王朝阳[1]2004年在《非饱和黄土的强度特性及非线性本构模型研究》文中进行了进一步梳理本文以非饱和黄土为研究对象，以直剪、非饱和土叁轴试验和CT试验为手段，对非饱和黄土的抗剪强度、结构强度特性及变形、损伤演化过程、土体孔隙的扩展等特性进行了系统的试验研究和深入的理论分析，并在此基础之上建立了非饱和土的非线性损伤本构模型。 首先，对非饱和黄土进行了土的吸力测试、抗剪强度试验、结构强度和非饱和土叁轴试验。用非饱和土的抗剪强度公式与饱和土抗剪强度公式求得的数值进行了比较，指出用非饱和土力学的强度参数更接近于实际，对工程建设有一定的指导意义。在试验的基础之上，对非饱和Q_3黄土的结构强度进行了研究，提出了用土的结构强度表示土体抗剪强度的表达式，为计算非饱和土的抗剪强度提供了一种简便实用的方法。应用非饱和土叁轴仪，对非饱和黄土进行了控制吸力的叁轴试验，在试验的基础之上，建立了非饱和黄土的非线性模型。该模型参数确定简单，模型中参数都有确定的物理意义，是邓肯—张模型的推广。 其次，应用非饱和黄土的叁轴CT扫描仪，进行了原状Q_3、Q_2黄土的叁轴试验过程的动态、定量、无损的CT扫描，结合CT图像、数据与应力应变关系，对非饱和黄土的剪切过程分4个阶段进行了深入分析研究。提出了非饱和黄土的初始损伤应力和应变门槛值的确定方法，并且定义了基于CT数的损伤变量。这一工作为非饱和黄土损伤本构关系的研究奠定了基础，具有非常重要的意义。 最后，以复合体损伤理论为基础，提出了非饱和黄土的非线性损伤本构模型，该模型包含13个变形参数，都可由试验测定，可全面地反映原状非饱和黄土的力学特性，为损伤力学在土体工程中的应用开辟了新的途径。首次将CT的损伤检测数据应用于损伤模型中，是对CT无损检测技术在土体损伤模型中应用的一个尝试。
周晓艳[2]2008年在《非饱和黄土的应力路径试验研究》文中研究指明黄土主要分布在我国干旱和半干旱的中西部地区,是一种典型的结构性土,具有特殊的结构性及对水的特殊敏感性。大量的研究结果表明土体的强度和变形特性不仅仅与其所受应力状态有关,还要受到诸如生成方式、受荷历史以及应力路径等因素的影响,黄土所特有的大孔隙架空结构使得其力学特性因应力路径不同存在较大差异。本文在分析和总结前人对黄土力学特性研究的基础上,以陕西杨凌和洛川地区黄土为研究对象,对所选黄土土样进行不同湿度、不同固结条件的应力路径试验,对比分析各种影响因素特别是固结条件、加载方式、初始含水率等对其力学特性的定量、定性影响规律,对区域间黄土力学特性的异同进行了对比分析。探索了非饱和黄土在应力路径试验条件下的结构性变化规律。最后,根据本文对于应力路径的研究结果,提出了一种适合本文所作的各种加载方式下的本构模型。通过对两个地区的原状和同样状态下的重塑的非饱和黄土分别进行不同固结条件下的常规叁轴压缩试验(CTC)、减压叁轴试验(RTC)、等主应力试验(TC)、以及洛川黄土的K0固结下的CTC和RTC的叁轴压缩试验研究,结果表明:原状黄土和重塑黄土的应力应变关系曲线均呈现应变硬化型,主应力差都随固结压力的增大而增大。对于各种不同加载方式而言,其中以CTC试验的主应力差最大,TC的次之,RTC的最小。在同一应力路径下含水率对于黄土的各种曲线关系的影响明显:随着含水率的变化,其应力应变关系会出现一个转型的过程,即由低含水率下的强应变硬化型转变为高含水率下的应变软化型,体应变也由剪缩变为剪胀现象,强度随着含水率的增大在不断的下降。各地区土的物理性质的差别,使得不同地区的土在相同的应力状态下应力应变曲线也不尽相同。通过对应力路径试验条件下黄土的结构性变化规律分析,表明水和力的耦合作用对于黄土的结构性影响较大。不同的应力路径由于其加荷、卸荷的方式不一样,导致土体的结构性参数有很大区别,含水率的影响结构性变化的一个重要因素。总得来说,常规叁轴压缩试验可以得到较大的结构性参数;在同一加载方式下,初始含水率愈低对应的结构性参数愈大,随着初始含水率的增大,结构性参数在逐渐走低。对杨凌黄土来说,初始固结围压为300kPa是随着含水和固结压力变化的一个转折点,在这个点上,不管是那种加载方式,其结构性参数均达到最大值。依据所作试验建立的在不考虑固结压力影响下的本构模型,能够对结构性黄土的应力应变关系进行很好的拟合,同时反映应力路径和含水率对于结构性的影响。
邢鲜丽[3]2016年在《非饱和黄土本构模型研究》文中研究表明黄土是典型的非饱和土,黄土的非饱和本构模型是黄土工程特性研究的一个重要方向。本文采取了陕西泾阳南塬L5黄土,开展了系统地试验研究。陕西泾阳南塬黄土地层剖面出露完整,剖面可见S0到L9全部地层,受农业灌溉影响,该黄土塬北缘滑坡发育,且属于典型黄土层内滑坡。此次试验所取L5试样(Q2)位于该处滑坡的主要剪切带,为典型的非饱和结构性黄土。本文通过试验取得了该黄土的物理力学参数,建立了能够反映黄土变形特性的非饱和本构模型,开展的主要工作如下:(1)将L5原状样和分层击实所得重塑样分别配制8%、11%、15%、20%和25%五个不同含水率,采用常规叁轴仪在100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa和500 kPa五个不同围压下进行CD试验。试验结果表明有效稳态摩擦角与含水率无明显相关性,基本为一稳定值。含水率低于塑限时,有效稳态粘聚力随含水率增大而显着降低;当含水率高于塑限时,有效稳态粘聚力不再随含水率的增大而降低,趋于一稳定值。(2)利用叁轴CD试验,结合Fredlund SWCC压力板仪测得的土水特征曲线,分析了Fredlund、Bishop和Lu Ning叁种非饱和土强度表达式中的强度参数。其中Bishop和Fredlund强度公式中的参数χ和υb必须利用土水特征曲线确定;而Lu Ning强度公式中的吸应力与含水率的关系,可通过不同含水率常规叁轴试验确定,这回避了基质吸力测定的不便,便于在工程实际中推广应用。(3)根据不同含水率不同围压原状和重塑土常规叁轴CD试验所得变形和强度参数变化规律,得到不同含水率下L5原状和重塑试样的理想弹塑性模型,并对模型的适用性进行了验证,并结合对应含水率下原状及重塑土的K0固结试验结果,对Duncan-Chang非线性弹性模型中的μ的表达式进行修改,得到了原状及重塑黄土非饱和非线性弹性模型的表达式,并进行了验证。(4)通过对初始孔隙比相同的L5重塑和原状试样进行不同含水率的固结试验,发现在半对数坐标系下不同含水率试样的膨胀回弹线相互平行,固结压缩线的直线段也相互平行,压缩线的斜率λ较膨胀回弹线κ更陡;相同应力条件下,试样的初始含水率越高,孔隙比越小;相同应力条件下,原状土相对应重塑土而言能保持更大的孔隙比。(5)本文基于修正剑桥模型,通过半对数坐标下非饱和重塑样与饱和重塑样固结曲线的关系,引入非饱和状态变量ρss代表相同平均骨架应力下非饱和与饱和状态重塑样孔隙比的差值。并结合超固结状态变量ρe推导出了能够反映非饱和重塑黄土超固结特性的本构模型。(6)基于黄土非饱和重塑本构模型,引入结构性状态变量ρst代表固结试验半对数坐标系中相同平均骨架应力和饱和度下原状与重塑黄土孔隙比的差值,推导出了更够反映结构性的适用于原状黄土的非饱和本构模型。
牛军贤[4]2006年在《基于WF叁轴系统非饱和土损伤统计本构模型试验研究》文中认为非饱和黄土作为一种特殊的土其力学性质及本构关系的研究一直是土力学研究的核心课题之一。由于非饱和黄土大多分布在干旱、半干旱地区,每年大地的蒸发量大于降雨量,这就使得非饱和黄土处于一种非饱和状态。其组成上存在叁相成份,即气相、液相和固相。能够正确认识非饱和黄土叁相组成成份的力学性状,将对非饱和黄土地区的工程建设具有重要的理论指导和实际的应用价值。 本文在前人研究的基础上,主要做了以下几个方面的工作: 首先,基于WF叁轴系统对兰州市兰工坪的非饱和黄土的力学特性及变形特性进行了系统的试验研究,分别做了不同含水量下的固结不排水(CU)试验。在试验过程中分析了固结过程中基质吸力的变化规律,并给出了含水量对基质吸力的影响曲线。通过分析原状非饱和黄土的叁轴剪切试验结果发现,当含水量较小时,试样破坏属典型的脆性破坏。对得到的应力应变曲线采用双曲线拟合,给出了曲线拟合系数。 其次,在已有研究成果的基础上,将损伤力学原理与概率分析方法结合起来,在假定非饱和黄土连续、均匀及微元试验强度服从正太分布的基础上提出了一种推导非饱和土损伤统计本构关系的方法,并结合叁轴试验的应力应变曲线,采用Duncan—Chang模型对损伤统计本构模型中的参数进行了拟合计算。在拟合过程中发现用来确定参数的拟合表达式符合线性较好。 最后,对非饱和土,特别是非饱和黄土的试验研究做了进一步的分析和展望。
秦立科[5]2010年在《非饱和黄土动力本构模型及其在地铁车站地震反应分析中的应用》文中指出地铁是解决城市交通堵塞和环境污染的最有效方法之一,被许多大型城市所采用。一般认为,地铁作为地下结构具有良好的抗震性能,但阪神地震表明,地铁在地震作用下也会发生严重破坏,而且灾后修复困难代价高昂。地铁车站是地铁运营中的枢纽,设备和人员集中,一旦破坏,后果十分严重。随着经济的发展,国内地铁建设数量的增多,对地铁车站进行地震反应研究不仅必要而且紧迫。鉴于以往的研究主要集中在饱和土地区,而非饱和土地区研究较少。本文以非饱和黄土为研究对象,在静力叁轴试验和动力叁轴试验的基础上,对其非饱和性和结构性进行了研究并建立了相应的动力本构模型,利用所建立的模型对非饱和黄土地区的场地和地铁车站进行了有限元—无限元耦合地震反应分析,取得了以下主要成果：1、通过静力叁轴试验,分别研究了四种含水率的重塑非饱和黄土和原状非饱和黄土在叁种围压下的应力应变规律,分析了含水率和围压对土体的变形及强度的影响；通过动力叁轴试验,研究了叁种含水率非饱和黄土的动力变形规律,分别研究了含水率和围压对非饱和土的变形模量及阻尼比的影响,并分析了其产生的原因。通过重塑非饱和黄土和原状非饱和黄土的应力应变曲线对比,提出了结构应力分担比的概念,并研究了含水率和围压对其变化规律的影响,试验表明该参数可以合理有效的反映非饱和土的结构性。2、基于边界面弹塑性模型理论,引入含水率,建立了重塑非饱和黄土的动力本构模型,详细分析了本构模型中的各个参数及其确定方法；基于二元介质本构理论,在重塑非饱和黄土动力本构模型的基础上,引入结构应力分担比,建立了原状非饱和黄土的动力本构模型,并给出了结构应力分担比定量表达式及其确定的方法。所建模型具有参数易于确定便于工程应用的优点,模型以含水率作为参数反映土体的非饱和性,避免了基质吸力难以确定的问题；以结构应力分担比作为参数反映土体的结构性,克服了从微观角度研究结构性及其成果难以应用的缺点。3、给出了本构模型程序实现的思路和步骤,推导了相关的公式,并用FORTRAN语言开发编写了所建动力本构模型的子程序；利用有限元软件ABAQUS对静力和动力试验进行了模拟。结果表明,所建立的本构模型能较为准确的反映重塑非饱和黄土和原状非饱和黄土的力学特性,所开发的子程序具有较好的稳定性和较高的精度。4、利用本文建立的非饱和黄土动力本构模型,建立了有限元—无限元耦合模型,对非饱和黄土自由场地进行了地震反应分析,分析了在水平地震作用下上覆土层厚度、含水率、结构性对地震反应的影响,分析比较了单向地震反应和双向地震反应的不同；对非饱和黄土地区拟建的地铁车站进行了地震反应分析,给出了水平、竖向和双向地震反应分析结果,并对比分析了叁种地震输入方式对结构反应的影响,研究了结构埋深对地震反应的影响,总结提出了相应的规律,对工程实践提出了有益的建议和指导。
王朝阳, 许强, 倪万魁, 刘海松[6]2010年在《非饱和原状黄土的非线性损伤本构模型研究》文中指出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。
张腾[7]2006年在《非饱和黄土的结构性及其弹塑性本构模型研究》文中进行了进一步梳理黄土是一种典型的结构性土,其特殊的结构性和对水的特殊敏感性直接影响着黄土的工程力学性质,我国黄土主要集中分布在中西部地区,随着国家西部大开发战略的实施,很多基础设施的建设需要在黄土地区进行,因此对黄土的进一步研究已迫在眉睫,尤其是其结构性方面的研究是本世纪黄土力学研究的主要内容。本文首先介绍了黄土的基本性质及黄土结构性研究的重要性、研究现状等,接着通过对杨凌非饱和结构性黄土进行常规叁轴试验和等应力比加载试验,深入分析和探讨了非饱和黄土在两种试验条件下的应力应变特性和结构变化特性,在前人研究思路的基础上定义了非饱和黄土的结构性参数,验证了结构性参数的灵敏性、稳定性和可靠性。结果表明,黄土的结构性主要由初始含水量、应力状态和干密度等因素的影响,这些因素决定黄土的应力应变关系和黄土的破坏形式。通过把常规叁轴试验下和等应力比加载试验下所定义的结构性参数引入土体的变形与强度关系中,得到非饱和黄土在两种试验条件下的结构性应力应变关系。结果表明,引入结构性参数后的应力应变曲线转化为有规律性的双曲线形态,并可用双曲线拟合计算。最后,在以上室内试验的基础上建立了体现黄土结构性的弹塑性软化和硬化模型,并对试验结果和模型计算结果进行了比较分析。
庞旭卿, 张腾[8]2018年在《不同应力路径下非饱和黄土结构特性及其本构模型研究》文中研究表明以不同含水率的原状黄土与相应的重塑黄土为研究对象进行等应力比加载试验,探讨黄土在不同应力比叁轴试验条件下的结构变化特性,求取非饱和黄土不同应力条件下的综合结构势参数,选择合适的硬化参数建立非饱和黄土的弹塑性本构模型。研究结果表明:原状黄土与重塑黄土的p-εv曲线有明显不同,应力比k相同的原状样较重塑样的体应变εv偏小;原状黄土的结构破坏强度随含水率的增大而减小且与含水量呈幂函数关系,结构性参数mp随球应力p及应力比k的增大而减小,且不同应力比下的结构性参数mp最后几乎稳定在同一水平;原状黄土的mp*εv-p关系曲线中结构性应变mp*εv与应力p表现为双曲线形式,选择合适的硬化参数可建立弹塑性本构模型较好地模拟不同围压与初始含水量下结构性黄土的应力应变特性。
郏书胜[9]2018年在《基于冻融作用的非饱和黄土—结构界面力学行为及其工程应用》文中进行了进一步梳理在季节冻土区,周期性的冻结与融化作用持续改变着浅层非饱和土体的微结构和物理力学性质,从而直接影响着土与结构物之间的相互作用。土体与结构物接触面的应力-应变曲线关系及其强度特征是确定季节冻土区基础工程承载力、安全性和分析结构与土体相互作用的基础和关键。为了更好地服务于实际工程,同时浅析冻融作用对非饱和土-结构物接触面力学行为的影响机理,本文通过室内直剪试验分别研究了冻融前后及不同冻融次数下非饱和黄土与混凝土、钢接触面之间的基本力学行为,在此基础上开展了基于冻融作用的非饱和黄土-结构界面力学行为的工程应用研究—通过有限元软件ABAQUS建立了冻融环境下的挡土墙模型并进行了数值计算。主要研究成果如下:(1)通过对未冻融试样进行直剪试验得出数据分析,接触面上界面内摩擦角φ、界面黏聚力c随含水量的增加呈现出不同的变化规律,当试样达到界限含水量时界面内摩擦角达到最小值、界面黏聚力达到最大值。在含水量未超过界限值时,随着含水量的增加,界面内摩擦角先增大后逐渐下降、界面黏聚力持续增加;当含水量超过界限值时,随着含水量的增加界面黏聚力急剧减小,混凝土接触面界面内摩擦角持续增大,而钢接触面内摩擦角先增大后逐渐减小。(2)对平行土样采用滤纸法测定其基质吸力,以探讨基质吸力对非饱和土-结构抗剪强度影响。通过分析,抗剪强度与基质吸力的作用面积成正比例,而与基质吸力的大小不成正比,在基质吸力最大时土与结构物之间形成的弯月形水膜将逐渐收缩并发生崩解,导致基质吸力作用面积减少,经过第一次冻融循环由于水分的迁移使界面处粒间弯月形水膜的数量达到近似理想值,使基质吸力在接触面上的作用面积达到最大值,此时基质吸力对界面抗剪强度的贡献达到最大值,随冻融次数的增加水分迁移加剧,基质吸力的作用面积逐渐减小。(3)两种材料试样接触面受到竖向荷载的影响所产生的破坏特点相似,主要有2种。(1)当竖向荷载较低(不超过200k Pa)时,冻融前以及不同冻融次数下接触面呈脆性破坏型,剪应力-位移曲线呈软化型,接触面强度达到峰值后其抗剪能力逐渐丧失;(2)当竖向荷载较大时,接触面由脆性破坏向塑性破坏转变,界面处的剪应力达到峰值后由弹性变形向塑性硬化转变,剪应力释放缓慢,曲线下降不明显。另外,同一竖向荷载下,不同冻融次数下(不包括未冻融)接触面的残余强度值十分接近。(4)基于不同材料接触面上直剪试验数据分别建立相应的应力应变曲线,根据各自曲线特点选择数学模型进行拟合(混凝土材料选择广义双曲线模型,钢材料选择龚帕兹模型),得出相应的试验参数,并通过引进冻融循环次数n建立非饱和黄土与混凝土、钢界面剪应力-位移-冻融循环次数的力学模型。(5)以有限元软件ABAQUS为例尝试开展了考虑冻融作用的非饱和黄土-结构界面力学行为的工程应用研究,建立了冻融环境下的挡土墙模型并进行了数值计算。根据相应的试验参数,进行冻融循环模拟,得出挡土墙经历不同冻融次数下墙面板摩阻力的变化曲线,通过数值模拟与理论方法分别计算出的极限摩阻力对比发现两者之间相差在10%以内。
王义重[10]2013年在《Q_3黄土力学及流变特性试验研究》文中研究表明本文以黑方台Q3黄土为研究对象,以其力学特性及流变特性为主要研究内容,通过对不同含水率的黑方台Q3黄土开展土工室内试验,常规叁轴压缩试验(CD)以及叁轴流变试验,对Q3黄土的流变力学特性进行了系统的试验研究。在查阅大量相关文献资料的基础上,通过对比研究现有的流变本构模型以及对试验数据的分析,提出了多个适用于Q3黄土的流变本构模型,并在此基础上进行了基于ABAQUS的本构模型有限元二次开发,通过有限元计算,验证了二次开发程序以及本构模型的适用性。全文共分为七章：第一章为绪论,归纳总结了流变学的起源、发展以及当今的研究现状。并按照时间顺序重点叙述了当前对于黄土流变特性的研究现状,对近年来学者们的主要研究成果以及提出的本构模型进行了逐一的分析和研究。确定了本文的研究内容及技术路线。第二章为Q3黄土物理性质试验研究,以室内土工试验以及常规叁轴压缩试验为基础,重点对比了天然试样、天然试样-饱和、重塑试样、重塑试样-饱和的应力～应变曲线特征,研究了应力状态、含水率及扰动对黑方台Q3黄土力学特性的影响。获取了Q3黄土的抗剪强度指标,并研究了含水率对其抗剪强度的影响。最后通过数值拟合给出了D-C非线性弹性模型的模型参数。第叁章为Q3黄土流变特性试验研究,以对不同含水率下黑方台Q3黄土进行的叁轴流变试验成果为基础,重点研究了不同含水率、不同围压以及不同应力水平下黑方台Q3黄土的叁轴流变特征。通过试验及数据处理得到了黑方台Q3黄土的蠕变曲线。对比不同含水率下的蠕变曲线,研究了含水率对黑方台Q3黄土蠕变特性的影响。通过对长期强度理论、残余强度理论的研究以及对试验规律的总结,分析了加速蠕变发生的机理以及条件。第四章为Q3黄土流变本构模型理论研究,对比了两个现有的粘弹塑性本构模型,逐一推导了模型的本构方程以及蠕变方程,研究了两个模型的适用性。为了使模型更好的描述Q3黄土的力学行为,提出了使用折线拟合的方法来获取模型中的圣维南体屈服应力的方法,为得到全局最优的拟合结果,编制了逐级细化寻优的参数拟合程序。第五章为黑方台Q3黄土的改进流变模型研究,对现有的西原本构模型进行了改进,先后提出了叁个基于西原模型的改进模型,解决了原西原模型无法描述黑方台Q3黄土流变特性的问题。通过编制数值拟合程序对试验数据进行拟合,建立了多围压、多应力水平下适用的流变本构模型并获得了模型的参数。基于第叁章的对数坐标蠕变曲线,提出了一个简单的指数型经验流变模型,该模型能以较少的参数与较为简单的形式获得良好的描述效果,具有一定的推广使用价值。第六章为有限元二次开发及数值计算,简要介绍了ABAQUS软件,以及ABAQUS二次开发的接口程序。研究了将一维流变本构模型推广至叁维的方法,以及获取叁维流变模型参数的方法。针对第五章中提出的线性改进西原模型,使用ABAQUS的子程序UMAT进行了有限元二次开发。介绍了二次开发的流程,程序编制的方法和步骤,并进行了二次开发程序的验证计算。采用有限元对叁轴流变试验进行数值模拟,得到了有限元计算的蠕变曲线,并与试验曲线进行了对比,得出了有价值的结论。第七章为结论,主要总结了论文中所取得的成果,列出了在论文及研究中得到的有意义或者有价值的结论。
参考文献：
[1]. 非饱和黄土的强度特性及非线性本构模型研究[D]. 王朝阳. 长安大学. 2004
[2]. 非饱和黄土的应力路径试验研究[D]. 周晓艳. 西北农林科技大学. 2008
[3]. 非饱和黄土本构模型研究[D]. 邢鲜丽. 长安大学. 2016
[4]. 基于WF叁轴系统非饱和土损伤统计本构模型试验研究[D]. 牛军贤. 兰州理工大学. 2006
[5]. 非饱和黄土动力本构模型及其在地铁车站地震反应分析中的应用[D]. 秦立科. 长安大学. 2010
[6]. 非饱和原状黄土的非线性损伤本构模型研究[J]. 王朝阳, 许强, 倪万魁, 刘海松. 岩土力学. 2010
[7]. 非饱和黄土的结构性及其弹塑性本构模型研究[D]. 张腾. 西安理工大学. 2006
[8]. 不同应力路径下非饱和黄土结构特性及其本构模型研究[J]. 庞旭卿, 张腾. 铁道科学与工程学报. 2018
[9]. 基于冻融作用的非饱和黄土—结构界面力学行为及其工程应用[D]. 郏书胜. 兰州理工大学. 2018
[10]. Q_3黄土力学及流变特性试验研究[D]. 王义重. 武汉大学. 2013