饱和砂土体有效应力物态动力本构模型及应用的研究

首先通过对现有土体动力反应分析方法的系统分析,在动三轴仪上对饱和砂土进行大量等q往返球应力p、等p往返偏应力q以及往返p,q三类固结排水动力试验,揭示往返球应力和往返偏应力作用下饱和砂土的应力–应变特性。在继承饱和砂土瞬态动力学理论的基础上,完善由状态边界面、相态转换面及应力历史边界面构成的静动有效全应力空间特性域,建立新的有效应力物态本构模型。由于该模型是建立在球应力–体应变、球应力–偏应变和偏应力–偏应变关系的基础上,因此能够全面反映饱和砂土的应力–应变非线性、硬化性、剪切胀缩性和压密回胀性、应力路径相关性以及球应力–偏应力–变形的耦合性等主要特征。其次,以动力固结理论和瞬态动力学理论为基础,将该本构关系引入到以动力反应–动力固结相耦合、静应力–动应力变化相耦合以及孔隙水压力产生–扩散–消散相耦合,能较全面地反映动力作用下土体应力–应变反应的真实过程为特点的三维瞬态动力方程组,形成饱和砂土体有效应力物态地震反应分析的完整理论体系。

非饱和黏性土的广义有效应力三剪弹塑性本构模型

将非饱和土广义有效应力原理与三剪强度准则相结合,提出了非饱和土广义有效应力三剪强度准则。将所提准则作为破坏准则,分别采用等量代换法和坐标平移法推导出新的破坏应力比,并将其与非饱和土修正剑桥模型相结合得到了新的屈服函数。相比于原来修正剑桥模型中的破坏应力比为定值,新的屈服函数可以更好地反应土体全应力状态、中间主应力效应和拉压不等效应。在弹塑性理论的框架下,建立了非饱和土的广义有效应力三剪弹塑性本构模型。以江西正常固结非饱和重塑红黏土作为试验研究对象,进行室内土工试验、土水特征曲线试验、压缩回弹试验、非饱和土常规三轴固结排水试验。将该本构模型计算结果与非饱和土三轴固结排水试验结果进行对比验证。结果表明:数值模拟结果与试验结果吻合较好,验证了该本构模型的正确性。在轴向应变较小时,等量代换法和坐标平移法模拟结果比较接近,随着轴向应变增大直至偏应力达到平稳状态的过程中,等量代换法计算结果要大于坐标平移法计算结果,且更接近于试验值。真三轴计算预测结果表明:在固结排水条件下,初始压实度、净围压、基质吸力相同,中间主应力影响系数越大,则剪应力和体应变越大。b值相同的情况下,轴向应变较小时,等量代换法计算结果和坐标平移法计算结果比较接近,随着轴向应变的增大,二者之间的差值也越来越大。

基于物态本构模型的土体动力反应分析方法

通过对现有土体动力反应分析方法的分析,提出了新的有效应力物态地震反应分析方法。首先,建立了能够全面反应饱和土体的应力应变非线性、硬化性、剪切胀缩性和压密回胀性、应力路径相关性以及球应力和偏应力与变形的耦合性等主要特征的有效应力物态动本构关系。其次,以动力固结理论和瞬态动力学理论为基础,将该本构关系引入到以动力反应与动力固结相耦合、静应力和动应力变化相耦合,孔压产生、扩散和消散相耦合、能够较全面反映动力作用下土体应力应变反应的真实过程为特点的三维瞬态动力方程组,形成了饱和砂土体有效应力物态地震反应分析的完整理论体系。最后,开发了新的动力固结三维有限元分析程序,通过对一个饱和路基的计算和分析,不仅得到了合理的土体动力性状,而且验证了该分析方法与程序的正确性。

循环荷载作用下软基上大圆筒结构弹塑性有效应力分析

采用隐式积分算法将改进的剑桥弹塑性动力本构模型引入大型通用有限元软件ABAQUS,对循环荷载作用下软土地基与大圆筒结构耦合系统的失稳破坏机理进行了探讨。与前人的循环三轴试验结果比较表明,该模型可以合理的模拟软黏土在循环荷载作用下的变形、孔压累积效应。进而基于忽略土骨架和孔隙水惯性效应的广义Biot固结理论的简化形式,建立软基上大圆筒结构的有效应力分析模型,探讨不同幅值循环荷载作用下结构的不同变形模式以及失稳机理。计算结果表明:当循环荷载幅值较大时,大圆筒结构与地基耦合系统的瞬时位移较大,而残余变形相对较小;而当循环荷载幅值较小时,大圆筒结构与地基耦合系统的残余位移相对较大。

基于物态本构模型的路基动力反应分析

以动力固结理论和瞬态动力学理论为基础,将有效应力物态动本构关系引入到以动力反应与动力固结相耦合、静应力与动应力变化相耦合、孔压的产生、扩散和消散相耦合的动力三维瞬态动力学基本方程组中,形成了饱和土体有效应力物态地震反应分析的完整理论体系。利用有限元法对饱和路基进行了瞬态地震反应分析,较好地反映了土体在震动过程中剪胀、剪缩的实际性态,比以往引进孔压模型和静.动交替分析计算更为合理。

基于Finn本构模型的饱和砂土地震液化分析

天然地震作用下的饱和砂土液化问题是岩土地震工程研究的重要课题之一。目前,国内推荐使用的规范法是基于实际地震液化调查而建立的判别方法,方法本身缺乏理论基础。采用Finn液化本构关系建立了砂土液化数值分析模型,运用有限差分法的动力时程分析模块,分析了饱和砂土地基的地震液化问题。结果表明,将Finn本构模型应用于砂土液化分析,可以较好地给出地震作用过程中孔隙水压力和有效应力变化的规律。

一个高饱和度非饱和土的本构模型

高饱和度的非饱和土中由于气体处于封闭状态,其内部气压的变化必将对土体的行为产生影响。首先,对高饱和度非饱和土特性进行探讨和研究,随后,在已有非饱和土模型框架基础上,采用广义有效应力原理,建立一个适用于高饱和度条件下的非饱和土的弹塑性本构模型。模型中引入气相耗散的影响,在硬化方程中考虑封闭气体压力改变的影响。最后,利用已有的试验结果来对模型进行验证,并将模型预测结果与前人模型进行对比,表明模型预测可以很好地预测土体的行为,尤其是在高饱和度条件下其结果比其他模型更加接近实际情况。

水饱和花岗岩本构模型及地下爆炸波的数值研究

采用广义自洽方法描述介质的细观几何结构,基于混合物理论建立了水饱和岩石含损伤弹塑性本构模型,提出了一个适用于爆炸波数值计算的饱和水体积分数演化方程,也即给出了本构关系中的闭合方程。使用Biot有效应力描述水压对岩石强度的影响,在有效应力空间里建立了水饱和岩石剪切屈服和破坏的强度准则,并引入了剪胀效应对强度的影响因子。对地下封闭核爆炸的力学效应开展了数值模拟,系统地研究了含水花岗岩中地下爆炸波的传播特征以及含水量对爆炸应力波传播规律的影响。

应变空间表述的混凝土疲劳塑性/损伤双面本构模型

考虑到混凝土具有塑性和脆性相结合的复杂性质,运用损伤和塑性理论在应变空间分别建立了一个能描述混凝土应变和刚度变化的损伤面和塑性面,应用有效应力和弹塑性耦合的概念分析了混凝土的本构特征.计算结果表明,该模型能较好地描述混凝土在单轴及多轴单调加载和疲劳加载下的性质.

岩石弹塑性损伤本构模型建立及在隧道工程中的应用

在实际隧道施工过程中,隧道开挖引起地下岩体应力重分布使得围岩的微裂纹扩展损伤,并伴随有塑性流动变形。在地下水环境中对于孔隙和微裂隙围岩介质受到应力作用时,在内部将产生高孔隙水压力影响岩石的力学性质,也改变了围岩的破坏模式。为了研究损伤引起的刚度退化和塑性导致的流动两种破坏机制的耦合作用,从弹塑性力学和损伤理论的角度出发,同时引入修正有效应力原理来考虑孔隙水压力的作用,建立基于Drucker-Prager屈服准则的弹塑性损伤本构模型;针对该本构模型推导了孔隙水压力作用下弹塑性损伤本构模型的数值积分算法-隐式返回映射算法,分别对预测应力返回到屈服面的光滑圆锥面或尖点奇异处两种可能的情况给出了详细的描述,隐式返回映射算法具有稳定性和准确性的特点;大多数弹塑性损伤模型中涉及参数多且不易确定的问题,采用反分析方法获得损伤参数,解决了损伤参数不易确定的难题;采用面向对象的编程方法,使用C++语言编制了弹塑性损伤本构求解程序,并对所建立的弹塑性损伤模型和所编程序进行了试验和数值两个方面的验证;最后将其在吉林抚松隧道工程中进行应用,模拟了塑性区和损伤区的发展变化。研究结果表明:所建立的弹塑性损伤本构模型能够较好地描述岩石的力学性能、塑性和损伤变化趋势,所编程序能够进行实际工程问题的模拟,对现场施工给予一定的指导。

波浪作用下海床的有效应力分析

波浪作用下海床的稳定性分析是海洋工程地质评价的重要内容。海床的稳定性可通过计算分析其随时间变化的有效应力场来评估。本文建议了一个周期荷载作用下土体的本构模型 ,并用于计算波浪作用下海床的应力与变形。采用Biot固结理论和有限单元法 ,分析了海床的动态应力场与孔隙水压力场。波浪作用下两种渗透系数时有效应力的动态变化过程结果对比 。

基于Matasovic骨架曲线的有效应力方法在ABAQUS软件中的实现

将描述土体液化特性的Byrne简化的Martin-Finn振动孔压增量模型与修正Matasovic黏弹性本构模型相结合,以外挂子程序的形式,嵌入到ABAQUS软件中,实现了可液化地基孔压增长过程的数值模拟。以简单应力状态下的可液化地基为例,初步验证了该子程序的动力有效应力分析能力;对某液化场地进行了二维非线性的总应力法和有效应力法对比分析,给出了地表加速度和地表加速度反应谱的对比结果,同时给出了代表性单元的剪应变时程曲线。结果表明,该子程序能够较好地模拟液化场地的振动孔压发展过程,预测场地的地震液化趋势。

岩石损伤本构模型在大理岩三轴卸荷试验中的应用

依据岩石强度服从统计分布的特点,通过定义损伤变量,并在一定的假定条件下,运用岩石力学中的D-P强度准则,建立岩石损伤本构模型。对大理岩在不同卸荷速率条件下的试验结果进行分析,利用试验所得的岩石力学参数及求解数据,通过拟合求得损伤本构模型的分布参数,进而确定损伤本构模型的演化曲线。通过与试验曲线对比分析,结果表明:理论曲线基本能反映大理岩在三轴卸荷条件下的应力-应变关系及强度特点;导致高卸荷速率下的大理岩试件强度相对要低的原因,是高卸荷速率的岩石在卸荷过程中其内部损伤演化发展相对要快。

水饱和岩石中爆炸应力波传播的数值模拟

基于连续介质力学和不相融混合物理论,假定组分间无相对运动,采用B-W-N-B有效应力准则,在屈服面中引入孔隙影响因子,提出了一种多孔含水介质流固耦合的本构模型,并给出了孔隙的演化方程,对水饱和凝灰岩介质中的爆炸应力波传播作了数值模拟。数值计算给出的应力波形与实测结果有良好的一致性。采用本文中所述流固耦合本构模型,可很好地预测水饱和岩石中爆炸波的演化规律。

基于修正Davidenkov本构模型与Byrne孔压增量模型的有效应力算法及其验证

提出了Davidenkov本构模型的不规则加卸载修正准则,以代替扩展Masing法则中的"上大圈"准则,并通过南京细砂原状土样的共振柱试验,提出了考虑初始有效围压对初始剪切模量和参考剪应变的修正公式.利用ABAQUS显式开发模块,实现了基于不规则加卸载准则的修正Davidenkov本构模型与Byrne孔压增量模型的有效应力算法.对饱和南京细砂进行排水循环三轴试验,给出了南京细砂的Byrne孔压增量模型参数;对饱和南京细砂进行了不排水循环三轴试验和三维数值仿真的比较研究,发现该子程序能够较好地模拟南京细砂的振动孔压发展过程,合理地反映土体的液化特性,从而验证了本文提出的有效应力算法的合理性.

深圳海积软土基于CU试验的修正剑桥模型

通过室内试验测定了深圳地区某典型淤泥质粘土的修正剑桥模型参数,基于固结不排水剪切(CU)试验的有效应力路径建立了所述软土的应力应变本构方程,利用4/5阶龙格库塔法求解了微分方程的数值解,并通过计算值与试验值进行对比,验证了修正剑桥模型对于深圳海积软土的适用性。临界状态有效应力比M值通过CU试验测得,为得到CU试验的有效应力路径方程,将孔隙水压力随偏应力的变化关系采用二次多项式拟合,拟合效果较好。从土的本构关系理论出发,通过室内试验与结果分析,测定了深圳地区某典型软土的修正剑桥模型参数,并通过对照组的试验予以预测和验证得到了较理想的结果。

水饱和混凝土单轴压缩弹塑性损伤本构模型

多孔多相的饱和混凝土中,孔隙自由水对混凝土的力学特性有显著的影响。该文基于损伤力学基本原理建立了单轴压缩条件下水饱和混凝土的弹塑性损伤本构模型,并结合太沙基"有效应力原理",认为材料的损伤是由本体有效应力和结构有效应力引起的,根据应力平衡条件得出了两种有效应力下的应力关系方程,并在此基础上建立了水饱和混凝土的单轴压缩损伤演化方程。

非饱和土力学理论的研究进展

回顾了非饱和土有效应力的发展,目前普遍认同采用两个应力变量来建立本构模型,且对基质吸力中毛细和粘吸两部分作用进行了阐述.分析了非饱和土强度问题,包括抗剪强度和抗拉强度.讨论了非饱和土的本构模型问题,包括基于净应力和基质吸力的弹塑性模型,基于Bishop有效应力和基质吸力的水力力学耦合弹塑性模型,以及双孔隙结构的模型.最后探讨了热力学方法和多孔介质理论在非饱和土中的应用,基于多孔介质理论在多场耦合条件下土体复杂的行为是当前值得研究的问题.

强夯法研究现状分析

在对强夯法简要介绍的基础上,文章从有效加固深度、振动环境分析、数值模拟、强夯时夯锤跟土体之间的接触应力和土中的应力分布、强夯前后土体的性状变化等方面对强夯法的研究现状进行了分析总结,首次对强夯的冲击特性、强夯时被加固土体的性状、夯锤跟土体的作用时间、土体服从的本构模型以及波动能量等方面进行了总结,最后讨论了强夯的研究方向。

饱和多孔介质中骨架的应变局部化萌生条件

应用饱和多孔介质控制方程和Liapunov稳定理论,导出了固相应力和有效应力描述的多孔介质骨架应变局部化的萌生条件.不同应力形式表达的多孔介质基体的控制方程,相应的应变局部化萌生条件的表达形式也不尽相同,其原因源于骨架本构中固液两相之间相互作用的不同描述.应用得出的Terzaghi有效应力描述的应变局部化萌生条件,可以理论解释多孔介质中固、液两相不同相对运动出现的破坏方式,如管涌、滑坡和泥石流.应用简单算例说明了应变局部化条件的具体实施方法.