土的边界面应力应变本构关系

土的边界面应力应变本构关系徐日庆，杨林德，龚晓南用光滑封闭的蛋形函数作为屈服面和边界面，用强度发挥度建立了两者的内在联系，据以建立边界面本构模型．土的边界面应力应变本构关系@徐日庆，杨林德，龚晓南...     

基于SFG模型的非饱和沉积土本构模型

为使修正后的模型能够更好地反映非饱和沉积土的持水和力学性质,对SFG (ShengFredlund-Gens)模型进行修正.用平均骨架应力代替净应力作应力状态变量,考虑饱和度对非饱和土变形的影响.通过分析泥浆固结土(沉积土)在等吸力条件下等向压缩和三轴压缩试验数据,得出饱和度和孔隙比的关系,并把变形考虑到持水曲线模型中.由修正后的体变方程以及持水曲线方程推导出加载湿陷屈服面方程,在修正剑桥模型基础上推导出三轴应力状态下的本构方程,并采用能统一描述剪缩剪胀性的硬化参数.基于同一模型参数,模型可以统一预测吸力控制下各向等压和三轴剪切路径下非饱和沉积土的持水和力学特性.     

基于伊留辛公设的Q_2原状黄土弹塑性本构模型

为了较好地模拟非饱和Q2原状黄土的剪胀性和软化性,进行了一系列非饱和Q2原状黄土室内试验,获得非饱和Q2原状黄土的物理及力学参数。结合应变空间的塑性力学理论,推导出Q2原状黄土的屈服函数和以塑性功为硬化参数的硬化规律。根据伊留辛公设和相关联流动法则,建立了应变空间的Q2原状黄土弹塑性本构模型。通过计算与试验实测值的比较,表明该本构模型能反映Q2原状黄土的剪胀性和软化性。     

橡胶类材料大应变硬化的本构关系

橡胶材料具有良好的弹性性能和拉伸能力，为典型的超弹性材料．其在大应变时常呈现出应力一应变的增强或软化效应，本构关系较复杂．目前，有关橡胶材料大应变硬化的本构关系实验研究尚属匮乏．文中对橡胶类材料大应变时的硬化现象进行了实验和理论研究，提出了一种新的应变能函数来描述橡胶材料的本构关系，测定了橡胶材料硬化时的本构参数，并进行了实验验证．研究结果表明该应变能函数可较好地描述橡胶材料在大应变时的硬化现象，为进一步研究橡胶材料硬化的本构特性提供了参考依据．     

基于胶结破损机理的非饱和结构性黄土本构模型

非饱和结构性黄土本构模型需同时考虑非饱和性和结构性,为简化建模过程,基于实用化宏微观土力学研究思路,以岩土破损力学及临界状态土力学为框架,建立了非饱和结构性黄土的本构模型.通过三维离散元法开展不同含水量结构性黄土数值试验,基于离散元和前人试验结果建议采用幂函数描述吸应力和初始饱和度的关系,从而建立非饱和黄土有效应力公式,进而将临界状态线、扩展椭圆屈服面和临界Lade-Duncan强度准则推广到非饱和土体,以考虑黄土的非饱和性.通过定义与重塑黄土屈服面形状相似的结构性黄土屈服面反映结构性的影响,鉴于室内试验无法直接获取土体胶结破损演化规律,基于离散元分析结果和胶结颗粒材料力学理论,得到具有微观机制的胶结破损规律,该演化规律建立在等效塑性应变上,可以很好地反映结构损伤过程;通过将其引入到硬化规律考虑黄土的结构性演化,从而建立了非饱和结构性黄土本构模型.将该模型应用于Q3天然非饱和结构性黄土三轴试验及人工制备结构性黄土侧限压缩试验和三轴试验模拟,初步验证了该模型的合理性及适用性.     

基于应力应变曲线类型的邓肯张模型修正

邓肯张模型应用于钙质结核土三轴试验的分析时,发现部分应力应变曲线不能有效地被预测。文章基于本构模型所具有的特性,结合土的结构性及应力应变曲线的特性,分析本构方程参量的作用并引进能有效描述S型应力-应变曲线的参量(密实点D为切线弹性模量为最大值时对应的应力应变点)。通过推广邓肯张模型、建立和修正反正切模型,结合钙质结核土应力应变曲线类型,探究本构模型各自的实用性与适应范围。结果表明:应用于应变硬化的反正切修正模型与邓肯张修正模型,由于变量的增加,而使得对应力-应变曲线的拟合度有所增加;邓肯张修正模型适应于反映应变软化岩土的性质,但其表现岩土物理性质的形式随着参量增加而更加复杂;反正切修正模型能较为简单地体现S型应力应变曲线的性质,表达密实点D的位置。     

旋转硬化与统一硬化参量在修正剑桥模型中的应用

针对修正剑桥模型不能模拟土体剪胀性、应力路径转折时土体的应力应变特性以及应力引起的各向异性,将旋转运动硬化理论引入到修正剑桥模型中,给出了椭圆屈服面的旋转运动硬化机制,把等向硬化的修正剑桥模型扩展为旋转运动硬化模型.同时,为了能够反映砂土和超固结土的剪胀等本构特性,用统一硬化参量H代替修正剑桥模型中的等向硬化参数一塑性体积应变εpv,建立了一个新的基于旋转硬化与统一硬化参量的改进的修正剑桥模型.对修正剑桥模型、旋转运动硬化修正剑桥模型和新模型进行了定性对比,结果表明,新模型不但能够反映应力路径转折时土体的特性,也能描述土体的剪缩和剪胀.     

非饱和土力学行为的三维离散元分析

基于离散单元法颗粒流理论,土体颗粒单元间采用Hill接触模型来考虑非饱和土中吸力的作用,建立了非饱和土的颗粒流模型。根据室内试验结果对模型细观参数进行标定,开展了固结排水三轴剪切试验离散元数值模拟,揭示了在不同围压和吸力下,模型试样的应力-应变关系与强度特性等宏观力学性质以及细观信息平均配位数的变化规律。根据不同吸力下的莫尔-库伦破坏包线,建立了吸力与抗剪强度参数之间的关系。此外,通过标定室内试验结果中不同含水率下的应力-应变曲线,建立了Hill模型中吸力与含水率的关系。研究结果表明：Hill接触模型可以较好的模拟非饱和土的力学行为,可为非饱和土的离散元模拟提供参考。     

考虑体积质量变化时非饱和土的土压力系数

利用非饱和土的双应力状态变量表示方法，各向同性和线弹性非饱和土的本构方程以及饱和度与基质吸力之间的关系，建立了非饱和土在考虑基质吸力和体积质量沿深度变化时的静止．主动和被动土压力系数表达式。通过数值积分求出了考虑不同因素作用时的三种土压力系数，并得到以下一些结论：非饱和土的土压力系数不仅与相应的饱和土参数有关，还与深度和基质吸力的分布有关；压力系数在较浅处一般较小，随深度的增加而增大，且三种系数均有在一定深度范围内为零即在地面产生裂缝的可能，主动情况下裂缝深度最大；基质吸力沿深度线性减小时的土压力系数最接近饱和时的土压力系数，且基质吸力减小的越快。两种压力系数越接近。     

非饱和原状土的弹塑性损伤本构模型

自然界所存在的原状土具有一定的结构性,与室内重塑土在加载过程中所表现出的力学特性(如变形和强度)具有明显的差异.本文以复合体损伤理论为基础,建立了适用于非饱和原状土的弹塑性损伤本构模型,并给出了损伤变量λ的演化规律.其主要思想是把土材料看作由相对完整的土和相对破碎土两部分混合而成,二者的力学性能不同,且在受力过程中,相对完整的土逐渐转化为相对破碎的土,故分别采用弹性和弹塑性模型描述.该模型所采用的参数(除结构性参数β、α以外)均可以直接通过实验确定.结果表明,该模型能够较好描述非饱和原状土的应力-应变特性,尤其是应变软化现象,且所给出的扰动变量演化规律也能够较好描述土结构性退化规律.     

基于统计损伤理论的饱和土邓肯-张修正模型

为了描述饱和土变形过程,以某边坡饱和土为研究对象,开展固结排水三轴压缩试验。试验发现饱和土的应力-应变曲线近似为双曲线,由此选择邓肯-张模型作为基础模型,结合统计损伤理论,构建一种新的饱和土邓肯-张修正模型。通过邓肯-张模型自身特性及线性回归的方法,求解模型参数。采用所建模型对饱和土试验数据进行辨识,对比分析试验曲线和理论曲线。结果表明,所建修正模型结构简练,参数较少,能较为准确地辨识饱和土偏应力-应变曲线,具有一定的可行性和合理性。     

基于细观力学方法的冻土本构模型研究

从复合材料的细观力学机理出发研究冻土的材料特性,用混合律方法得到了冻土材料的等效弹性常数,并利用这些弹性常数建立了含损伤的冻土弹性本构模型.对于在不同冰体积含量和不同温度下的冻结砂土,由该损伤本构模型计算的结果与实测的应力-应变曲线比较吻合,表明该模型能够较好地描述实际冻土材料的力学特性.     

移动荷载下各向同性饱和土动力响应积分变换

采用移动坐标,利用BOIT方程,研究移动荷载下各向同性饱和土体的动力响应。根据BOIT理论和各向土体的应力应变关系,通过Fourier变换求解各向同性饱和土体的动力基本方程,从而得出3个方向的位移表达式。算例表明本方法正确。     

考虑参数简化的修正邓肯-张模型

邓肯-张非线性弹性模型被广泛应用于计算围堰修筑、土石坝等水利工程中粗粒土的应力-应变关系。然而,邓肯-张模型参数相对较多、计算结果往往不能充分体现土的剪胀特性。为解决上述缺陷,本文以邓肯-张模型为基础,提出了参数形式更为简化的应力-应变表达式,并基于沈珠江模型采用二次抛物线形式对应变进行描述,同时对该模型参数形式进行了改进,建立了反映土体体应变-轴向应变关系的体积比表达式。最后通过采用粗粒土和粘性土的试验结果对改进模型进行验证。结果表明：理论计算结果与试验结果吻合较好,改进的模型能够更好的反映土的体应变特征和应力-应变关系,为实际工程中土体的应力-应变关系计算提供了参考。     

不同应力路径下粘土的本构关系验证

本文通过对小浪底土坝心墙粘土等应力比和变应力比的固结排水剪切试验,研究了不同应力路径下粘土的应力应变特性。结果表明,应力路径对土的应力应变关系有显著的影响,而对强度指标则影响很小;在一定的等应力比范围内,土的应力应变关系具有较好的归一性。对邓肯-张模型、修正剑桥模型和双屈服面弹塑性模型进行了验证,这些模型对应力路径的适应性各不相同。根据几种基本试验,利用插值方法推求了等应力比路径下土的应力应变关系曲线,取得了较为满意的结果。     

非饱和土蠕变力学特性试验及分段模拟

水电工程中库岸边坡流变效应显著,以库岸边坡非饱和粉质黏土为例,描述其蠕变力学行为,开展基质吸力控制条件下的三轴压缩固结排水蠕变试验。试验表明:①非饱和粉质黏土在不同应力水平下蠕变曲线形态较为相似,在同一应力水平下,土样的瞬时应变都大于蠕变应变;②随着应力水平的提升,土样的瞬时应变和蠕变应变都呈递增趋势,且瞬时应变的增长幅度大于蠕变应变;③在不同基质吸力条件下,非饱和等时偏应力-应变关系均表现出较为明显的非线性特征。基于试验成果,分析粉质黏土蠕变变形特点,提出分段模拟的思路来描述瞬时应变和蠕变应变,分别构建考虑基质吸力的弹性体和分数阶黏滞体,由此建立可考虑基质吸力的非饱和粉质黏土蠕变本构模型。通过所建模型对本文和相关文献中非饱和粉质黏土蠕变数据进行辨识,对比分析试验曲线和预测曲线,证明所建模型的合理性和适用性。研究成果为库岸边坡长期稳定性研究提供一定参考。     

轴对称爆炸载荷作用下深埋圆形隧洞的准饱和土动力响应

考虑准饱和土与隧洞弹性衬砌的非完整连接, 基于Biot模型和弹性理论, 研究了深埋圆形隧洞的准饱和弹性土在轴对称爆炸载荷作用下的动力响应. 通过引入势函数和Laplace变换, 得到准饱和弹性土-弹性衬砌耦合系统在Laplace变换空间中动力响应的解析解; 借助Laplace逆变换的数值Crump法, 得到了耦合系统的时程响应; 分析了不同隧洞模型下准饱和土的动力响应. 结果表明: 准饱和土-壳体衬砌系统模型的土体响应最小, 而无隧洞衬砌准饱和土模型的土体响应最大; 饱和度对土体位移和应力影响较小, 但对孔隙水压力有较为显著的影响; 且随着接触面刚度的增大, 准饱和土体的径向位移和环向应力幅值均增大.     

用接触面弹塑性损伤模型分析群桩基础

探讨了接触面弹塑性损伤模型在群桩基础响应分析中的适用性。建立了用于有限元分析的弹塑性损伤接触面单元。采用多种接触面模型及多组模型参数对单调和循环荷载作用下的群桩基础与地基相互作用进行了三维有限元分析。结果表明:弹塑性损伤单元能够合理地描述包括体应变及其与剪应变的耦合特性在内的接触面主要静动力学特性;接触面的力学特性对桩土相互作用分析有重要影响;Clough-Duncan模型和理想弹塑性模型不能反映接触面的体应变及其与剪应变耦合特性,算得的桩的响应与弹塑性损伤接触面单元差别较大。因此,使用弹塑性损伤接触面单元进行土体与结构物相互作用分析较为合理。     

粗粒土初始各向异性弹塑性模型

基于黏土的初始各向异性研究成果,提出一个适用于粗粒土的弹塑性模型.该模型屈服面为旋转的椭圆,采用考虑塑性体应变和塑性剪应变耦合的两个硬化参数,即表示屈服面大小的硬化参数κ0和旋转硬化参数α.模型能较好地反映初始及后续各向异性状态下粗粒土的剪胀性.利用双江口堆石坝覆盖层砂卵砾石料,进行了岛固结排水剪和K0固结不排水剪大三轴试验,并用试验结果对模型进行了初步验证.研究结果表明:模型能够合理地预测粗粒土的变形和强度特性.