考虑纤维加筋作用的城市生活垃圾土弹塑性本构模型

城市生活垃圾土的成分非常复杂,大量纤维材料(如,塑料、纺织物、皮革等)的存在使得其力学性质与普通土体之间存在明显差异。现有土体本构模型难以对垃圾土的力学行为进行较好的模拟,对此文中将垃圾土看作是由纤维材料和泥状物(除纤维材料外剩余的成分)组成的复合体,荷载作用下垃圾土的力学特性取决于纤维材料和泥状物的共同作用,并提出了纤维作用参数的概念。文中通过构建新的反映纤维加筋作用的塑性势函数,并依据试验结果推导了纤维作用参数R的演化方程,建立了一个能够合理描述垃圾土力学应力-应变特性的弹塑性本构模型。将文中垃圾土本构模型的计算结果与三轴排水试验结果和他人模型结果进行比较,发现该模型能较好地反映垃圾土应力-应变特性,尤其是应变水平较大时应力-应变曲线上翘的形状,验证了该模型的合理性和有效性。该模型的建立可为更好地服务于垃圾填埋工程提供理论依据。     

考虑纤维加筋作用的城市生活垃圾土弹塑性本构模型

城市生活垃圾土的成分非常复杂,大量纤维材料(如塑料、纺织物、皮革等)的存在使得其力学性质与普通土体之间存在明显差异。现有土体本构模型难以对垃圾土的力学行为进行较好的模拟。对此将垃圾土看作是由纤维材料和泥状物(除纤维材料外剩余的成分)组成的复合体,荷载作用下垃圾土的力学特性取决于纤维材料和泥状物的共同作用,并提出了纤维作用参数R的概念。通过构建新的反映纤维加筋作用的塑性势函数,并依据试验结果推导了纤维作用参数R的演化方程,建立了一个能够合理描述垃圾土力学应力-应变特性的弹塑性本构模型。将垃圾土本构模型的计算结果与三轴排水试验结果和他人模型结果进行比较,发现该模型能较好地反映垃圾土应力-应变特性,尤其是应变水平较大时应力-应变曲线上翘的形状,验证了该模型的合理性和有效性。该模型的建立可为更好地服务于垃圾填埋工程提供理论依据。     

垃圾土中排水柱孔扩张问题弹塑性解

随着城市规模扩大,一些垃圾场地被再次利用进行工程建设。垃圾土具有高压缩性、可降解性,其纤维成分具有一定的加筋作用,这些特性给垃圾场地中静力触探、沉桩、旁压试验等工程的开展带来新的挑战。为此,基于考虑纤维加筋作用的垃圾土本构模型和大变形理论,通过引入中间变量,将孔扩张问题转化为求解一组给定边界条件的常微分方程组,继而给出垃圾土中排水柱孔扩张问题的弹塑性理论解。通过将退化解与既有基于修正剑桥模型的柱孔扩张解答对比验证了结果的可靠性。在此基础上,系统分析了超固结比和纤维含量对柱孔扩张过程中孔周应力分布和应力路径的影响。结果表明：与黏性土相比,垃圾土具有更大的塑性区半径;随着超固结比和纤维含量的增加,孔壁处极限压力和塑性区半径分别呈增加和减小趋势,不同纤维含量的垃圾土经历塑性阶段后,均达到泥状物成分的临界状态线附近。     

城市生活垃圾土变形强度特性及其应力-应变模型

通过垃圾土的三轴固结排水剪切试验结果,研究了垃圾土的抗剪强度机理,纤维材料在压缩剪切过程中产生的拉力是垃圾土抗剪强度得以提高的关键所在。基于试验结果,提出以垃圾土应力-应变关系曲线的硬化点作为破坏标准来计算垃圾土的强度参数,这样可确保垃圾土强度参数的唯一性,又可避免因选定的应变水平较小而低估垃圾土的强度,得到本文垃圾土的黏聚力为71.3 k Pa,内摩擦角为35.9°。最后,提出了新的描述垃圾土应力-应变关系的非线性模型,该模型能够反映小应变和大应变情况下的非线性,克服了已有线性和非线性模型的缺陷,能够很好地吻合试验数据。     

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。     

细颗粒流失对砂砾石土本构关系的影响研究

采用悬挂式防渗墙的坝基砂砾石土中可能发生潜蚀(suffusion)侵蚀而流失细颗粒,导致土体的强度和变形模量降低,从而对坝基防渗墙及上部坝体造成不利影响。定量描述细颗粒流失量对砂砾石土应力-应变关系影响的模型是定量评估这种影响的基础之一。提出了研究这种本构模型的试验方案,进行了三轴和侧限压缩试验研究了颗粒流失量对应力-应变关系的影响。颗粒流失未改变土体的应力-应变特性,但降低了土体的强度和变形模量。通过建立模型参数与流失量的关系,可以用同一个本构模型描述流失量时空变化的砂砾石土本构关系。基于邓肯E-B模型,建立了模型参数与颗粒流失量之间的定量关系表达式,从而实现了颗粒流失对应力-应变关系影响的定量描述方法。     

考虑固化剂掺量影响的镁质水泥固化土非线性本构模型

为准确描述不同固化剂掺量W_g下镁质水泥固化土的力学特性,通过开展不同W_g下固化土的室内试验,提出了镁质水泥固化土的非线性本构模型。采用新型环保的镁质水泥复合固化剂加固淤泥,并对不同W_g下的镁质水泥固化土进行扫描电镜(SEM)试验、一维压缩试验和不排水三轴试验。结果发现:镁质水泥固化土具有显著的结构性,且随着W_g的增加,结构屈服应力越大,水化产生的胶凝材料增加了土颗粒间的黏结力,水化产物逐渐填充土体孔隙,镁质水泥固化土的应力-应变曲线由加工硬化型逐渐转变为加工软化型。根据试验结果,提出了一个能涵盖固化剂掺量影响并能实现应力-应变关系转型的镁质水泥固化土本构模型。算例验证该本构模型预测结果与试验结果比较吻合,能较好预测任意W_g下镁质水泥固化土的应力-应变关系。     

超固结土热黏弹塑性本构关系

热黏弹塑性本构模型是描述土在温度（热）和时间（黏）耦合作用下的应力-应变关系的本构模型。在一些新型岩土工程诸如高放核废料地质处置、地热资源开发与贮存的建设中,需要同时考虑温度和时间对土的影响,所以建立一个热黏弹塑性本构模型具有理论和实际意义。将温度变化对黏土体积和强度参数的影响引入笔者之前提出的超固结土等向应力-应变-时间关系,建立了一个等向应力条件下的应力-应变-时间-温度关系。随后,基于该关系推导了屈服面硬化定律,并将其与超固结土统一硬化模型的屈服方程和流动法则结合,建立了超固结土的热黏弹塑性本构模型。最后,使用新模型预测室内试验,证明新模型能够反映时间和温度对土体积、一维压缩曲线和前期固结压力的耦合影响。     

平面应变状态下土体的软化特性与本构模拟

在平面应变状态下,由于土体在应力峰值状态出现了应变局部化现象,从而变形模式失去了原有的均匀性而呈现软化特性。为此,采用常规的弹塑性本构模型模拟土体峰值前的均匀变形,对应力峰值状态则采用非共轴的分叉理论进行预测,而土样在峰值后出现不均匀变形的宏观力学特性则通过复合体理论加以描述。理论预测表明,构建这样的软化本构模型能真实反映平面应变状态下的应力-应变特性。理论分析还表明,经典的变形分叉理论中引入非共轴弹塑性模型,才能准确地预测土体的应力峰值,这是构建平面应变状态下土体软化本构模型的关键所在。     

软粘土的各向异性和小应变条件下的本构模型(ASM)

以能量方程为基础推导出各向异性和小应变条件下弹塑性的本构方程,并将屈服面与修正桥模型和试验测得的屈服面进行了对比,表明新的屈服面比修正剑桥模型更接近试验结果,采用从初始应力到状态边界面的距离为参数的系数来修正硬化准则以模拟土体小应谱条件下的应力－应变特征。将新的本构模型编入有限元程序,对小应变试验进行了计算分析,计算结果表明,新的模型比修正剑桥模型能更好地反映土体的主要力学特性。     

考虑应力路径影响下砂土的三维本构模型

应力路径是影响土的应力-应变关系的一个重要因素。通过对一组砂土（日本Toyoura砂）三轴试验结果的详细分析,揭示了应力路径对剪应变及体积应变的影响规律,进而建立了能反映应力路径影响的应力-应变增量本构模型,提出的统一硬化参数反映了其剪胀特性,引入的变换应力能反映三维应力-应变特性。     

非饱和土的水力和力学特性及其弹塑性描述

简单回顾了非饱和土本构模型研究的发展历程,总结了近几年非饱和土弹塑性本构模型最新研究成果,重点介绍了能统一模拟非饱和土水力性状和力学性状耦合的弹塑性本构模型。通过对建立模型过程中的几个核心问题讨论,较详细地说明该类模型的结构、性能以及相关问题。非饱和土水力性状的滞回性用假定存在饱和度弹性区间的弹塑性过程来模拟;该类耦合模型不仅考虑了吸力对非饱和土水力性状和力学性状的影响,还考虑了饱和度对应力-应变关系和强度的影响以及土体变形对土-水特征曲线的影响。用同一套模型参数,耦合模型可统一预测在吸力控制或含水率控制下沿各种应力路径下非饱和土的水力-力学特性,并简单介绍了膨胀性非饱和土的弹塑性本构模型以及耦合模型在有限元数值计算中的应用。     

循环荷载下土体变形特性研究

为研究循环荷载下土体变形特性,基于已有的分数阶黏壶构建循环荷载下分数阶黏壶,并将其替换为西原模型黏塑性体中的常值黏壶,建立了可描述循环荷载下土体变形规律的分数阶西原模型。当循环荷载应力幅值大于土体临界应力幅值时,模型为反映土体破坏型变形规律的分数阶西原模型;反之,则为反映土体稳定型、临界型变形规律的广义Kelvin模型。采用应力分解法,将循环荷载分解为一个静力荷载和一个平均应力值为0的循环荷载,基于流变力学理论给出了静力作用下基于该模型的流变本构方程,再根据黏弹性力学理论构建了交变应力作用下基于该模型的动态响应本构方程,将已获得的土体流变本构方程与动态响应本构方程叠加,得到新的土体本构方程。结果表明:与既有的试验结果相比,基于分数阶西原模型所建立的本构方程可较好描述循坏荷载下土体各种类型的变形特征,对土体各类型变形曲线的拟合效果较好,拟合系数均在0.90以上,且模型参数值随循环荷载动应力幅值的增大而以幂函数形式减小。     

重塑超固结上海软土力学特性及弹塑性模拟

对典型上海软土重塑样进行了围压不变和平均主应力不变的三轴排水剪切试验,得到重塑上海软土在不同初始超固结比和围压条件下的应力-应变关系,弄清了超固结比、围压以及应力路径对重塑上海软土的变形和强度特性的影响;根据土体的应力-应变曲线得到重塑上海软土的临界状态应力比及内摩擦角。采用姚仰平等建议的基于伏斯列夫面的超固结土本构模型,并根据等向压缩及三轴排水剪切试验确定其模型参数,对保持围压和平均主应力不变的三轴压缩试验进行了模型预测。预测结果表明,此超固结土本构模型能较好地反映重塑超固结上海软土的变形和强度特性。     

城市固体废弃物本构模型的研究现状及展望

城市固体废弃物(MSW)是由多种无机和有机成分组成的复合材料,具有高压缩性和可降解性。随着时间的变化,基本的物理力学特性发生变化,与传统土体相比,性质差异较大。城市固体废弃物的本构模型对于垃圾填埋场中土工问题的研究极其重要,考虑不同因素的影响,系统总结了国内外一些学者对MSW本构模型的研究现状,指出已有的研究成果主要考虑了荷载引起的瞬时变形、机械蠕变、生物降解、纤维物质的加筋作用等,但这些都是考虑单个因素或者将几个因素简单叠加的本构模型,并未考虑不同因素的耦合作用。结合土体本构模型的发展特点,指出了今后城市固体废弃物本构模型的研究方向和发展趋势：应当综合考虑各种因素对MSW应力-应变关系的影响,从工程实践出发,通过岩土工程、环境工程、化学工程和生物工程等学科的交叉寻求突破,形成考虑生化反应-骨架变形-水气运移-溶质迁移耦合作用的理论框架。     

考虑结构性影响的原状黄土本构关系

将三轴应力条件下同一应变的原状黄土主应力差与扰动饱和黄土主应力差之比定义了一个定量化结构性参数 ,它综合反映了土的排列和胶结特征所表现出的综合结构势。结构性参数的变化量与轴应变关系可以用双曲线来拟合,由此所得到的结构性参数表达式可以反映围压、湿度、密度、应力和应变对结构性的影响。结构性参数对不同含水率下原状黄土的应力-应变曲线有很好的归一化作用,归一化后的结构性应力-应变曲线可用符合邓肯-张模型的扰动饱和土应力-应变关系来描述。在扰动饱和土本构关系中引入结构性参数所得到的原状黄土本构关系能够考虑原状黄土结构性的影响,且可以描述软化型和硬化型的应力-应变关系,计算结果与试验结果之间吻合较好。     

粗粒土的离心模型试验与数值模拟

岩土工程数值计算中粗粒土常采用邓肯-张本构模型,为了验证该模型在轴向加载、卸载、侧向加载等复杂应力路径条件下的适用性,进行了粗粒土的三轴试验获取其力学特性及本构模型参数;根据相似性原理制作了堆石坝的离心模型试样,并采用与三轴试验同样级配与粒径的粗粒土进行复杂应力路径的堆石坝离心模型试验,试验中通过改变离心加速度模拟加载、卸载,利用上游蓄水模拟坝体的侧向加载;采用ABAQUS对离心模型试验进行三维数值模拟,并研究了模型箱侧壁摩擦系数与土体的初始应力对数值结果的影响。通过比较离心模型试验与数值模拟成果,表明土体的初始弹性模量对计算结果影响较大,初始应力应选择自重作用下的应力场;邓肯-张本构模型能较好地描述堆石坝的加载应力路径,而模拟卸载应力路径有一定的差异,需要改进邓肯-张本构模型中卸载模量的确定方法。     

热-力耦合作用下垃圾土体积变形特性和模型研究

城市生活垃圾填埋场因有机质降解产热导致其内部温度长期高于环境温度,引发工程运维问题。垃圾土温控三轴试验结果发现,温度变化引起的垃圾土体积应变与应力水平有关,且弹性体积应变占比较大,影响以塑性体积应变为硬化参数的弹塑性本构模型研究。在前期试验基础上,采用GDS温控应力路径三轴仪,研究了排水条件下温度对垃圾土中黏土体积变形特性和压缩特性的影响,并与相同条件下垃圾土体积变形特性进行比较,揭示了温度变化对垃圾土体积变形特性的影响机制。基于垃圾土温控三轴试验结果,推导了垃圾土热弹塑性压缩指数λ_T和热弹性压缩指数κ_T的确定方法;采用等效应力原则,假设温度变化引起的弹塑性体积应变等于某一等效应力增量引起的弹塑性体积应变,建立了垃圾土在热-力耦合作用下的体变计算模型,并对模型进行了验证分析。研究结果表明,孔隙比是影响垃圾土温度体积应变的主要因素;垃圾土的λ_T和κ_T随初始固结应力的增加而减小,比黏土高一个数量级;选取常温下相应固结应力水平的回弹指数κ和压缩指数λ比例值(κ/λ)能够较好地模拟热-力耦合作用下垃圾土的体...     

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。     

基于椭圆-抛物双屈服面模型的广义泊松比研究

适用性较好的土体模型除了能较好地模拟土体的应力-应变关系外,还应该能较好地反映土体的侧向变形,即合理计算广义泊松比。在椭圆-抛物双屈服面模型的基础上,建立了反映侧向变形特性的广义泊松比公式,并利用广义泊松比来研究砂-聚苯乙烯颗粒轻质填料的变形规律。文中研究了包括材料配比在内的主要参数对广义泊松比的影响,发现与剪胀有关的参数对广义泊松比的影响较大。基于砂-聚苯乙烯颗粒轻质填料的三轴固结排水剪切试验数据,给出了相关模型参数,结合该材料的剪切强度、变形特性与建立的广义泊松比公式,对该泊松比能否恰当反映土体的变形特性（剪缩、剪胀和侧向变形）进行验证,结果表明广义泊松比可以反映土体的变形特性,尤其是侧向应变及体积应变规律。