非饱和土状态相关本构关系及应用-哈尔滨工业大学深圳
非饱和黄土的结构性定量化参数与结构性本构关系研究
非饱和黄土的结构性定量化参数与结构性本构关系研究
黄土由于其特殊的力学与工程性质一直是岩土工程研究的重要内容之一。
结构性是这种特殊性质的主要土力学原因。
因此,土的结构性是黄土力学研究的基础。
土结构性研究的主要问题是定量化研究和结构性与土的力学与工程性质之间关系的研究。
本文在认真分析黄土力学、非饱和土力学、土动力学新近研究进展的基础上,对土结构性定量化参数进行了进一步的研究,并将结构性的研究成果应用于非饱和黄土的静力和动力本构关系的分析,提出了它的结构性本构模型。
主要成果为：1、本文在对综合结构势研究土结构性的思路进行系统分析和再认识的基础上,发现已有研究成果仍有不能反映土体在等向压缩时结构性变化的局限性。
据此,开展了对综合结构势参数改进、完善的研究,提出了关于等向压缩应力对土结构性影响的土结构性参数和将释放结构性的思想与锥形稠度试验原理相结合,测定原状土结构性参数作为土物理属性指标的方法。
2、通过大量的试验,论证了这两个新的土结构性参数在描述土结构性变化方面的合理性与灵敏性,进而将它和描述剪切过程中结构性变化的已有的结构性参数相结合,论证了用这些结构性参数反映土由初始状态到等向围压、再到剪切的整个过程中结构性变化的连续性和一致性。
最后在动力条件下,利用结构性参数的上述概念也同样可反映土结构性变化与动应力应变发展的整个过程,进一步说明了综合结构势思想的科学性。
3、将不同土性条件、不同受荷阶段和不同荷载性质下的结构性变化曲线定量化,论证了它们用双曲线描述的途径、形式和优点,建立了在静力、动力条件下描述原状非饱和黄土应力应变关系的土结构性本构关系模型,并对它们的功能用计算结果与
试验结果的曲线进行了合理性的检验。
《2024年一个考虑结构性的非饱和土边界面本构模型及其验证》范文
《一个考虑结构性的非饱和土边界面本构模型及其验证》篇一一、引言非饱和土力学作为土力学的一个分支，研究的是非饱和状态下土的力学性质和行为。
非饱和土中水分与气体的存在对其力学特性有显著影响，而考虑土体结构性则能够更加真实地反映这一特性。
边界面模型是一种用来描述土体本构行为的重要理论模型，能够结合非饱和状态和结构性效应的特有表现。
本文旨在介绍一个考虑结构性的非饱和土边界面本构模型，并对其验证过程进行详细阐述。
二、非饱和土边界面本构模型的考虑结构性1. 模型概述本模型基于边界面概念，结合了非饱和土的特性和土体结构性的影响。
通过引入边界面参数，以及结合水气分布的考虑，建立了一个更加真实的描述土体本构行为的数学模型。
2. 模型中结构性的引入结构性指的是土体在应力作用下形成的骨架和微结构的变化对整体力学性能的影响。
在本模型中，通过引入微结构因子，对边界面本构关系进行修正，更好地反映了结构性对土体变形和强度的贡献。
三、模型的验证1. 实验设计为了验证模型的准确性，我们设计了一系列室内和现场实验。
室内实验主要针对不同饱和度、不同应力路径下的土样进行剪切实验；现场实验则是对具有典型代表性的工程地点进行监测，包括测量地面沉降和位移。
2. 数据采集与分析从实验中获得的数据被系统化地收集、整理和录入计算机中。
利用特定的软件进行数据处理和分析，得出实验过程中的应力-应变关系、体积变化等关键数据。
3. 模型验证将实验得到的数据与模型预测结果进行对比分析。
结果表明，在多种不同的条件下，该考虑结构性的非饱和土边界面本构模型均能较为准确地预测土体的本构行为，其预测值与实测值具有较高的一致性。
尤其是在结构性因素和水气分布方面，模型的预测精度有了显著提高。
四、结论本文提出并验证了一个考虑结构性的非饱和土边界面本构模型。
通过室内外实验数据的对比分析，验证了该模型的准确性和可靠性。
该模型在描述非饱和土的力学行为时，能够更加真实地反映结构性对土体本构行为的影响。
非饱和土固结的混合物理论(Ⅰ)
非饱和土固结的混合物理论(Ⅰ)
陈正汉;谢定义;刘祖典
【期刊名称】《应用数学和力学》
【年(卷),期】1993(14)2
【摘要】非饱和土是由土粒、水、气组成的三相介质,本文以混合物理论为基础研究了非饱和土的固结问题.文中导出了各向异性多孔介质及非饱和土的有效应力的理论公式,把有效应力原理和Curie对称原理作为非饱和土的两个重要的本构原理,建立了非饱和土固结的数学模型:由25个方程求解25个未知量.在增量线性化的情况下,本模型简化为5个控制方程求解5个未知量:3个固相位移、孔隙水压力和孔隙气压力.模型中包含7个材料参数,都可由试验测定,便于工程应用.Biot理论是本模型的特例.
【总页数】11页(P127-137)
【关键词】非饱和;土;固结;混合物理论
【作者】陈正汉;谢定义;刘祖典
【作者单位】后勤工程学院;陕西机械学院
【正文语种】中文
【中图分类】TU435
【相关文献】
1.浅析饱和土与非饱和土固结理论 [J], 李劲;
2.浅析饱和土与非饱和土固结理论 [J], 夏碧涛
3.饱和土与非饱和土固结理论及其联系与差别 [J], 成永杰
4.简析饱和土与非饱和土固结理论 [J], 刘帅
5.非饱和土固结的混合物理论(Ⅱ) [J], 陈正汉
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非饱和土本构关系的混合物理论_非线性本构方程和场方程
1 混合物理论
混合物 ( mixture) 是由几种不同性质 ( 物理性质或化学性质) 的单一物质混合形成的复杂介 质・ 这些物质的混合可以是局部和整体都均匀的混合 ( 如混合气体和混合溶液) ,也可以是局 部不均匀但整体均匀的混合 ( 如悬浮溶液和多孔介质) ・ 组成混合物的单一物质是混合物的组 ( ) 分 constituent ,混合物组分之间不仅可能存在相对运动 ,而且可能存在相互作用 ,甚至可能存 在物质转化 ( 如相变和化学反应) ・ 混合物理论 ( mixture theory) 就是研究混合物各组分运动规 律、 相互作用规律和相互转化规律以及混合物整体运动变化与外界对混合物作用之间关系的 理论体系・ 混合物理论以热力学理论为基础 , 是对单一物质连续统理论 [17 ,18 ] 的拓展 , 也称为相互作 用连续介质理论 ,具有很好的自恰性和系统性・ 混合物理论把混合物抽象为代表混合物各组 分连续介质的迭加物 ,混合物中任一点同时被各组分中的一个质点占据 ,这些相互迭加的连续 介质之间存在多种相互作用・ 1957 年 Truesdell [19 ] 建立了混合物的数学理论・ 该理论有 3 个基 本公设 :1) 混合物的性质完全由组分的性质决定 (All properties of the mixture must be mathemati2
( 1)
其中 , t 是时间 , x a ( 空间坐标) 是质点 Xa 在 t 时刻的空间位置 ・ 该方程也称为第 a 组分的形
) — 非饱和土本构关系的混合物理论 ( Ⅰ — — 非线性本构方程和场方程
113
变函数 ( deformation function) ・ 假设各组分的运动满足连续性公设 , 则方程 ( 1) 在空间点 x a 的 邻域内有唯一逆 Xa = Xa ( x a , t ) ・
《2024年非饱和—饱和状态变化条件下土质边坡稳定性分析》范文
《非饱和—饱和状态变化条件下土质边坡稳定性分析》篇一一、引言土质边坡的稳定性是地质工程领域中一个重要的研究课题。
边坡的稳定性不仅受到土体自身性质的影响，还受到环境因素如水分条件的变化的影响。
特别是在非饱和到饱和状态的变化过程中，土的物理力学性质发生显著改变，从而对边坡的稳定性产生重要影响。
本文旨在分析非饱和—饱和状态变化条件下土质边坡的稳定性，为边坡工程的设计和施工提供理论依据。
二、非饱和土质边坡的特性非饱和土质边坡的稳定性主要受到土的含水率、土的粒度分布、土的强度以及边坡的几何形态等因素的影响。
在非饱和状态下，土的强度较高，边坡的稳定性相对较好。
然而，当受到降雨、地下水位上升等外界因素的影响时，土的含水率增加，土质边坡会逐渐进入饱和状态。
三、饱和状态对土质边坡稳定性的影响随着土体从非饱和状态进入饱和状态，土的物理力学性质发生显著变化。
土的抗剪强度降低，内摩擦角和粘聚力减小，使得边坡的稳定性降低。
此外，饱和状态下，土体的渗透性增强，容易发生渗流破坏，进一步影响边坡的稳定性。
四、非饱和—饱和状态变化条件下边坡稳定性的分析方法为了分析非饱和—饱和状态变化条件下土质边坡的稳定性，可以采用以下方法：1. 实验室试验：通过室内试验，研究土体在非饱和和饱和状态下的力学性质，包括抗剪强度、内摩擦角、粘聚力等。
2. 数值模拟：利用有限元、有限差分等数值分析方法，模拟土质边坡在非饱和和饱和状态下的变形和破坏过程。
3. 现场监测：对实际工程中的土质边坡进行现场监测，收集边坡变形、渗流、地下水位等数据，分析边坡的稳定性。
五、案例分析以某地区土质边坡为例，分析其在非饱和—饱和状态变化条件下的稳定性。
通过实验室试验和数值模拟，发现该边坡在非饱和状态下稳定性较好，但在连续降雨等外界因素的影响下，边坡逐渐进入饱和状态，抗剪强度降低，内摩擦角和粘聚力减小，边坡的稳定性逐渐降低。
通过现场监测，发现边坡出现了明显的变形和渗流现象，需要采取相应的加固措施。
非饱和土力学
非饱和土力学引言非饱和土力学是土力学的一个分支，研究非饱和土壤的力学性质和行为。
饱和土壤是指土壤中的孔隙完全充满水分，而非饱和土壤是指土壤中的孔隙中同时存在气体和水分。
非饱和土力学的研究对于土壤工程、农业、环境科学等领域具有重要的意义。
本文将介绍非饱和土力学的几个重要概念和应用。
概念非饱和土壤的吸力非饱和土壤中存在着气体和水分。
由于毛细现象的存在，非饱和土壤中的水分会受到一定的吸力作用。
吸力是指土壤颗粒表面附近的环境中存在的气体与土壤孔隙中的水分之间的一种力。
吸力是非饱和土力学研究的基础，它与土壤的水分含量、孔隙结构等因素密切相关。
孔隙水压力非饱和土壤中的水分受到吸力作用，会产生一定的压力，称为孔隙水压力。
孔隙水压力是非饱和土力学中的一个重要概念，它描述了土壤中水分的分布和移动情况。
孔隙水压力的变化会影响非饱和土壤的力学性质和行为。
非饱和土壤的力学性质非饱和土力学研究的一个重要目标是揭示非饱和土壤的力学性质。
非饱和土壤的力学性质与饱和土壤有一些明显的差异。
例如，非饱和土壤的抗剪强度和变形特性会受到吸力和孔隙水压力的影响。
非饱和土壤的力学性质的研究对于土壤工程的设计和施工具有重要的指导意义。
应用土壤含水量测定非饱和土力学的研究需要准确测定土壤中的水分含量。
常用的方法有重量法、电容法、压力传感器法等。
这些方法可以测定不同吸力下土壤中的水分含量，从而揭示土壤的吸力特性和水分传输规律。
非饱和土壤的稳定性分析非饱和土壤的力学性质和行为与饱和土壤存在一定的差异。
因此，非饱和土壤的稳定性分析需要考虑吸力和孔隙水压力等因素对土壤的影响。
非饱和土壤的稳定性分析可以用于土壤边坡、挡土墙、基础等工程的设计和施工。
土壤水分调控非饱和土力学的研究成果可以应用于农业、环境科学等领域。
例如，在农业生产中，了解土壤中的水分分布和移动规律，可以合理调控土壤水分，提高植物的生长和产量。
此外，在环境科学研究中，非饱和土力学的研究成果可以用于土壤污染防治和土壤水源涵养等方面。
非饱和土土力学新PPT课件
库仑公式 本构模型
D uf can－cChantgg模型 ， 剑桥模型
屈服面
极限状态面
第3页/共54页
传统（经典）土力学的局限
固结理论
pw
1-D consolidation
k 2 pw pw
wm z2 t
(Lambe & Whitman,1969)
3-D consolidation
2 4 6 8 10 12 14 16 18
第24页/共54页
吸力的影 响
温度的影响
/kPa
非饱和土土力学理论
4、非饱和土的应力应变关系及本构模型
（1）弹性模型 Fredlund和Morganstern(1976)、Fredlund(1979)提出了基于双应力变量 ( ua ) 和 (ua uw )
第11页/共54页
非饱和土土力学理论
吸力随含水量变化，其表现形式不同
在第Ⅰ阶段，土体处于饱和状态，土孔 隙中为能够传递压力的自由水，没有水气接触面存在，也没有由表面张力产生 的毛细应力。
第Ⅱ阶段，为毛细作用发挥阶段。当基 质吸力超过最大空气进气值，土体开始 进入非饱和状态，含水率从饱和含水率 变化到塑限含水率，毛细应力开始快速 增加。
w ( p)
第26页/共54页
非饱和土土力学理论
4、非饱和土的应力应变关系及本构模型
（3）弹塑性模型（陈正汉）
屈服点的轨迹在p-s面内是一条曲线，在 p-q面内随吸力增加向外扩展，据此构建非饱和土的统一 屈服面模型。
p0 p0* ms n[e / patm 1]
吸力的影响
吸力 s(kPa)
200
k wm
2
pw
《2024年非饱和—饱和状态变化条件下土质边坡稳定性分析》范文
《非饱和—饱和状态变化条件下土质边坡稳定性分析》篇一非饱和-饱和状态变化条件下土质边坡稳定性分析一、引言随着气候变迁和自然环境的变化，土质边坡的稳定性问题日益突出。
特别是在非饱和与饱和状态变化条件下，土质边坡的稳定性分析显得尤为重要。
本文旨在探讨非饱和至饱和状态变化过程中，土质边坡的稳定性变化规律及其影响因素，以期为实际工程提供理论依据和参考。
二、非饱和状态下的土质边坡稳定性分析在非饱和状态下，土质边坡的稳定性主要受土壤的物理性质、气候条件、地质构造等因素的影响。
土壤的含水率、孔隙比、内摩擦角等物理性质对边坡稳定性具有重要影响。
此外，降雨、蒸发等气候条件也会对边坡的稳定性产生影响。
在非饱和状态下，土质边坡的稳定性分析主要通过极限平衡法、有限元法等方法进行。
这些方法可以分析土质边坡在各种条件下的应力分布、变形情况以及潜在滑移面的位置。
同时，结合实际地质资料和工程经验，可以对土质边坡的稳定性进行综合评价。
三、饱和状态下的土质边坡稳定性分析当土质边坡达到饱和状态时，其稳定性将受到更复杂因素的影响。
水分在土壤中的运动和渗透将导致土壤的有效应力发生变化，进而影响边坡的稳定性。
此外，雨水可能还会引发土壤侵蚀，导致边坡的破坏。
在饱和状态下，需要对土质边坡进行更为细致的稳定性分析。
除了继续运用极限平衡法和有限元法等方法外，还需要考虑水分的运动规律、渗透性等因素对边坡稳定性的影响。
同时，结合实际地质资料和工程经验，对土质边坡的饱和状态下的稳定性进行综合评价。
四、非饱和至饱和状态变化对土质边坡稳定性的影响在非饱和至饱和状态变化过程中，土质边坡的稳定性将受到多种因素的影响。
首先，水分的增加将改变土壤的物理性质，如含水率、孔隙比等，从而影响边坡的稳定性。
其次，水分的运动和渗透将改变土壤的有效应力分布，可能导致潜在滑移面的形成和发展。
此外，雨水还可能引发土壤侵蚀，加剧边坡的破坏。
在非饱和至饱和状态变化过程中，需要综合考虑各种因素对土质边坡稳定性的影响。
非饱和黄土在动、静复杂应力条件下的结构变化特性及结构性本构关系研究
非饱和黄土在动、静复杂应力条件下的结构变化特性及结构性本构关系研究土结构性本构关系的研究被称为是“21世纪土力学的核心问题”。
在阅读和分析大量文献资料的基础上,总结了近年来黄土力学研究在非饱和土、动力特性以及结构性等领域取得的丰硕成果,提出了本文研究的基本任务。
本文研究工作的第一个成果是紧密围绕着土结构性形成变化的机理,突出了土结构性研究的土力学途径,把复杂应力条件下的土结构性定量化描述及其应用作为“突破口”,由“土的强度和变形受结构性控制的规律是相同的”这一结论出发,将文献中基于压缩变形考虑的土结构性参数的思路和方法进行了新的发展,提出和定义了基于强度考虑的土结构性定量化参数。
这种新的强度型结构性参数,不仅弥补了文献中变形型结构性参数的不足,而且为在静力和动力作用的复杂应力条件下研究土的结构性变化特性和建立结构性本构关系打下了基础。
它起到了既继承前人成果的合理内核,又拓展土结构性参数的应用空间,使动、静变形全过程中土结构性变化研究相沟通的重要作用。
本文的第二个成果是对原状的、重塑的和人工结构性的非饱和黄土在侧限压缩应力、常规三轴应力以及真三轴应力条件下进行了大量试验,研究了结构性变化特性,分析了影响黄土结构性的主要相关因素,合理解释了不同试验条件下土结构性参数曲线所表现出的有关特征,论证了新结构性参数的合理性。
本文的第三个成果是首次对原状的和重塑的非饱和黄土进行了大量的动扭剪三人bstr肠Ct轴试验,在动荷作用下分析了非饱和黄土的动力特性,尤其是非饱和黄土孔隙水压力和孔隙气压力在动荷作用下的变化规律,得到了非饱和黄土在动力试验条件下的土结构性参数曲线,证明了非饱和黄土动荷作用‘F的结构性参数曲线与静荷作用下的结构性参数曲线有着相似的形态和变化规律,受相同结构性因素的影响,使结构性定量化参数第一次走进了土动力学研究的领域。
本文的第四个成果是在以上研究的基础上,通过结构性参数对非饱和黄土静、动应力应变关系曲线的归一化作用效果分析,揭示了它与土变形和强度特性密切而规律性的关系,提出了非饱和黄土在静、动力作用的复杂应力条件下结构性的本构关系,验证了它们分别在三轴应力条件和动扭剪应力条件下计算与试验结果间良好的一致性。
非饱和土状态相关本构关系及应用-哈尔滨工业大学深圳
基于以上三点重要科学发现，建立了状态相关非饱和土弹塑性本构模型，并基于本项目发明的一系列非饱和土测试仪器提出了简单可靠的本构模型参数标定方法，形成了状态相关的非饱和土力学理论体系，出版了《Advanced Unsaturated Soil Mechanics and Engineering》英文专著。
知识产权名称
专利1：All-weather landfill soil cover system for preventing water infiltration and landfill gas emission（US9101968 B2）
专利2：用于土工离心机中模拟植物蒸腾作用的试验装置及方法（CN103424535B）
论文5：A state-dependent elasto-plastic model for saturated and unsaturated soils
论文6：Performance of an unsaturated expansive soil slope subjected to artificial rainfall infiltration
陈锐（副教授、哈尔滨工业大学(深圳)、哈尔滨工业大学(深圳)；陈锐博士和吴洪伟教授共同研发了一系列非饱和土吸力测量仪器，包括新型土体吸力传感器和现场土壤水势测量仪等，也提出了全天候毛细阻滞覆盖系统，获得美国发明专利，他是其中1篇的通讯作者）
周超（讲师、广州市香港科大霍英东研究院、广州市香港科大霍英东研究院；周超博士和吴宏伟教授建立了应力状态土水特征曲线理论模型。本项目的10篇代表性论文里，他是其中2篇的第一作者/通讯作者）
非饱和土混合物理论及其应用
非饱和土混合物理论及其应用非饱和土混合物理论及其应用一、引言非饱和土是一种特殊的土壤，其水分状态处于干燥和饱和之间，其力学性质和水文特征与饱和土有着明显差异。
非饱和土的研究从20世纪中叶开始逐渐兴起，并取得了许多重要的成果。
本文将探讨非饱和土混合物理论及其应用。
二、非饱和土力学特性非饱和土的力学特性是研究非饱和土混合物理论的基础。
非饱和土的力学特性受到水分含量、固结度和应力状态等因素的影响。
常用的非饱和土力学参数有吸力、孔隙比、压缩指数等。
非饱和土的吸力是指土壤颗粒间的毛细管吸力。
吸力的变化会改变非饱和土的力学特性，如颗粒间压实程度、水分运移等。
孔隙比是非饱和土中孔隙空间与固相体积之比，它与土壤的压缩性和透水性有关。
压缩指数是非饱和土在排水条件下压缩变形的特征参数，反映了非饱和土的固结性能。
三、非饱和土水文特征非饱和土水文特征是非饱和土混合物理论中的重要内容。
非饱和土的水分状态是非饱和土水文特征的核心概念，反映了非饱和土内部的水分分布情况。
非饱和土的水分状态可用于描述吸力与含水量之间的关系。
常见的非饱和土水分状态有干燥、湿润、饱和和过饱和。
其中，干燥状态表示土壤含水量较低，吸力较高；湿润状态表示土壤含水量较高，吸力较低；饱和状态表示土壤内部所有孔隙全部被水填满；过饱和状态表示土壤内部含有过多的水分，其中一部分为游离水。
四、非饱和土力学与水文特性的试验研究方法非饱和土混合物理论的应用需要基于试验研究来得到真实可靠的数据。
常见的非饱和土试验方法有压缩试验、渗透试验、吸力试验等。
压缩试验用于研究非饱和土的压缩性质，通过加载非饱和土样品并测量其变形，得到压缩指数等力学参数。
渗透试验用于研究非饱和土的透水性质，通过施加一定压力差使水流经过非饱和土样品，测量水流速度和吸力，得到透水性参数。
吸力试验用于研究非饱和土的吸力特性，通过测量非饱和土样品中的吸力值，得到非饱和土的吸力-含水量关系。
五、非饱和土混合物理论的应用非饱和土混合物理论在实际工程中有着广泛的应用。
《非饱和—饱和状态变化条件下土质边坡稳定性分析》
《非饱和—饱和状态变化条件下土质边坡稳定性分析》篇一一、引言在地质工程领域，土质边坡的稳定性是一个重要的研究课题。
尤其当土质边坡处于非饱和到饱和状态变化的过程中，其稳定性将受到显著影响。
本文旨在分析非饱和—饱和状态变化条件下土质边坡的稳定性，为实际工程提供理论依据和指导。
二、非饱和土质边坡稳定性分析非饱和土质边坡的稳定性主要受到土壤含水率、土壤类型、土质结构以及环境气候等因素的影响。
在这些因素中，含水率的变化是影响边坡稳定性的关键因素。
当土质边坡处于非饱和状态时，其强度主要由土壤颗粒间的摩擦力和粘聚力决定。
此时，边坡的稳定性较高，但当含水率增加时，土体的抗剪强度会逐渐降低，导致边坡的稳定性降低。
三、饱和土质边坡稳定性分析当土质边坡达到饱和状态时，土体的抗剪强度将大幅度降低。
由于水分占据了土壤颗粒间的空隙，使得颗粒间的摩擦力降低。
此外，饱和状态下的土体会出现较大的体积膨胀和流变现象，导致边坡的稳定性进一步降低。
在饱和状态下，土体容易发生滑移、塌方等破坏形式。
四、非饱和到饱和状态变化对土质边坡稳定性的影响在非饱和到饱和状态变化的过程中，土质边坡的稳定性将受到多重因素的影响。
首先，含水率的增加会导致土体抗剪强度的降低。
其次，由于水分进入土壤颗粒间的空隙，使得颗粒间的粘聚力减弱。
此外，随着含水率的增加，土体的体积膨胀和流变现象也会加剧。
这些因素共同作用，使得土质边坡的稳定性在非饱和到饱和状态变化的过程中逐渐降低。
五、分析方法与模型为了准确分析非饱和—饱和状态变化条件下土质边坡的稳定性，需要采用合适的分析方法和模型。
常用的方法包括极限平衡法、有限元法、离散元法等。
这些方法可以通过模拟土质边坡在非饱和到饱和状态变化过程中的应力、应变、位移等参数，来评估边坡的稳定性。
同时，还需要考虑土壤类型、土质结构、环境气候等因素对边坡稳定性的影响。
六、实例分析以某地区土质边坡为例，通过实地勘察和实验室试验获取土壤的物理力学参数。
非饱和土的本构模型研究
p* = p0*
（4）
式中： N = N (0) 和 λ = λ(0) 为剑桥模型参数； p′ 为 有效应力；pc 为参考应力，当 p′ = pc 时，v = N (0) 。 土体饱和时 p 和 p′ 是一致的。对于式（12），如果 用平均土骨架应力代替有效应力，则其压缩曲线就 是非饱和土的压缩曲线：
图 1 中点 1 位于初始压缩曲线上，给 p* 一个增 量，比体积将可能出现相应变化，
v
=
N (s)
=
N (0)
−Leabharlann λ(0) lnp1* pc*
（14）
且正常压缩曲线将从点 2 开始。如果保持吸力为常 值，增加净应力，比体积将发生变化，
dv
=
−λ
(0)
dp* p*
（15）
由于吸力为常数，因此 dp* = dp ，式（15）可 重写成
ε = ctd(σ − ua ) + cad(ua − uw )
（2）
式中：ε = ε x + ε y + ε z ；ct 为对 (σ − uw ) 而言的土的 压缩指数； ca 为对 (ua − uw ) 而言的土结构的压缩指 数，对液相和气相也可以建立相应的公式。
Alonso 等[4, 5]根据饱和土的临界状态概念，针 对非饱和土和弱膨胀土在广义应力空间（p，q，s） 内提出一个统一的弹塑性本构模型，描述了重塑膨 胀土在干湿循环过程中的反复胀缩特性，该模型在 土体饱和时可以蜕化为饱和土本构方程。在此基础 上，Wheeler 等[6]和 Cui 等[7]先后提出了非饱和土的 弹塑性本构模型，但这些模型均没有很好考虑饱和 度这一重要参数。笔者[8]曾在博士论文研究的过程 中研究了将饱和度这一参数引入到非饱和土本构模 型中，限于认识上的不深入，其效果并不十分理想，
非饱和原状土的结构性及其本构模型研究的开题报告
非饱和原状土的结构性及其本构模型研究的开题报告一、选题背景与意义非饱和原状土是指土体未达到饱和状态下相对干燥的土壤。
非饱和原状土的结构性对于土体力学性质的研究具有重要的意义。
非饱和原状土涉及到土体的孔隙结构、孔隙水压力、孔隙水分距离饱和状态的远近以及土壤颗粒内部的有孔结构等方面，这些因素都会影响土体的物理力学特性。
因此，研究非饱和原状土的结构性及其本构模型对于认识土体力学性质的本质规律、开展土体的结构强度分析、模拟土体的变形行为等方面都具有实际意义。
二、研究内容与目标本次开题报告的研究内容主要包括以下两个方面：（1）非饱和原状土的孔隙结构分析及其对土体力学特性的影响。
土体孔隙结构及孔隙水分对于土体力学性质的影响已经得到了广泛的研究。
然而，由于非饱和原状土存在孔隙水分距离饱和状态的远近，更加复杂的孔隙结构和孔隙水力学特性，因此该类土壤在力学特性方面仍存在很多未知的问题。
本研究将通过对非饱和原状土的孔隙结构进行分析，揭示其对土体力学特性的影响规律。
（2）非饱和原状土的本构模型研究。
构建本构模型是分析土体力学性质的常用方法之一。
然而，对于非饱和原状土的本构模型仍然存在诸多争议。
本研究将探究非饱和原状土的一些经典本构模型，并尝试提出适合于非饱和原状土的新的本构模型。
三、研究方法和技术路线（1）孔隙结构分析方法：采用直接观测法和数字图像处理技术，对不同状态的非饱和原状土的孔隙结构进行观察与分析，并通过孔隙率、孔隙大小、孔隙连通性等指标对孔隙结构特征进行描述。
（2）力学性质试验：采用三轴试验、压缩剪切试验等常规土力学试验方法，探究非饱和原状土的力学特性。
（3）本构模型构建：基于已有的经典本构模型（如air-entry model、VG model、BC model等），通过对非饱和原状土力学特性的分析，提出适合于该类土体的新的本构模型。
四、预期研究成果和创新性预计通过本研究可以达到以下预期研究成果和创新性：（1）揭示非饱和原状土孔隙结构对土体力学特性的影响规律。
-哈尔滨工业大学深圳
4.周超
职称：研究助理教授
工作单位：广州市香港科大霍英东研究院
完成单位：广州市香港科大霍英东研究院
主要贡献：对项目第1项科技创新点作出了贡献：
(1)建立了考虑应力作用下非饱和土水力特性本构模型；
(2)建立了非饱和土体水-气-热-力耦合理论；
项目 简介
本项目属土木工程环境岩土工程领域。
随着我国经济建设规模和速度的加大， 垃圾填埋场等岩土工程项 目加速发展，非饱和土的水力特性及其理论作为关键科学问题逐渐成 为研究热点。但由于非饱和土内固、液和气二相介质的状态受外界环 境影响大，材料水力特性复杂多变，针对饱和土体设计的传统仪器已 远不能满足非饱和土水力特性研究的要求， 长期以来非饱和土理论在 反映土体不冋状态下水特性方面 致无法取得突破。项目对非饱和土
专著10：Ng, C.W.W., Liu, J., Chen, R. and Xu, J. 2015. Physical and Numerical Modeli ng of an In cli ned Three-layer (silt/gravelly san d/clay) Capillary Barrier Cover System un der Extreme Rain fall. Waste Man ageme nt. V)l. 38: 210-221.
专利5:吴宏伟，维文，梁钧，乔劼.主动控制水在多孔介质中运移
《非饱和—饱和状态变化条件下土质边坡稳定性分析》
《非饱和—饱和状态变化条件下土质边坡稳定性分析》篇一一、引言在地质工程中，土质边坡的稳定性分析是重要的研究领域。
非饱和至饱和状态的变化对土质边坡的稳定性具有显著影响。
本文旨在分析非饱和-饱和状态变化条件下土质边坡的稳定性，通过理论分析、实验研究和数值模拟等方法，深入探讨这一过程对边坡稳定性的影响机制，为工程实践提供理论支持。
二、非饱和土质边坡稳定性分析非饱和土质边坡的稳定性主要受土的物理性质、水分分布、土体结构等因素影响。
在非饱和状态下，土的强度较高，边坡的稳定性相对较好。
分析这一状态的边坡稳定性时，需要关注土的抗剪强度、渗透性等基本特性。
同时，还要考虑水分蒸发、降雨等因素对土质边坡稳定性的影响。
三、饱和状态对土质边坡稳定性的影响随着水分进入土体，土质边坡逐渐进入饱和状态。
在饱和状态下，土的抗剪强度降低，渗透性增强，这对边坡的稳定性产生不利影响。
此外，水分在土体中的重新分布也可能导致土的工程性质发生变化，进一步影响边坡的稳定性。
因此，分析饱和状态对土质边坡稳定性的影响时，需要关注土的抗剪强度、渗透性、水分分布等因素的变化。
四、非饱和至饱和状态变化过程中的土质边坡稳定性分析在非饱和至饱和状态变化的过程中，土质边坡的稳定性受到多种因素的影响。
一方面，水分进入土体导致土的抗剪强度降低；另一方面，水分在土体中的重新分布可能改变土的工程性质。
此外，土体的结构变化、水分蒸发和降雨等因素也可能对边坡的稳定性产生影响。
因此，在这一过程中，需要综合考虑多种因素对边坡稳定性的影响。
五、实验研究与数值模拟为了深入分析非饱和—饱和状态变化条件下土质边坡的稳定性，本文开展了实验研究和数值模拟。
实验研究主要通过室内模拟和现场试验等方法，研究不同条件下的土质边坡稳定性变化规律。
数值模拟则通过建立数学模型，模拟非饱和至饱和状态变化过程中土质边坡的稳定性和变形行为。
这些研究方法有助于深入理解非饱和-饱和状态变化对土质边坡稳定性的影响机制。
土力学中非饱和土体强度变形本构模型研究
土力学中非饱和土体强度变形本构模型研究土力学是土木工程学的重要分支，其涉及土壤与固体力学相关内容。
土体的强度和变形特性是土力学研究的重点之一。
在土木工程中，非饱和土体也是一种普遍存在的现象，而非饱和土体的强度变形本构模型的研究则成为了当下热门的课题之一。
一、什么是非饱和土体非饱和土体是指土体中某些空隙内不充满水分的状态，也就是介于饱和状态和干燥状态之间的状态。
由于土体孔隙内水分的存在，其力学性质和行为特征都与干燥状态的土体不同，但又有别于饱和状态。
因此，对于非饱和土体的研究和分析，需要考虑土体孔隙内水分含量对其力学性质和行为的影响。
二、非饱和土体的强度变形特性土体的强度和变形特性是土力学研究的重点之一。
在非饱和土体中，水分含量对土体的强度和变形特性产生了明显的影响。
当水分含量较低时，土体的强度和刚度较高，当水分含量增加时，强度和刚度逐渐减小，而随着水分增加到一定程度，土体会出现液化现象，强度将急剧下降。
目前，对于非饱和土体强度变形特性的研究集中于实验和数值模拟两个方面。
在实验方面，主要通过不同取样、加载和试验方法来模拟非饱和土体的实际力学行为；而在数值模拟方面，则通过基于应用数学原理的力学模型和计算方法进行研究。
三、非饱和土体强度变形本构模型的研究非饱和土体强度变形本构模型是研究非饱和土体力学特性和行为变化的重要方法之一。
本构模型是一种数学描述模型，在工程实践中经常使用，可以将非饱和土体的强度和变形特性描述为公式形式，以便于工程设计和计算。
目前，对于非饱和土体强度变形本构模型的研究主要有三种方法：基于经验，基于理论和基于试验数据。
其中，基于经验的本构模型是以实验结果为基础，通过实验数据分析和总结，得出一些数学公式或曲线，用于描述土体的力学特性和行为；基于理论的本构模型则利用现有的力学理论和模型，对土体的力学特性和行为进行描述、分析和计算；而基于试验数据的本构模型则是通过试验数据，利用数学方法建立土体的力学模型和本构方程，能够更好地适应具体的问题和场合。
岩土工程中的非饱和土壤问题
岩土工程中的非饱和土壤问题岩土工程是土木工程领域中的一个分支，它主要涉及到土壤和岩石的工程性质及其应用。
在实际工程中，土壤的状态往往处于非饱和状态，这些非饱和土壤不仅在地下工程、水利工程和基础工程等方面发挥着巨大的作用，而且在环境生态、农业等方面也扮演着重要的角色。
本文将从非饱和土壤的定义、特点、吸力效应、力学特性和工程应用等方面较为详细地探讨岩土工程中的非饱和土壤问题。
1.非饱和土壤的定义非饱和土壤的状态是介于饱和和完全干燥状态之间的一种状态。
通俗来讲，就是土壤处于一种含有气体和水分的状态。
不同于饱和状态下土壤中所有孔隙都被水填充，非饱和状态下土壤孔隙中不仅包含水分，还含有气体。
非饱和土壤的状态因土壤类型、地质条件、降雨量、温度变化以及地下工程和基础工程等因素的影响而不断变化。
与饱和状态相比，非饱和状态下的土壤含水率变化范围更大，同时吸力效应的出现也会对非饱和土壤的力学特性产生很大的影响。
2.非饱和土壤的特点非饱和土壤相对于饱和土壤具有以下几个特点：（1）孔隙度与含水率之间的关系非饱和土壤的孔隙度与含水率之间呈现出曲线关系，含水率较低时，孔隙度随含水率的增加而迅速增加，但当含水率达到一个临界点后，随着含水率的继续增加，孔隙度升高的速率逐渐减缓，最终趋于稳定。
（2）吸力效应的出现非饱和土壤中孔隙内水分与土颗粒间的吸引力称为吸力。
吸力是非饱和土壤力学特性中最关键的参数之一，因为它对非饱和土壤的孔隙压缩性、细观结构的稳定性、细观结构的流动性和土的强度等方面都有较大的影响。
（3）渗透性与孔隙特性的剧烈变化当非饱和土壤含水率增加时，土颗粒表面的气泡随之减小，孔隙大小变化很大，从而引起非饱和土壤的渗透性瞬间变化。
这种渗透性剧烈变化在非饱和土壤的工程应用中是需要被认真考虑的。
3.非饱和土壤中的吸力效应吸力，是指颗粒周围孔隙内水对土颗粒产生的吸引力。
它具有方向性，大小与含水率、土壤性质和温度等因素有关。
在非饱和土壤中，吸力效应对于土壤的力学特性具有重要的影响，它会引起土壤的可压缩性、稳定性和渗透性等方面的变化。
非饱和土的强度、变形理论研究及其在工程中的应用
非饱和土的强度、变形理论研究及其在工程中的应用摘要：非饱和土在实际工程中分布十分广泛，其工程特性相对于饱和土要更为复杂。
在非饱和土力学中，非饱和土的强度和变形特性是非饱和土研究的重要内容。
本文引用一些他人的研究成果，并结合作者自己的研究进行了系统的学习和综述非饱和土的强度与变形理论及其在工程实践中的应用。
关键词：非饱和土，剪切强度，变形特性Study on the strength of unsaturated soils and deformation theoryand its application in engineeringAbstract: In engineering practice, unsatruated soils are widely distributed and display more complex behaviour compared with saturated soils. The study of strength characteristics and deformation behavior is very important in unsaturated soil machanic. This paper refers to a number of other people's research results, combined with the author's own research to conducted a systematic learning and overview of unsaturated soil strength and deformation theory and its application in engineering practice.Key words: unsaturated soil, shear strength, deformation behavior0 引言所谓非饱和土是相对于经典的饱和土而言的，它是一种由土的固相（土粒）、液相（孔隙水）、气相（孔隙气），以及气-液接触面（收缩膜）共同组成的多相体系。
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专著目录
论文1：Influence of stress state on soil-water characteristics and slope stability
论文2：A new and simple stress-dependent water retention model for unsaturated soil
2018
（自然科学奖）
项目名称
非饱和土状态相关本构关系及应用
主要完成单位
广州市香港科大霍英东研究院
哈尔滨Байду номын сангаас业大学(深圳)
主要完成人
（职称、完成单位、工作单位）
吴宏伟(教授、广州市香港科大霍英东研究院、广州市香港科大霍英东研究院；他是总体学术思想和研究方案的提出者，也是支持本项目所有科研资金的主要负责人，领导研究人员开展实验和理论研究。他是本项目10篇代表性论文的作者，并是其中8篇的第一作者）
论文3：Determination of the anisotropic shear stiffness of an unsaturated decomposed soil
论文4：Effects of wetting-drying and stress ratio on anisotropic very small strain stiffness of an unsaturated soil
论文9：Physical and Numerical Modeling of an Inclined Three-layer (silt/gravell y sand/clay) Capillary Barrier Cover System under Extreme Rainfall
陈锐（副教授、哈尔滨工业大学(深圳)、哈尔滨工业大学(深圳)；陈锐博士和吴洪伟教授共同研发了一系列非饱和土吸力测量仪器，包括新型土体吸力传感器和现场土壤水势测量仪等，也提出了全天候毛细阻滞覆盖系统，获得美国发明专利，他是其中1篇的通讯作者）
周超（讲师、广州市香港科大霍英东研究院、广州市香港科大霍英东研究院；周超博士和吴宏伟教授建立了应力状态土水特征曲线理论模型。本项目的10篇代表性论文里，他是其中2篇的第一作者/通讯作者）
论文7：A new simple system for measuring volume changes in unsaturated soils
论文8：A numerical investigation of the stability of unsaturated soil slopes subjected to transient seepage
论文5：A state-dependent elasto-plastic model for saturated and unsaturated soils
论文6：Performance of an unsaturated expansive soil slope subjected to artificial rainfall infiltration
(3)发现了吸力影响土体结构和大应变剪胀（缩）的规律，推导了吸力状态相关的大应变剪胀（缩）本构关系，利用自主研发的双室高精度体变测量系统在国际上率先验证了吸力增加土体剪胀势，突破了经典非饱和土应力-应变本构关系忽略吸力状态效应的局限性。
基于以上三点重要科学发现，建立了状态相关非饱和土弹塑性本构模型，并基于本项目发明的一系列非饱和土测试仪器提出了简单可靠的本构模型参数标定方法，形成了状态相关的非饱和土力学理论体系，出版了《Advanced Unsaturated Soil Mechanics and Engineering》英文专著。
(1)发现了应力增加的最重要影响是改变土体孔隙分布，对持水性质起主导作用，建立了应力状态相关的持水本构关系，通过自主研发的应力控制压力板仪在国际上率先验证了应力提高土体持水能力，突破了基于土壤学的持水曲线忽略应力状态效应的局限性。
(2)建立了吸力路径相关的各向异性小应变模量计算公式，通过弯曲元系统在国际上首次验证了干湿循环作用下土体孔隙水重分布，导致小应变模量的各向异性和吸力路径相关性，为干湿循环条件下非饱和的变形计算提供精确的方法。
本项目在国际权威期刊上共发表SCI论文100余篇，他引5000多次。10篇代表性论文均发表在本学科公认顶级国际期刊，SCI他引300多次。研究成果获加拿大岩土工程协会颁发的大中华地区首个优秀论文奖等国内外科研奖励。中/美/加/英等国科学院/工程院院士及著名学者评价本项目成果“提出了应力状态相关持水曲线”、“发现了小应变模量受吸力路径显著影响”、“阐明了非饱和土剪胀（缩）状态相关性”、“最引人注目”、“唯一例外”。自主研发的垃圾填埋场覆盖系统获美国专利，被国家标准《生活垃圾卫生填埋处理岩土工程技术标准》采用；由于本项目建立的本构理论体系被广泛认可，新仪器被国内外200多家科研单位采用。项目组成员受邀作非饱和土国际学术会议主题/特邀报告10次以上。第一完成人近20年在土力学最权威四大国际期刊发表SCI论文数量居世界第一，担任第7届国际非饱和土学术大会主席，主讲了第20届黄文熙讲座，当选为国际土力学及岩土工程学会80年来首位华人主席。
项目简介
本项目属土木工程的环境岩土工程领域。
非饱和土是固、液、气三相介质组成的多孔碎散材料，广泛存在于地表土层中，是所有自然边坡和人工构筑物的承载体。加深对非饱和土认知，是人类生存发展的永恒课题。非饱和土状态及力学行为随自然大气环境和地下水位的变化而变化，特别是21世纪以来极端气候条件频发和人类活动导致地下水位变幅大，非饱和土相关的灾害时有发生。Fredlund教授于1993年基于土壤学和弹性力学相关理论建立了经典非饱和土力学理论体系，其中持水本构关系忽略了土体应力状态的影响，应力-应变本构关系难以描述土体水分和应变状态相关的弹塑性力学行为，难以满足21世纪对垃圾填埋场覆盖系统、自然边坡、高铁路基等重大基础设施服役性能精准控制的要求。建立状态相关的非饱和土弹塑性本构理论是本学科国际前沿的科学难题。本项目经十几年探索与研究，取得如下原创性科学成果：