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基于扰动状态概念的超固结非饱和结构性土三剪本构模型研究

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基于扰动状态概念的超固结非饱和结构性土三剪本构模型研究

作者：涂敏凯南昌大学

学位级别：硕士

对于超固结非饱和黏性土的本构模型而言,研究大都集中于重塑土,而对结构性土的研究则相对较少。本文在临界状态土力学框架下,基于扰动状态概念和三剪强度准则研究了以土粒胶结为主要结构性特征的超固结非饱和结构性土的本构模型,并将所... 详细信息

对于超固结非饱和黏性土的本构模型而言,研究大都集中于重塑土,而对结构性土的研究则相对较少。本文在临界状态土力学框架下,基于扰动状态概念和三剪强度准则研究了以土粒胶结为主要结构性特征的超固结非饱和结构性土的本构模型,并将所提本构模型与室内土工实验结果和PFC3D数值试验结果做了对比。具体研究内容和相关结论如下:(1)基于扰动状态概念下超固结非饱和结构性土的本构模型建立以扰动状态概念为核心,相对完整状态用线弹性增量矩阵表示,完全调整状态则以饱和黏性土的三剪本构模型为基础,结合单双应力变量体现非饱和,统筹统一硬化参数体现超固结,应用非饱和土三剪破坏应力比推导出的弹塑性增量矩阵表示,将两种状态代入到扰动函数增量方程中,并进行三维化处理,即可得到超固结非饱和结构性土的本构模型。该本构模型综合考虑了土体的结构性、基质吸力、超固结比等力学特性的影响。(2)超固结非饱和结构性土的相关试验研究针对江西南昌地区红黏土,采用人工制备结构性土的方法制备原状土,主要用菌液与胶结液结合使土体颗粒间具有胶结力。同时对这两种土进行室内土工试验、压缩回弹试验、扰动数量试验和常规非饱和三轴排水与不排水试验得到了本构模型计算所需基本土性参数。同时利用GDS非饱和三轴仪做不同超固结比和基质吸力的排水与不排水试验,得到了结构性土特质显著的影响其强度和变形,这点体变和偏应力对轴向应变的关系曲线可以很好的体现。(3)超固结非饱和结构性土的颗粒流模拟采用PFC3D软件建立了扰动状态下的超固结非饱和结构性土和重塑土数值模型以及对应的真三轴模型。对结构性与重塑土在相同先期固结压力,不同基质吸力、超固结比三轴试验进行数值敏感性分析,得到两种超固结非饱和试样偏应力与轴向应变和体应变和轴向应变之间的关系等。(4)超固结非饱和结构性土本构模型的三轴试验验证将所推导出的本构模型引入到Fortran语言编写中,得到本构模型相关的图形,同时把本构模型图形与超固结非饱和结构性土的三轴试验结果图形和PFC3D数值模拟结果图形相对比。结果表明,理论图形与颗粒流模拟图形和试验图形具有相同的变化规律,都可以相对较好的体现出超固结土体的应变软化、剪胀性以及原状土与重塑土之间的力学特性与应变规律之间的不同。很好的验证了所推导的本构模型的正确性。(5)超固结非饱和结构性土的本构模型真三轴数值试验验证基于本文建立的扰动状态概念下的超固结非饱和结构性土本构模型,由于试验室设备不足,使用PFC3D软件进行本构模型剪切试验的数值模拟,并将模拟结果与用Fortran编写本构模型的结果相对比来验证真三轴本构模型的正确性。结果表明,该本构模型能够很好的体现出中间主应力影响系数的影响,并且随之基质吸力和超固结比的增大,应力峰值和初始弹性模型都会增大,可以很好的体现出真三轴的力学特性。

关键词：超固结非饱和结构性黏性土三剪结构性本构模型扰动状态概念三剪强度准则临界状态土力学 PFC3D数值试验

基于扰动状态概念的砂土-混凝土桩接触面荷载传递模型研究

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中南大学学报（自然科学版） 2024年第2期55卷 550-561页

作者：邓煜晨陈琛杨奇冷伍明徐方中南大学土木工程学院湖南长沙410075 湘潭大学土木工程学院湖南湘潭411105 中南大学重载铁路工程结构教育部重点实验室湖南长沙410075

基于扰动状态概念理论,考虑砂土密实度对扰动函数的影响,建立混凝土桩-砂土接触面荷载传递模型。用混凝土板表征桩侧粗糙度效应,采用大型直剪仪开展不同密实度的砂土-混凝土桩接触面力学行为的试验模拟,研究砂土密实度对混凝土桩-砂土... 详细信息

基于扰动状态概念理论,考虑砂土密实度对扰动函数的影响,建立混凝土桩-砂土接触面荷载传递模型。用混凝土板表征桩侧粗糙度效应,采用大型直剪仪开展不同密实度的砂土-混凝土桩接触面力学行为的试验模拟,研究砂土密实度对混凝土桩-砂土接触面的力学特性的影响规律,分析接触面模型初始剪切系数、模型扰动参数(A和Z)对桩-砂土接触面荷载传递模型的作用机制。研究结果表明:1)混凝土桩-砂土接触面易呈现应变软化,在低法向应力条件下,混凝土桩-密砂接触面的应变软化程度最大。2)模型扰动参数Z在数值上近似等于孔隙比。模型扰动参数A越大,砂土与混凝土桩接触面的软化显著程度越大。参数A随着密实度增大而增大。随着法向应力增大,密砂的扰动参数A呈近似线性衰减,松砂和中密砂的扰动参数A近似呈双折线衰减。3)初始剪切系数k_s随着法向应力增大而增大,密实度越大,增速越快。4)基于扰动状态概念的桩-砂土接触面荷载传递模型可靠、参数的物理意义明确且易确定,能很好地表征桩-砂土接触面的应变软化及硬化等力学特征。

关键词：密实度桩-砂土接触面荷载传递模型扰动状态概念

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扰动状态概念方法的参数标定及应用初探

上海交通大学学报 2004年第6期38卷 972-975页

作者：郑建业葛修润蒋宇卢允德上海交通大学建筑工程与力学学院上海200240

扰动状态概念为工程材料提供统一的本构关系模拟方法.当材料受荷时,其响应是由处于相对完整状态下和处于完全调节状态下的材料响应以一个加权函数组合起来,构成材料的真实响应.响应和扰动因子是相互关联的,需要用直接迭代法求解.解决工... 详细信息

扰动状态概念为工程材料提供统一的本构关系模拟方法.当材料受荷时,其响应是由处于相对完整状态下和处于完全调节状态下的材料响应以一个加权函数组合起来,构成材料的真实响应.响应和扰动因子是相互关联的,需要用直接迭代法求解.解决工程问题时,可以选择简单的参考状态,并用拟合岩石单轴受压的全过程应力应变关系曲线确定扰动因子的参数.该方法在描述材料软化阶段时效果会更好.

关键词：扰动状态概念本构关系岩石单轴受压试验参数标定

基于扰动状态概念的饱和黏土热弹塑性本构模型

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岩土力学 2021年第5期42卷 1325-1334页

作者：孙增春郭浩天刘汉龙吴焕然肖杨重庆大学土木工程学院重庆400045 重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室重庆400045 重庆大学库区环境地质灾害防治国家地方联合工程研究中心重庆400045

在浅层地热能开发、核废料处置和能源地下结构等工程建设过程中,温度变化对土体强度和变形的影响不容忽视。为了能够较为全面地反映土体的热力学特性,在扰动状态概念的基础上,建立了一种考虑温度效应的饱和黏土热弹塑性本构模型。考虑... 详细信息

在浅层地热能开发、核废料处置和能源地下结构等工程建设过程中,温度变化对土体强度和变形的影响不容忽视。为了能够较为全面地反映土体的热力学特性,在扰动状态概念的基础上,建立了一种考虑温度效应的饱和黏土热弹塑性本构模型。考虑土体体积变形和临界状态的热依赖行为,通过引入扰动函数来反映超固结比(OCR)对饱和黏土强度、剪胀和变形的影响,并将其嵌入剪胀应力比、潜在破坏应力比和塑性模量。通过等向升温-冷却试验和温度控制的三轴排水/不排水压缩试验对模型进行了验证。计算结果表明,模型能够合理地反映饱和黏土的热硬化和热软化行为。在排水条件下,正常固结黏土的应变硬化和体积收缩以及超固结黏土的应变软化和体积膨胀特性得到较好的预测。同时,模型能够描述饱和黏土在不排水条件下强度和应力路径的演化。

关键词：饱和黏土扰动状态概念超固结温度强度

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基于扰动状态概念的结构性土压缩特性分析

岩土力学 2010年第11期31卷 3475-3480页

作者：刘维正石名磊缪林昌东南大学交通学院南京210096

由于土结构性的影响天然沉积土的结构是亚稳定的,屈服后的压缩变形阶段必然伴随着结构的破损。将附加孔隙比Δe作为表征原状土的一个结构状态参数,基于扰动状态概念,引入定量分析附加孔隙比Δe随固结压力变化关系的方法,得到一维扰动状... 详细信息

由于土结构性的影响天然沉积土的结构是亚稳定的,屈服后的压缩变形阶段必然伴随着结构的破损。将附加孔隙比Δe作为表征原状土的一个结构状态参数,基于扰动状态概念,引入定量分析附加孔隙比Δe随固结压力变化关系的方法,得到一维扰动状态概念(DSC)压缩模型,以描述结构性土压缩损伤现象,并通过结构破损指数b来刻画压缩过程中的结构破损速率。根据该模型,对太湖湖沼相典型的天然沉积软黏土、粉质黏土和硬黏土不扰动试样的一维压缩试验结果进行模拟和分析,并结合试验数据提出了模型参数的测定方法。分析结果验证了该模型能够描述具有不同结构形式土样的压缩特性及其实际变形过程中表现出的非线性,这给结构性土非线性固结与沉降计算提供了一定的理论基础。

关键词：土结构性压缩特性附加孔隙比扰动状态概念结构破损指数

基于扰动状态概念的桩–土相互作用的新荷载渐进性传递模型

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岩土力学 2017年第S1期38卷 167-172页

作者：黄明张冰淇陈福全许德祥福州大学土木工程学院福建福州350116 西华大学绿色建筑与节能重点实验室四川成都610039

结合扰动状态理论(DSC),详细地分析了桩–土相互作用的荷载渐进性传递机制,提出基于DSC的荷载传递函数及其参数辨识方法。基于Matlab编程,重点分析了模型参数对τ-s曲线的影响规律。分析结果表明,参数η对桩土界面的强度特性的影响具有... 详细信息

结合扰动状态理论(DSC),详细地分析了桩–土相互作用的荷载渐进性传递机制,提出基于DSC的荷载传递函数及其参数辨识方法。基于Matlab编程,重点分析了模型参数对τ-s曲线的影响规律。分析结果表明,参数η对桩土界面的强度特性的影响具有决定性作用,反映了桩土界面单元强度分布的集中程度,合理地选取参数η可以较好地描述桩–土界面的硬化、软化及弹塑性特性;参数ξ、τ-f对界面的强度特性影响较小,参数的改变只对最大侧摩阻力值产生影响,ξ、τ-f越大,侧阻力的极值也越大,但对τ_s曲线的线形几乎无影响;参数k对界面强度特性和τ-s曲线的线形都有一定的影响,k越大峰值强度越大,界面强度越高,达到侧摩阻力峰值所对应的界面位移越小。结合依托工程,理论模型计算结果与现场试桩实测值吻合较好,检验了该模型的正确与可靠性,对工程实际具有重要指导意义。

关键词：扰动状态概念桩–土相互作用渐进性荷载传递函数 T-S曲线

基于扰动状态概念的陇东Q_3结构性黄土本构模型试验研究

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岩石力学与工程学报 2018年第9期37卷 2180-2188页

作者：褚峰邵生俊西安工程大学城市规划与市政工程学院陕西西安710048

陇东Q_3黄土具有显著的结构特征,深入研究其力学变形特征,进而提出合适的本构模型对于理论研究及实际工程建设均具有重要意义。基于扰动状态概念,提出陇东Q_3结构性黄土的本构模型,通过三轴剪切试验,结合原状黄土及对应的饱和正常固结... 详细信息

陇东Q_3黄土具有显著的结构特征,深入研究其力学变形特征,进而提出合适的本构模型对于理论研究及实际工程建设均具有重要意义。基于扰动状态概念,提出陇东Q_3结构性黄土的本构模型,通过三轴剪切试验,结合原状黄土及对应的饱和正常固结黄土应力–应变曲线和体变曲线,分别提出反映球应力扰动及剪应力扰动的体应变扰动因子D_p和剪应变扰动因子D_q,以根据相关测试结果建立扰动状态函数表达式,函数表达式中的参数可以通过三轴等向压缩试验及三轴剪切试验求得。通过相关验算证明,模型可较理想地模拟黄土在受荷扰动条件下的变形特性。

关键词：土力学陇东地区结构性黄土扰动状态概念扰动因子本构模型

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基于扰动状态概念的堆石料本构模型研究

工程力学 2010年第6期27卷 154-161页

作者：徐远杰潘家军楚锡华孔科武汉大学土木建筑工程学院工程力学系湖北武汉430072 湖北省岩土与结构工程安全重点实验室湖北武汉430072 长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室湖北武汉430010

堆石料是将天然岩石破碎料或河床沉积砂砾石料经人工颗粒级配而成的一类颗粒性材料,在水电工程中多用于筑建高混凝土面板堆石坝和粘土芯墙堆石坝,是坝体承受水压力的主要载体。该文基于Desai CS对砂性土所建议的扰动状态概念,旨在发展... 详细信息

堆石料是将天然岩石破碎料或河床沉积砂砾石料经人工颗粒级配而成的一类颗粒性材料,在水电工程中多用于筑建高混凝土面板堆石坝和粘土芯墙堆石坝,是坝体承受水压力的主要载体。该文基于Desai CS对砂性土所建议的扰动状态概念,旨在发展一种能反映堆石料复杂力学行为的弹塑性宏观本构模型。主要工作包括:1)采用临界状态模型描述堆石料的相对完整状态,根据堆石料内部微结构演化特征,在扰动函数中考虑了塑性体积应变影响,反映堆石料压硬性的特征;2)依据堆石料的大型三轴试验资料,建议了本构模型中全部参数的确定方法;3)数值算例的结果与国内某工程堆石料的三轴试验成果进行了验证与比较,结果表明:该文所发展的弹塑性宏观本构模型可以较好地模拟堆石料的非线性、压硬性、剪缩剪胀性和破碎等重要力学特性,并可以刻画复杂应力路径对颗粒材料应力变形的影响与演化过程。

关键词：扰动状态概念堆石料本构模型应力路径数值模拟

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基于扰动状态概念的结构性软黏土本构模型

岩土工程学报 2009年第12期31卷 1882-1887页

作者：于小军齐志宏河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室江苏南京210098 盐城工学院土木学院江苏盐城224003 金陵科技学院建筑工程学院江苏南京211169

在扰动状态概念基础上,建立了一个考虑土结构性影响的软黏土应力应变本构模型。模型尝试运用电阻率不规则因子来表征和测定土样的扰动变量,从而克服了传统扰动变量获取方法的不足,使之简便、快捷、经济、实用。另外,模型中,增加了土体... 详细信息

在扰动状态概念基础上,建立了一个考虑土结构性影响的软黏土应力应变本构模型。模型尝试运用电阻率不规则因子来表征和测定土样的扰动变量,从而克服了传统扰动变量获取方法的不足,使之简便、快捷、经济、实用。另外,模型中,增加了土体体应变对土体扰动影响,且以试验和理论为依据建立扰动函数,从而使得模型更加符合土体实际工程力学特性。模型形式相对简单,参数易于确定。三轴排水剪切试验的验证结果表明,所构建的模型能较为合理地模拟结构性软黏土受荷扰动下的变形过程。

关键词：软黏土扰动状态概念电阻率不规则因子扰动变量扰动函数