非饱和原状黄土弹塑性损伤流固耦合模型及其初步应用

非饱和原状黄土具有显著的结构性,结构性对其力学变形特征有着较大影响,但鲜有报道将结构性引入到非饱和黄土地基湿陷变形的多场耦合响应分析中,该领域亟待进一步深入。以已建立非饱和原状黄土弹塑性损伤本构模型为基础,将其纳入到非饱和土流固理论中,结合非饱和原状黄土水气运移规律,建立考虑结构性的非饱和原状黄土弹塑性损伤流固耦合模型。对新建流固耦合模型的控制方程在时间域和空间域上进行离散,得到单元模量矩阵各元素的具体表达式,并编写多场耦合分析有限元程序ULEDSC。利用新编程序对黄土地区的大型现场浸水试验(以兰州和平自重湿陷性黄土场地的浸水试验为例)进行数值计算,得到浸水和停水阶段的孔压场、位移场以及损伤场等关键变化特征,以初步揭示湿陷性黄土地基浸水沉降变形过程中的多场耦合响应机制。研究成果可为黄土地区的工程实践提供一定参考,新编程序也能为初步解决黄土地基的湿陷性问题提供可能。     

以塑性功为硬化参数的Q2原状黄土弹塑性模拟

为了研究非饱和Q2原状黄土的力学特性,通过三轴压缩试验、各向等压试验和三轴试验卸载、再加载试验获得Q2原状黄土的力学参数,并结合弹塑性力学理论,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,采用相关联流动规则,建立非饱和Q2原状黄土弹塑性本构模型。通过模型计算与试验实测值比较,表明该模型基本上能反映Q2原状黄土的力学特性。     

黄土的湿载结构性本构模型研究

土结构性是土结构空间排列几何特征和联结特征所表现出的力学性质,是影响土力学特性的重要内在因素。它与土的密度、粒度、湿度相联系,能够综合反映土的强度、变形等力学特性的变化和发展。从综合反映增湿导致土结构内在主动变化和加载变形导致土结构被动变化两个方面出发,沿用土综合结构势的应力比结构性参数,首先建立压缩、剪切及增湿作用下黄土的结构性演化规律;其次,通过压剪湿作用下黄土的应力-应变特性、屈服破坏特性及其与结构性之间的关系,揭示结构性变化对土力学性质的影响;进而,建立了反映压剪湿作用下黄土结构性发展演化的湿载结构性本构模型。最后通过与试验数据、修正剑桥模型的比较分析,初步验证该模型的准确性。     

考虑含水率影响的结构性黄土临界状态模型

根据不同初始含水率原状黄土结构性演化规律,基于临界状态土力学理论,以应力、初始含水率和应变为基本变量,提出了一个可以反映原状黄土结构性演化规律及软化特性的临界状态本构模型。模型通过对比不同初始含水率下重塑与原状黄土等向压缩曲线,建立了不同含水率下原状黄土的结构性参数及其演化方程。此外,模型采用非相关联流动法则,以剪胀方程的形式来求解塑性偏应变。模型共计9个材料参数,均可由压缩试验和常规三轴剪切试验求得。通过与已有试验数据的对比发现,本模型不仅可以较好地体现初始含水率对原状黄土结构强度、变形特性以及结构破坏规律的影响,而且能较为合理地预测原状黄土的硬化及软化特性。所建立的结构性黄土临界状态模型为深化黄土力学特性研究提供了可能,同时为有效计算黄土地基湿陷变形提供了一定的理论依据。     

非饱和结构性黄土本构模型的研究

本文在饱和土扰动概念基础上,提出了可以考虑外力和增湿两个扰动因素对非饱和土结构性影响的耦合扰动变量。根据复合材料均匀化理论的思想建立了适用于非饱和结构性黄土的本构模型,并给出了耦合扰动变量的演化方程。通过将BBM模型和本文模型的计算结果分别与已有的实验结果进行对比说明,本文模型能够更好地反映非饱和原状黄土的力学特性。通过对结构性参数、进行分析说明,所给出的耦合扰动变量的演化方程能够较好地描述土结构性随变形劣化的规律。     

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。     

海相沉积软黏土的弹塑性本构模型研究

在深入探讨海相沉积原状软黏土压缩、变形等力学特性和详细分析加载屈服面随荷载情况变化的基础上,确认了海相沉积原状软黏土的强度、变形特性与结构屈服应力密切相关。即当固结压力小于结构屈服应力时,其力学特性与超固结重塑土的力学特性类似;当固结压力大于结构屈服应力时,其力学特性与正常固结重塑土的力学特性类似。为描述海相沉积原状软黏土的上述力学特性,将姚仰平等提出的超固结重塑土本构模型引入到海相沉积软黏土弹塑性本构模型的构建中。在本构模型构建过程中,考虑了海相沉积原状软黏土具有的抗拉强度及其演化规律,软黏土强度包线的特点及其进一步修正的表达式,使模型更符合海相原状软黏土的强度、变形特性。最后,将3种不同海相沉积软黏土固结排水剪切试验得到的应力-应变-体变曲线与模型预测结果进行对比。比较结果显示,本文提出的弹塑性本构模型能很好地描述海相沉积原状软黏土的剪缩硬化、剪胀软化以及变形的应力水平依存性等力学特性。     

非饱和土毛细滞回与变形耦合弹塑性本构模型

在修正剑桥模型的基础上,提出了一个非饱和土毛细滞回与骨架变形耦合的弹塑性本构模型。该模型考虑了基质吸力与饱和度对屈服应力的影响,可以同时描述非饱和土的弹塑性变形特性与毛细循环滞回效应。根据塑性体变的产生使非饱和土进气值增大的特点,建立了变形对土-水特征曲线影响的数学描述。该模型有效地考虑了饱和度对前期屈服应力的作用,准确地反映了土体在不同土-水状态条件下（脱湿和吸湿过程）强度特性的变化,而且还可以有效地描述水力循环历史对土体变形的影响。通过与试验数据对比,证明了该模型能够模拟非饱和土的主要力学特性。     

黄土结构性力学特性研究与应用的探讨

大孔隙、高孔隙比、欠压密的非饱和黄土具有显著的结构性,结构性是影响土力学性质的关键因素。在讨论土结构性力学特性研究途径的基础上,从反映土的结构可稳性和可变性的综合结构势出发,阐述了反映力、水作用的黄土压缩变形结构性参数、应力结构性参数和应力比结构性参数,以及与土的物理性质指标对应的反映结构特征的构度。通过黄土的单轴抗压试验、非饱和直接剪切试验、三轴试验和真三轴试验,揭示了结构性参数和构度的变化规律,以及它们分别与强度指标之间的关系,提出了湿、剪变形过程等结构性临界状态的概念。将正常固结土视为结构性参数或构度等于1的无结构性土,在修正剑桥模型的基础上,考虑临界状态线和等向压缩曲线随结构性参数的变化,建立了结构性屈服面方程,为建立结构性弹塑性本构方程打下了基础。同时,阐述了黄土隧道围岩和黄土地基稳定性分析中应用结构性强度变化规律研究成果的途径,深化了黄土体稳定性分析的理论基础。     

循环荷载下非饱和结构性黏土的弹塑性双面模型

非饱和黏土的结构性能够显著影响其力学特性。基于非饱和土经典模型BBM（Barcelona basic model）和一种可描述循环塑性的硬化法则,引入体积破损率的作为标准土体结构破损的参数,建立了一个描述常吸力下非饱和结构性黏土静态及动态力学特性的弹塑性双面模型。模型在应力空间中包含与重塑非饱和土屈服面几何相似的结构性边界面和加载面,采用径向映射法则和可移动的记忆中心原理,通过结构性边界面和加载面在应力空间中的演化来反映循环加载过程中非饱和结构性黏土的循环塑性特征和结构损伤过程。通过与相关非饱和黏土控制吸力试验数据的比较,表明该模型能够较好地反映静态加载下非饱和结构性黏土的力学特性,而模型预测的循环荷载下的应力?应变特征也具有一定的合理性。     

从非饱和土力学角度探讨黄土湿陷机制

本文回顾了黄土湿陷概念的由来及其基于其微结构湿陷机制研究现状。对从非饱和土力学角度开展黄土湿陷机理研究的有关问题进行了讨论和分析,提出了广义湿陷性概念。黄土湿陷机制研究应根据具体湿陷路径针对性开展非饱和土应力路径试验研究,从而进一步建立黄土广义湿陷本构模型,为工程问题的定量分析和数值计算提供科学依据。非饱和黄土常剪应力增湿试验表明,黄土湿陷破坏之前发生了一定的微小变形,随后应变速率突然增加,偏应力也不再维持为常数。同时,观察到孔压突然上升1~2kPa,表明黄土湿陷过程发生了不完全排水剪缩破坏。     

膨胀土和黄土的细观结构及其演化规律研究

应用CT-三轴仪,系统地研究了河南南阳靳岗村和陶岔渠坡的膨胀土、宁夏扬黄扶贫工程11号泵站Q3黄土和陕西蒲城电厂Q2黄土在多种应力路径、湿干循环、浸水膨胀、浸水湿陷过程中的细观结构演化特性,取得了大量CT图片和数据资料。研究结果表明：膨胀土和黄土的各种宏观力学反应与它们的细观结构变化及其CT数据是密切相关的;原状膨胀土在加载和侧向卸荷过程中以及重塑膨胀土在无载湿干循环过程中裂隙萌生扩展,结构损伤;而具有初始裂隙的重塑膨胀土在加荷过程和三轴浸水过程中裂隙均趋于闭合,细观结构得到修复;原状黄土在加载过程中细观结构的变化趋向与吸力和围压水平有关;在一定应力状态下浸水,原状黄土中的空洞和裂隙逐渐减小以至消失,并可能形成新的均质结构;较高应力单独作用或低应力下浸水都不能使大孔隙破坏。依据CT数据,定义了描述膨胀土和黄土细观结构的定量指标,提出了这两种土在多种工况下的细观结构演化方程,建议了一种确定土的结构屈服应力的新方法。CT技术使土的细观结构研究达到了定量阶段,建立土的结构演化方程和结构性本构模型有了实在的试验基础。     

基于SFG模型的统一屈服面本构模型与试验研究

将SFG模型中的加载湿陷屈服面（LC屈服面）与BBM模型中提出的吸力增加屈服面（SI屈服面）统一成为单独光滑的屈服面,基于弹塑性理论框架,推导出相应的弹塑性本构模型。通过非饱和固结直剪试验对江西红土的模型计算参数的应力-应变曲线与试验结果进行对比。结果表明：模型对多种应力路径下非饱和三轴试验的计算结果与相应试验的测定结果较为吻合,验证了模型能较好地模拟非饱和土在多种应力路径下的体应变行为。统一屈服面简化了加载湿陷屈服面与吸力增加屈服面之间的耦合分析,解决了因双屈服面的不连续而造成计算不便问题,拓宽了SFG模型的适用性。     

黄土非饱和湿陷变形的计算模型

针对黄土含水量增加可发生变形的特点,提出一种考虑黄土非饱和湿陷变形的计算模型。该模型将基质吸力作为湿陷的原因,以非饱和渗透和非饱和变形理论为基础,并考虑了水分在土层内的分布对湿陷变形的影响。以甘肃黑方台灌区自重湿陷性黄土为研究对象,进行了不同含水率的侧限压缩试验和土水特征曲线的测试,建立非饱和渗透模型,利用上述计算模型得到了不同时间的场地湿陷变形总量和年变形量。其总湿陷量同实际结果基本一致,且2007~2011年湿陷量和累积湿陷量同文献中采用INSAR技术得到的结果相近。通过和规范建议的湿陷系数法计算结果对比表明,考虑黄土的非饱和湿陷变形会得到较为符合实际的结果。     

非饱和黄土结构性定量试验研究

非饱和黄土是典型的结构性土,对4种含水率的原状非饱和黄土和重塑非饱和黄土进行了3种围压下的三轴剪切试验。基于二元介质理论,通过原状非饱和黄土和重塑非饱和黄土的应力-应变曲线对比,定义了结构性参数结构应力分担比。考察了不同围压和含水率对结构应力分担比随应变变化的影响,并给出了其定量表达式。试验结果表明,围压和含水率是影响结构性的两个主要因素;随着应变增长,结构应力分担比分先线性增长后指数形式减低,其最大值可以表示成围压和含水率的函数。最后给出了考虑结构性的原状非饱和黄土本构模型的建模思路。     

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。     

基于广义塑性力学的黄土湿陷变形本构关系

分析了黄土湿陷变形的塑性特性,基于广义塑性力学原理建立了湿陷变形的增量本构关系。将增湿含水量作为内应力,应用常规三轴浸水试验拟合得出了湿陷体积屈服面和剪切屈服面,并且给出了黄土湿陷变形的起始屈服面。该模型能够反映湿陷性黄土在不同湿陷作用,即水和力的不同组合作用下的湿陷变形特性,考虑了湿陷体积变形和湿陷剪切变形以及球应力和偏应力对它们的交叉影响。     

控制吸力循环荷载下非饱和黏性土的弹塑性双面模型

建立非饱和土在动态荷载作用下的本构模型有助于解决相关的工程问题。在塑性增量流动理论框架内,将BBM(BarcelonaBasicModel)模型与笔者提出的塑性硬化准则相结合,考虑控制吸力的循环荷载作用,建立了一个描述非饱和黏性土的弹塑性双面模型。该模型包含一个边界面和一个几何相似的加载面,二者结合记忆中心的概念,共同描述应力路径周期性改变加载方向时非饱和土的非线性、循环塑性和变形累积特性。采用动三轴剪切试验确定了一种非饱和粘质粉土的动态力学特性,分析了吸力、净围压和动应力幅值对循环塑性的影响。模型预测与非饱和土在静、动态加载下的试验结果的对比显示,二者吻合较好,表明所建弹塑性双面模型能够模拟非饱和土在控制吸力循环荷载作用下的力学行为。     

考虑温度影响的重塑非饱和膨胀土非线性本构模型

以非饱和土的非线性模型为基础,通过对土性参数的修正和考虑温度本身引起的土的变形,建立了考虑温度效应的重塑非饱和膨胀土的本构模型。该模型包括土骨架的本构关系和水量变化的本构关系两个方面,涉及18个参数,都可用非饱和土三轴试验确定。共做了13个重塑非饱和膨胀土温控三轴试验,分析了温度对土的强度和变形的影响,研究了模型参数的变化规律。     

黄土弹塑性损伤本构模型基本构架研究

黄土由于特殊的结构性,其变形和强度受到力和水的共同影响,因此对于黄土的力学研究必须同时考虑力和水的作用。根据热力学和连续损伤力学理论以及黄土在加载和增湿作用下的能量转换过程及结构破损过程分析,提出了黄土的损伤变量、加载损伤和增湿损伤的定义以及它们之间关系,并提出由塑性、加载损伤和增湿损伤三部分组成可以考虑加载和增湿作用的黄土弹塑性损伤本构模型的基本构架,为建立黄土的结构性模型提供一种新的思路。