变量获取方法的弊端,克服了传统借用数学演绎手段建立扰动函数的不足,提高了模型应用的适用性。在模型构建中,融入初始应力各向异性的影响,从而使模型能更好地反映软土实际工程情况。三轴排水剪切试验验证结果表明,该模型可较好反映软黏土受荷下的结构变化情况和受力特性。     

从各向异性的角度解释和模拟土的非共轴特性

从发挥面的角度出发,分析论证各向异性是引起岩土材料出现非共轴现象的根本原因,得到与材料力学一致的结论。当共轭的两发挥面与沉积面的夹角不相等时,主应力面上将出现塑性应变增量的切向分量,所以塑性应变增量的主方向与应力的主方向非共轴。按照这一结论,对非共轴的数值模拟,也应当根据各向异性本构模型进行。为考虑各向异性影响新近提出的各向异性变换应力法,改变了各应力分量的相对大小,得到的各向异性变换应力张量与真实应力张量的主方向不一致,因此也能反映非共轴。利用各向异性变换应力法,能够在现有的弹塑性本构模型的框架下,描述土的非共轴现象。以各向异性UH模型为例,预测各种加载条件下的非共轴变形,验证了该方法的有效性。     

小主应力方向加载条件下的掺砾黏土真三轴试验

对土石坝心墙掺砾黏土开展模拟心墙单元小主应力方向加载的真三轴试验,首先对试样进行不同围压条件下等向固结,然后保持小主应力恒定,通过调整大主应力和中主应力,以模拟土石坝竣工后的初始三向应力状态。试验过程中保持大主应力和中主应力恒定,从小主应力方向单向加载,以模拟土石坝蓄水过程中心墙单元所经历的应力路径。试验结果与常规三轴试验以及复杂应力条件下大主应力方向真三轴加载试验结果都有显著不同。不同初始应力条件下,不同主应力方向的初始切线模量和初始切线泊松比的变化规律非常复杂,应力–应变显现出明显的各向异性。在心墙堆石坝施工过程及蓄水过程中,心墙单元所经历的应力路径明显不同,合理的土体本构模型应该对这种由于加荷路径不同所引起的不同方向模量和泊松比进行合理描述。     

Large stress reversals in true triaxial tests on cross‐anisotropic sand

The results of a series of true triaxial tests with stress paths involving large reversals under 3D conditions are presented. These tests were performed on medium dense Santa Monica Beach sand to provide experimental evidence for the rotational kinematic hardening hypothesis presented in a companion paper and to provide stress–strain and volume change relations for experiments with 3D stress paths and large stress reversals to be predicted by the rotational kinematic hardening model. The experimental equipment and the testing procedures are briefly explained followed by a presentation of the experimental results and their sensitivity to unknown causes as well as effects of cross‐anisotropy on the sand behavior. The stress paths are presented in a σ₃′‐plane and in an octahedral plane and the directions of experimental strain increment vectors are compared with those obtained from the rotational kinematic hardening model. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

Anisotropic UH model for soils based on a simple transformed stress method

A simple method called anisotropic transformed stress (ATS) method is proposed to develop failure criteria and constitutive models for anisotropic soils. In this method, stress components in different directions are modified differently in order to reflect the effect of anisotropy. It includes two steps of mapping of stress. First, a modified stress tensor is introduced, which is a symmetric multiplication of stress tensor and fabric tensor. In the modified stress space, anisotropic soils can be treated to be isotropic. Second, a TS tensor is derived from the modified stress tensor for the convenience of developing anisotropic constitutive models to account for the effect of intermediate principal stress. By replacing the ordinary stress tensor with the TS tensor directly, the unified hardening model is extended to model the anisotropic deformation of soils. Anisotropic Lade's criterion is adopted for shear yield and shear failure in the model. The form of the original model formulations remains unchanged, and the model parameters are independent of the loading direction. Good agreement between the experimental results and predictions of the anisotropic unified hardening model is observed. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

真三轴应力条件下修正邓肯-张模型的试验研究

邓肯-张非线性模型已经被广泛的应用于工程实践的应力-应变数值分析中。考虑轴对称应力条件下邓肯-张模型应用于复杂应力时存在的不足,依据原状土的真三轴试验数据对邓肯-张模型预测结果与实测结果进行比较,论证了复杂应力条件下邓肯-张模型的适用性。通过考虑真三轴试验应力条件下中主应力对大主应变的影响,邓肯-张E-B模型大主应变叠加中、小主应力差作用产生的变形,提出了不同中主应力比的邓肯-张E-B模型参数确定方法,建立了复杂应力路径条件下修正的邓肯-张E-B模型。经与西安原状土真三轴试验结果进行比较,验证了修正邓肯-张E-B模型的正确性,为邓肯-张模型在复杂应力条件下的应用提供了途径。