非饱和土本构模型研究综述

综述非饱和土本构模型的研究现状。非饱和土的本构模型有非线性弹性模型、损伤力学模型、广义吸力模型和弹塑性模型。文中重点介绍弹塑性本构模型,已有的试验证实了弹塑性本构模型很好地反映了非饱和土的变形特征。但非饱和土弹性本构模型仍有许多不足之处有待改进     

非饱和膨胀土本构模型研究现状

分析膨胀土本构模型的研究现状及各模型的优缺点,并讨论了今后的研究方向.认为膨胀土弹塑性模型有待进一步研究,而从膨胀土的结构性出发建立结构模型,将是今后研究的重点.     

考虑非饱和土基质吸力-回弹指数相关性的弹塑性本构模型及有限元实现

非饱和土压缩指数受基质吸力影响明显,回弹指数是土的临界状态本构模型中的重要变形参数。但在本构模型理论研究中,回弹指数随基质吸力的变化影响往往被忽略。为解决这一矛盾,以杭州地区重塑粉土为试样,使用GDS非饱和直剪系统的竖向加载功能,对试样进行50、100、200 kPa 3种定吸力条件下一维固结回弹试验,获取不同基质吸力非饱和回弹指数κ(s),并拟合得到κ(s)函数关系,对比已有试验研究,验证了拟合结果的合理性。进而将κ(s)表达式引入非饱和土扩展剑桥弹塑性本构模型,形成一种考虑回弹指数随基质吸力变化的非饱和土弹塑性本构模型。应用子增量步显示积分算法将该模型编辑成ABAQUS有限元UMAT子程序,最后基于ABAQUS有限元平台结合自编UMAT子程序进行固结回弹数值试验,模拟实际试验过程,对比两者试验结果,验证了该UMAT子程序的正确性。实现了一种考虑回弹指数随基质吸力变化的非饱和土弹塑性本构模型的数值化,为其进一步应用建立基础。     

用有效应力解释非饱和土的弹塑性行为

在巴塞罗那基本模型BBM模型的框架下,应用有效应力和应力双变量分别解释非饱和土弹塑性行为的不同特点。对文献试验数据的分析表明：在应力双变量构成的应力空间中,存在两个初始LC屈服面,加载强化过程中也具有两个LC后继屈服面;相反,有效应力空间中,非饱和土具有唯一的初始LC屈服面,加载强化过程中LC屈服面也保持唯一。非饱和土在两个应力空间中的不同表现与非饱和土的水分滞回性质相关。与采用应力双变量的弹塑性模型不同,采用了有效应力的弹塑性模型,可直接反映水分滞回的影响。     

超固结非饱和土的弹塑性双面模型

为了研究超固结非饱和土具有的应变软化和剪胀等复杂的力学特性,在弹塑性理论框架内,将巴塞罗那基本模型(BBM)与一种可描述材料循环塑性的硬化法则相结合,建立一个在静态及循环荷载作用下超固结非饱和土的弹塑性双面模型。该模型含有一个边界面和一个加载面,二者在应力空间中随着加卸载进行演化。采用径向映射法则和移动的记忆中心原理来反映超固结非饱和土的循环塑性特征。模型考虑了吸力和超固结的影响,在吸力等于零的时候退化为饱和黏性土的弹塑性双面模型;在无超固结且吸力不等于零的情况下退化为BBM模型。通过与相关静态试验数据的比较,所建模型可以较好地反映静态加载下超固结非饱和土的力学特征;此外,还利用模型对超固结非饱和土的动态力学特性进行了预测。     

饱和非饱和岩石损伤软化统计本构模型

基于概率论和损伤力学讨论了岩石在荷载作用下的破坏、损伤和变形等特征．在混合物理论基础上,建立了饱和和非饱和岩石损伤软化统计本构模型．该模型能反映岩石在单轴抗压试验中初始加载阶段全应力应变由线稍向上凹曲的特征,以及在岩石受力过程中损伤和空隙(或孔隙)中流体对应力应变关系所起的作用．     

用有效应力解释非饱和土的弹塑性行为

在BBM模型的框架下,探讨了应用有效应力和应力双变量在解释非饱和土弹塑性行为的不同特点。分析文献实验数据表明,在应力双变量构成的应力空间中,存在两个初始LC屈服面,加载强化过程中也具有两个LC后继屈服面;相反,有效应力空间中,非饱和土具有唯一的初始LC屈服面加载强化过程中也保持LC屈服面的唯一性。两个应力空间中的差别是由于非饱和土的水分滞回的影响。考虑非饱和土在有效应力空间中的特点可以反映水分滞回的影响,简化非饱和土的弹塑性模型。     

基于非饱和土理论的高路堤沉降估算

基于非饱和土一维本构关系,根据路堤的受力特征,考虑水环境的影响,建立了路堤在无侧向变形和考虑侧向变形两种情况下的沉降计算模型,结合路堤土的三相组成关系,给出了路堤在多种工况下(如外荷载作用、自重作用、地下水位上升或雨水浸润作用以及各工况综合作用)的沉降或变形的估算方法,并用路堤模型试验的沉降变形成果进行检验,结果显示:...     

基于等效时间的蠕变本构模型推导

库水位升降引起的滑坡变形具有显著的时间效应,表现出明显的蠕变特征。根据殷建华的3-D EVP模型,采用π平面推导了不考虑主应力方向,只考虑主应力大小的各向同性的饱和土体剪切蠕变本构模型,以及采用八面体推导了既考虑主应力方向又考虑主应力大小的饱和土体剪切蠕变本构模型。     

一种新型结构性土三维本构模型

在NAKAI等基于应力张量t_(ij)和修正剑桥模型建立的能够描述中主应力影响且适用于描述正常固结土强度和变形规律的三维本构模型的基础上,通过引入能够描述土体密实度的状态变量ρ和土体黏结效应的状态变量ω,提出了适用于描述结构性土强度和变形规律的新型结构性三维本构模型。这一模型具有以下特点:结构性土三维本构模型在正常固结土的三维本构模型的基础上仅增加一个材料参数的情况下能够较好地描述三维应力状态下试样排水与不排水剪切特性、固结特性、围压对应力路径和应力应变曲线的影响及平均应力、偏应力增大时出现的应力路径可逆性等特点。应用新型结构性土三维本构模型对粉质黏土的固结试验和三轴剪切试验进行模拟计算,验证了其在模拟结构性土特征方面的可行性。     

饱和-非饱和土中渗流Richards方程有限元算法

发展了一种求解理查森方程的一般有限元算法。该方法采用积分法处理孔隙水压力对时间的导数项,采用集中质量技术处理有限元方程中质量矩阵来保证数值稳定。所采用的质量守恒迭代方法不须改变迭代方式,采用一般的Picard迭代方法。该方法能求解入渗、地下水位瞬变和排水等范围广泛的饱和-非饱和渗流问题。对3个已公开发表具有详细试验数据的算例的模拟表明,该方法对入渗锋、稳定渗流地下水位和非稳定渗流溢出面都模拟很好。Picard迭代方法效率很高,且无数值振荡发生。     

基于支持向量机的土壤侵蚀评价预测模型研究

尝试应用一种新的机器学习算法-支持向量机(SVM)来对水土流失现状进行评价与预测.该方法能针对在样本有限的情况下,采用结构风险最小化准则,把学习问题转化为一个二次规划问题得到全局最优解,较好地解决了小样本、非线性、高维数和局部极小点等实际问题, 具有很强的泛化(预测)能力.以石桥铺小流域作为研究对象,通过支持向量机算法建立土壤侵蚀评价与预测模型,并与BP神经网络的方法进行了对比,结果表明该模型的预测精度要高于人工神经网络模型.     

基于工程混合物理论的饱和裂隙岩体组合本构模型

为了从理论和数值上分析饱和岩体工程的变形和稳定,需要创建饱和裂隙岩体本构模型。根据工程混合物理论,把饱和多孔介质应变分解为骨架应变、固相基质应变和流体基质应变。通过均匀化响应原理建立了饱和多孔介质的势函数本构理论,提出Terzaghi有效应力决定骨架应变、固相基质应力决定固相基质应变和裂隙孔压决定流相基质体应变等本构规律。根据经典岩体力学理论,把饱和裂隙岩体视为由裂隙构成孔隙的饱和多孔介质,建立了饱和裂隙岩体的组合本构模型。算例分析表明:根据本文理论建立的饱和裂隙岩体组合模型能够合理考虑裂隙流体的浮托力,具有较小的孔压系数和各向异性的受力特性。饱和裂隙岩体组合模型可用于海底隧道裂隙围岩在开挖过程中的流固耦合工程特性分析。     

基于多元隶属度的区域水土流失评价模型研究

区域水土流失评价对于水土流失治理的宏观决策、规划具有十分重要意义,基于此提出了一种基于多元隶属度的区域水土流失定性评价方法.该方法通过选取水土流失影响因子的区域特征指标,以径流场观测小区所获得数据为样本,采用模糊数学方法构建水土流失强度与其影响因子之间的多元隶属函数并依据隶属度划分水土流失强度等级分类,然后应用GIS等技术工具提取评价单元的评价指标参数,由构造的多元隶属函数和水土流失强度等级分类确定其对应的强度等级.该模型以鄂东大别山作为研究区域进行模型验证并与"三要素"专家规则模型进行比较,结果表明,这种方法在划分水土流失强度上更准确、合理.     

基于结构方程模型的施工安全 潜变量相关分析

采用结构方程模型分析了水电工程施工安全影响因素中的企业影响、安全管理、现场作业相关因素和施工人员的安全相关因素这四个潜变量的相互关系。首先采取现场问卷调查搜集了原始数据,并通过SPSS软件对数据进行信度和效度分析检验。以此为基础,按照不同的假设关系建立了三个结构方程模型,分别计算了其系数估计值和常用拟合指数。经综合对比分析,确定了最优化的模型,并联系工程实际意义,增加相关性路径,对该模型进行了进一步修正,最后得出其各项参数取值。模型计算结果显示了4个潜变量以及相对应的20个显变量之间的相关关系。     

基于两阶段模型的水土资源利用效率评价

传统数据包络分析(DEA)模型应用于水土资源利用效率测算时忽略了系统内部运行机理,根据这一不足,本研究针对水土资源利用的内部复杂性,将水土资源利用过程划分为水土资源开发与经济效益转化两个子阶段,考虑各阶段间关系及投入产出权重结构,构建基于合作博弈思想的两阶段水土资源利用效率测算模型;运用模型测评黑龙江省13个地级市水土资源利用整体及各阶段效率,并构建水土资源利用效率两阶段矩阵图。结果表明,黑龙江省水土资源开发程度整体偏高,但各地级市水土资源经济效益转化不均衡,且水土资源利用整体效率偏低,地区差异较大,水土资源未得到有效的优化配置。该文所构建的DEA模型通过分析影响区域水土资源利用效率的各个环节,可以为决策者提出针对性意见并提供科学依据。     

饱和软粘土动变形计算的一种模式

本文从经典弹塑性理论出发，根据Ｐｒｅｖｏｓｔ模型的基本原理，把弹塑性运动硬化规律与等向硬化规律结合起来，引入塑性硬化模量场的概念，推导了土体的弹塑性本构关系。通过试验建立了动模量弱化公式。并将弱化公式与本构关系结合起来。应用于软土地基的动变形计算。还对“渤海六号”石油钻井平台在波浪荷载作用下的沉降，进行了模拟计算。     

饱水格栅加筋土挡墙结构特性数值分析

格栅加筋土挡墙由面板、格栅和土体组成。本文根据加筋土挡墙筋土相互作用的特点,将格栅与其上下表面一定厚度的土层视为具有应变相容条件的筋土复合材料。引入饱和多孔介质模型来模拟土体和筋土复合材料,由此建立了饱水格栅加筋土挡墙结构特性数值分析的数学模型。采用Galerkin加权残值法推导出有限元平衡方程,求解该方程,得到饱水格栅加筋土挡墙的动力响应。算例分析表明,格栅加筋土挡墙在饱水状态下的变形和塑性区分布有明显增大,且呈现外倾变形特征,挡墙的承载力也有较大幅度的降低。     

关于饱和软土地基堤坝边坡稳定分析总应力法的讨论

在饱和的软土地基上修筑堤坝,由于孔隙水压力不易准确测定,需采用“φ=0”的总应力法进行稳定分析。这一做法在国外已明确纳入设计规范,在国内工程界较少受到重视,导致过高地估计了安全系数。本文首先系统地回顾了临界状态土力学中的伏斯列夫强度理论,在理论上阐述了饱和软土地基快速填筑时采用总应力法的原因,同时引用了Bishop和Bjerrum、美国联邦公路局、美国陆军工程师团与我国水电水利工程边坡设计规范的相关条文,确认在饱和软土地基采用总应力法进行稳定分析的合理性。以花敖泡土石坝和拉哇水电站围堰为工程实例,分别采用对土的固结不排水剪的两种做法开展稳定性分析,结果表明,直接将土的固结不排水剪强度指标ccu与φcu作为填筑后的强度参数,将严重高估其安全系数。因此建议正在修订的碾压式土石坝与边坡设计规范增加相应条文,并期望引起工程界对这一问题的重视。