土体结构性的数学模型_21世纪土力学的核心问题
CT扫描技术在我国土工试验中的应用研究进展
CT扫描技术在我国土工试验中的应用研究进展王艳丽;程展林【摘要】介绍岩土CT可视化系统的特点,总结CT扫描技术在土工试验中的应用情况,包括黄土、冻土、膨胀土、粗粒土等土体的初始结构观测与结构性演化方面的研究进展,指出开发定量的计算机图像分析系统,通过CT细观结构图像来建立土体数值模型和开发研制动态试验CT扫描设备是今后应予以深入关注的研究方向.【期刊名称】《地震工程学报》【年(卷),期】2015(037)0z1【总页数】5页(P35-39)【关键词】CT技术;土工试验;结构演化;动态试验【作者】王艳丽;程展林【作者单位】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;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【正文语种】中文【中图分类】TU411.92土是由岩石经过风化后产生的松散物集合体,土体的宏观工程性质受微细结构状态和变化规律影响。
土体微细结构的多样性和易变性决定了土体工程性质在宏观上的非连续性、不均匀性、各向异性和非确定性[1]。
土体微细结构的变化规律及其对宏观力学行为影响的研究是近年来岩土学术界和工程界的前沿课题,也是未来岩土工程研究的发展趋势[2]。
土工试验是认识土体材料特性和揭示土工问题的重要手段,传统的土工试验是建立在材料均质假设基础上的宏观应力和应变的测试。
近年来许多学者开始重视土体的微细观力学行为,认识到宏观的变形破坏由微细结构变形的累积扩展而成,掌握微细结构变形破坏的规律可以为岩土工程出现的问题给出更科学的解释。
土体微细结构研究的试验方法有多种,如压汞法、气体吸附法、X射线分析法、扫描电镜法、计算机断面成像技术(CT技术)等。
其中CT技术因具有无损、动态、定量检测且分层识别材料内部组成与结构信息、高分辨率数字图像显示等优点而倍受国内外工程领域及学术界的重视。
近年来,CT技术在材料的无损检测和内部结构及结构性演化方面取得了长足的进展,研究对象包括岩石、混凝土、沥青、水泥、煤炭、黄土、膨胀土、冻土、粗粒土、红黏土、根植土和加筋土等,研究方向涉及材料的细观结构分析、物质的迁移和利用CT图像建立岩土材料数值模型等方面。
土的本构结构
土的本构关系土体是天然地质材料的历史产物。
土是一种复杂的多孔材料,在受到外界荷载作用后,其变形具有以下特性：①土体的变形具有明显的非线性,如:土体的压缩试验e～p 曲线、三轴剪切试验的应力—应变关系曲线、现场承载板试验所得的p～s曲线等; ②土体在剪切应力作用下会产生塑性应变,同时球应力也引起塑性应变; ③土体尤其是软粘土,具有十分明显的流变特性;④由于土体的构造或沉积等原因,使土具有各向异性; ⑤紧砂、超固结粘土等在受剪后都表现出应变软化的特性; ⑥土体的变形与应力路径有关,证明不同的加载路径会出现较大的差别; ⑦剪胀性等。
为了更好地描述土体的真实力学—变形特性,建立其应力、应变和时间的关系,在各种试验和工程实践经验的基础上提出一种数学模型,即: 土体的本构关系。
自从Roscoe等人首次建立了剑桥模型以来, 土的本构关系的研究经历了一个蓬勃发展的阶段, 出现了一些具有实用价值的本构模型。
虽然很多的理论为建立土的本构关系提供了有力的工具, 但是由于土是一种三相体材料, 在性质上既不同于固体也不同于液体, 是介于两者之间的特殊材料, 所以人们常借助于固体力学或流体力学理论, 同时结合工程实践经验来解决土工问题, 从而研究土的本构关系形成了自己一套独特的方法—半理论半经验的方法。
建立一个成功的本构关系关键有两点：第一要建立一个函数能较好地反映土在受力下的响应特征；第二要充分利用试验结果提供的数据比较容易地确定模型参数。
模型都需要满足以下基本条件：（1）不违背更高一级的基本物理原理（如热力学第一、第二定律）。
（2）建立在一定的力学理论基础之上（如弹性理论、塑性理论等）。
（3）模型参数能够通过常规试验求取。
从工程应用的角度出发，研究问题的精度就需要进行合理的控制，从而在计算精度与计算设备、计算难度、计算时间以及计算成本之间获得平衡。
另外，任何理论、方法都应以实践应用为目的，这样才具有价值。
综合上述两点，从工程应用的角度去分析各种土的本构关系是非常有必要的。
考虑结构性的土体本构模型的建模方法
是具有固体变形模量和强度指标 的材料， 只能认为 ， 原状土在刚开始受力时有一定的模量， 其结构完全 破坏后有一定强度 ， 丽受力、 变形的中间过程是从原 状土在扰动土 的逐渐转换过程Ｌ ． ６ 因此对于中间过 Ｊ
程中的土体 ， 是既包含原状土， 又包含重塑土的一种 复合 体 ． 在国内沈珠江将损伤力学应用于土体， 认为天 然结构性土体的逐渐破损 ， 是从原状土逐渐向扰动 土的变化过程 ． 沈珠江（９３ 提出结构性粘土的弹 １９ ） 塑性损 伤 模 型和 非线 形 损伤 力 学模 型； 珠 江 沈 （９６ 基于损伤力学提出土体宏观变形过程中， １９ ） 结 构逐渐破坏的这个过渡阶段的土体特性（ ） Ｓ 可以用
由损伤和未损伤两部分组成 ， 损伤由剪应力引起 ， 损 伤演化曲线性状近似于能量耗散曲线． 在小应力水 平时损伤不明显 ， 建议损伤变量方程为 ：
＝ 一 ｅｐ 一 铬） ｘ（ （） ３ 式中， 、 Ｒ为损伤参数． ｋ 另外一种当前影响较大的模型为扰动状态概念 （ ｉｕ ｔ ｅ ｏｃｐ 缩写为 Ｄ Ｃ 模型Ｌ ，】 动 Ｄｓ ｒ Ｓ ｔ Ｃｎｅｔ ｔｂ ａ Ｓ） １１ ． ０１ 扰 状态概念的思想 ． 首先 由美国著名学者 Ｄ ｓｉ １７ ｅａ于 ９４ 年提出， 是一种针对材料的受力扰动而发展起来的 本构模拟方法． 在扰动状态概念中， 假定作用力（ 如 机械力 、 热力、 环境力等） 引起材料微结构的扰动 ， 致使材料内部微结构发生变化、 由于扰动， 材料内部
性日 益引起人们的广泛关注 ． 谢定义认为“ 土结构性 是决定各类土力学特性 的一个最 为根本 的内在 因 素” １ ［． ３ 因此作为土工数值计算的基础 的本构模型理 论必须反映土体的结构性 ．ｌ ２ 世纪土力学 的核心问 题是土体结构性的数学模型 ， 以及其相应的破损理 论； 而现有的各种本构模型实 际上都是针对饱 和扰 动土和砂土而发展起来的【 ． ４ 经过这几年来大量 的 Ｊ
土体的结构性
土体的结构性，是指土体颗粒和孔隙的性状和排列形式(或称组构)及颗粒之间的相互作用。
绝大多数天然土都有一定的结构性，软土由于特定的历史条件和矿物成分，同样具有结构性，其结构类型有着自身的特点。
这种结构性对土的工程性质有强烈的影响。
结构性软土具有结构强度。
因此，它呈脆性破坏，其破坏应变较小。
在工程中，结构性土地基往往会在缺乏预兆情况下，产生突然性破坏。
研究软土的结构性，从而对软土地区的结构物的设计、地基加固设计有着重要意义。
沈珠江认为土的结构性是影响土力学特性诸要素中一个最为重要的要素，被认为是“21世纪土力学的核心问题”。
本文主要从宏观力学试验出发，制作SEM 图像并对其进行分析、研究。
研究结构性原状软土变化特性，其主要研究成果有如下几点：（1）收集了珠江三角洲地区158个原状软土的物理力学指标数据，对指标的变化范围、变异性、指标间的相互关系和各指标的统计分布规律进行研究。
研究的结果表明：不同地方的软土的物理力学性质差异较大；各参数与含水量w、孔隙比e存在一定的关系；天然密度ρ、干密度ρd、液限wL、塑限wp、塑性指数Ip、无侧限抗压强度qu和灵敏度St服从正态分布；含水量、孔隙比和粘聚力C服从近似正态分布；饱和度Sr、比重Gs、渗透系数Kv、压缩系数a v1-2、压缩模量Es1-2和内摩擦角ф为非正态分布。
研究的结果对在软土工程有着重要意义。
（2）通过固结压缩试验，采用3种不同的方式对结构性原状土和重塑土的结构性参数、压缩特性进行研究。
结果显示结构性对软土压缩特性影响较大；结构性参数mp>1，当荷载较大时，mp≈1；原状土和重塑土的压缩系数在加载初期有较大的区别，随着荷载的增加，原状土的压缩系数逐渐趋于重塑土的压缩系数。
由SEM图片显示了土样压缩的变化过程。
（3）针对同一地段的50个原状土样的试验数据进行统计分析，得出孔隙比、含水量、密度、干密度是影响软土压缩特性的重要因素。
通过原状土和重塑土一维固结压缩试验，对固结系数、压缩系数、压缩模量进行分析，得出结构性对软土压缩特性有较大的影响。
土力学智慧树知到课后章节答案2023年下广州大学
土力学智慧树知到课后章节答案2023年下广州大学广州大学绪论单元测试1.土力学研究的核心问题有：（）。
A:盐碱化问题B:变形问题C:渗流问题D:强度问题答案:变形问题;渗流问题;强度问题2.土是尚未固结成岩的松、软堆积物。
其由岩石经风化作用而成。
（）A:错 B:对答案:对3.关于土的认识正确的是：（）。
A:土由土颗粒与颗粒间孔隙中介质共同组成B:土颗粒既是土C:土的强度是指抗压强度D:土的变形主要是土颗粒变形引起答案:土由土颗粒与颗粒间孔隙中介质共同组成4.土与岩石的根本区别是土不具有刚性的联结，物理状态多变，力学强度低。
（）A:对 B:错答案:对5.当地下水在土孔隙中渗流时，会因水的流动：（）。
A:可能导致流砂现象B:产生动水力C:产生静水压力D:可能导致管涌现象答案:可能导致流砂现象;产生动水力;可能导致管涌现象6.土是一种复杂的材料和介质，有自己的特性，它具有：（）。
A:天然变异性B:结构稳定性C:碎散性D:多相性答案:天然变异性;结构稳定性;多相性7.土力学是研究土的变形、强度和渗透特性以及与此相关的工程问题的科学。
（）A:错 B:对答案:对8.土力学涉及土在土木工程中的作用主要包括：（）A:承载B:荷载C:填筑D:养分供给答案:承载;荷载;填筑9.现代土力学的创始人为：（）。
A:摩尔B:库仑C:朗肯D:太沙基答案:太沙基10.土是多孔的散体介质，其变形主要是颗粒重新排列，孔隙减小引起的。
（）A:错 B:对答案:对第一章测试1.土是地表岩石风化后的产物，形成土的风化作用有：A:光合作用 B:化学作用 C:生物作用 D:物理作用答案:化学作用;生物作用;物理作用2.物理风化形成的土的矿物一般是A:原生矿物 B:有机质 C:粘土矿物 D:次生矿物答案:原生矿物3.土一般由固相液相气相三项组成。
A:对 B:错答案:对4.含有蒙脱石和伊利石多的粘土A:遇水膨胀 B:水稳性强 C:失水收缩 D:亲水性强答案:遇水膨胀;失水收缩;亲水性强5.对于颗粒大小连续性较好的土，土的不均匀系数越大，表示：A:土颗粒大小越不均匀 B:土粒径级配曲线越抖 C:土粒径级配曲线越平缓 D:土颗粒大小越均匀答案:土颗粒大小越不均匀;土粒径级配曲线越平缓6.强结合水对细颗粒土的力学性质有着重要影响，而弱结合水影响很小。
土的本构模型研究现状及发展趋势_雷华阳
土的本构模型研究现状及发展趋势雷华阳(长春科技大学环境与建设工程学院,吉林长春 130026)摘要:从两方面总结了前人关于土体本构关系的研究成果以及目前的发展状况:一方面,从宏观现象学角度介绍了剑桥模型、弹性-硬化塑性模型以及为描述循环荷载条件下土的本构特性所建立的多重屈服面模型和边界面模型;另一方面,阐述了土的微观结构和土微结构力学模型的研究状况。
认为今后的土本构模型研究趋势必将与土的结构性研究紧密相联,成为21世纪土力学的核心。
关键词:土本构模型;宏观力学;微观结构中图分类号:P642.1 文献标识码:A 文章编号:1004-5589(2000)03-0271-06收稿日期:2000-01-04作者简介:雷华阳,女,1974年生,博士生,主要从事地质工程方面研究11 土本构模型的研究内容土体是一种地质历史产物,具有非常复杂的非线性特征。
在外荷作用下,表现出的应力-应变关系通常具有弹性、塑性、粘性以及非线性、剪胀性、各向异性等性状[1]。
为了较好地描述土的真实性状,建立土的应力-应变-时间之间的关系式,有必要在试验的基础上提出某种数学模型,把特定条件下的试验结果推广到一般情况,这种数学模型称为本构模型[1,2]。
广义上说,本构关系是指自然界一作用与由该作用产生的效应两者之间的关系。
而土的本构关系则是以土为研究对象,以建立土体的应力-应变-时间关系为核心内容,以土体工程问题的模拟和预测为目标,以非线性理论和土质学为基础的一个课题。
纵观土力学70余年的发展历史,人们常将岩土本构关系分为宏观本构关系和微观结构本构关系两个方面。
前者是建立在宏观现象学基础上的本构关系,而后者则是从土的微观结构角度来建立土的本构关系。
通过微观结构的研究,使得众多结构研究成果与其力学性状发生定量意义上的联系,对解释宏观力学现象具有重要意义。
2 研究现状早在1773年Coulomb 就提出Coulomb 屈服准则,用以模拟土的应力-应变性质。
0000世界上最常用岩土本构模型及土本构模型剖析
式中 Ce为回弹指数;σc为前期固结
压力。这是一种单因素与双因素之
间的关系,仍可由试验直接建立。前 砂土
地下水位
总应力 中和应力 有效应力
不 粘 透 土 水
砂土 低 粘 透 土 水
砂 （ 不 土 饱 和 ）
总应力 中和应力 有效应力
砂土 粘 （ 半 土 透 水 ）
毛细张力力 总应力
中和应力 有效应力
或点绘于半对数坐标中,也用直线来 拟合，得：
用竖向应变表示为：
上几式中 av,Cc,e0和σ0分别为压缩系数、 压缩指数、初始孔隙比和初始应力。
式(3)是一维受力状态下的最简单的 本构模型。是一种单因素物理量与 单因素物理量之间的关系,可由试验 直接确定。如果考虑到土体存在塑 性变形,应变除了与当前应力有关而 外,还与受荷历史有关,则应力应变关 系为：
参数上的易确定性和计算机实现 的可能性。自Roscoe等创建剑桥 模型至今,各国学者已发展数百 个土的本构模型。
这些模型包括不考虑时间因素 的线弹性模型、非线弹性模型、 弹塑性模型和近来发展起来的 内时模型、损伤模型及结构性 模型等,常用的模型只有极少数 几个。
土的本构模型研究在理论上属于连 续介质力学本构理论的范畴,对材料 属性的假定上将微观上并不连续的 土视为宏观上的连续介质,以弹性力 学、塑性力学和新兴的力学分支为 理论基础,通过理论结合实验的方法 进行研究。
期固结压力之所以影响应变,是因为
该压力作用下已发生了不可恢复的
塑性
应变。
它实际上是历史上已发生的塑性应
变的一种度量。在弹塑性模型理论 中,把度量已发生的塑性应变大小的 参数称为硬化参数,前期固结压力也 就是硬化参数的一种形式。可以说, 应变是应力与硬化参数两种物理量 的函数。
常用土体本构模型及其特点小结
常用土体本构模型及其特点小结-------山中一草线弹性模型线弹性模型遵守虎克定律，只有2个参数，即为弹性模量e和泊松比v，它就是最简单的形变-快速反应关系，但无法叙述土的很多特征，主要应用于早期的有限元分析及解析方法中，需用去对数演示较软的材料例如岩土。
?duncan-chang（dc）模型dc模型是一种非线性弹性模型，它用双曲线来模拟土的三轴排水试验的应力-应变关系（图1）。
它侧重于刻画土体应力-应变曲线非线性的简单特征，通过弹性参数的调整来近似地考虑土体的塑性变形。
但所用的理论仍然是弹性理论而没有涉及到任何塑性理论，故仍不能反映如应力路径对变形的影响、土体的剪胀特性和球应力对剪应变的影响等土体的很多重要性质。
由于dc模型是在为常数的常规三轴试验基础上提出的，比较适用于围压不变或变化不大、轴压增大的情况，如模拟土石坝和路堤的填筑。
mohr-coulomb（mc）模型mc模型是一种弹-理想塑性模型，它综合了胡克定律和coulomb破坏准则。
有5个参数，即控制弹性行为的2个参数：弹性模量e和泊松比v及控制塑性行为的3个参数：有效黏聚力c、有效内摩擦角和剪胀角。
mc模型采用了弹塑性理论，能较好地描述土体的破坏行为但却认为土体在达到抗剪强度之前的应力-应变关系符合胡克定律，因而并不能较好地描述土体在破坏之前的变形行为，且不能考虑应力历史的影响及区分加荷和卸荷。
故mc模型能较好地模拟土体的强度问题，mc模型的六凌锥形屈服面（图2）与土样真三轴试验的应力组合形成的屈服面吻合得较好，因此mc模型适合于低坝、边坡等稳定性问题的分析。
drucker-prager（dp）模型dp模型对mc模型的屈服面函数作了适当的修改，采用圆锥形屈服面（图3）来代替mc模型的六凌锥屈服面，易于程序的编制和进行数值计算。
它存在与mc模型同样地缺点，相对而言，在模拟岩土材料时，mc模型较dp模型更加适合。
修正剑桥模型（mcc）mcc模型为等向硬化的弹塑性模型，它修正了剑桥模型的弹头形屈服面，采用帽子屈服面（椭圆形）（图4），以塑性体应变为硬化参数，能较好地描述黏性土在破坏之前的非线性和依赖于应力水平或应力路径的变形行为，mcc模型从理论上和试验上都较好地阐明了土体的弹塑性变形特征，是应用最为广泛的软土本构模型之一。
土体干燥过程中的体积收缩变形特征
土体干燥过程中的体积收缩变形特征土体干燥过程中的体积收缩变形是一个重要现象，对于工程建设和土地资源的合理利用具有重要意义。
本文旨在探讨土体干燥过程中体积收缩变形的特征及影响因素，以期为相关领域的研究和实践提供有益的参考。
土体干燥过程中的体积收缩变形是指土体在干燥条件下由于水分蒸发引起体积缩小的现象。
这种现象主要源于土体内部的水分蒸发和孔隙水压力的降低，其研究历史可以追溯到20世纪初。
在工程实践中，土体干燥过程中的体积收缩变形常常对建筑物的稳定性、土地利用和土壤改良等方面产生重要影响。
吸附水分：土体颗粒表面的水分子受到土颗粒的吸引力而附着在颗粒表面，此时土体含水率较高，基本呈饱和状态。
失去水分：在一定的环境条件下，土颗粒表面的水分子会逐渐蒸发，含水率降低，导致土体体积收缩。
再吸附水分：随着土体含水率的降低，土颗粒表面的负电荷吸引周围环境中的水分子再次附着在颗粒表面，形成新的吸附层。
在上述过程中，由于吸附和失去水分的反复进行，导致土体发生体积收缩变形。
在土体干燥过程中，常见的体积收缩变形现象包括：裂缝：随着土体含水率的降低，土体内部会产生拉应力，当拉应力超过土体的抗拉强度时，就会形成裂缝。
裂缝通常呈不规则状，深度和宽度因土体性质和干燥条件而异。
沿裂缝扩展：当裂缝形成后，若土体继续干燥，裂缝会逐渐扩展，导致土体破裂成块状。
这种变形现象通常在较为干燥的土体中较为常见。
体积收缩变形还可能引起土体结构的改变，如土壤颗粒排列紧密程度的改变、团聚体破坏等。
这些改变都会对土体的物理性质、力学性质和生态功能产生影响。
为了更好地理解土体干燥过程中的体积收缩变形，研究人员常采用数值模拟方法进行分析。
常见的数值模拟方法包括有限元法、有限差分法、弹性理论等。
通过这些方法，研究人员可以模拟出不同条件下的土体干燥过程，并预测出相应的体积收缩变形特征。
例如，有限元法可以模拟出土体在干燥过程中的应力分布和裂缝形成过程；弹性理论则可以描述干燥过程中土体的弹性变形和塑性变形行为。
关于模拟K0固结试验固结效果的探讨
为了使轴向力和围压分离， 将应变控制加载改为杠杆加 载， 如下： 围压通过水压加载， 轴压通过杠杆加载， 这样轴压 和围压就可部分分离， 原理图如图 １。
４ 结语
环 境 的 热 效 应 对 混 凝 土 桥 梁 结 构 的 影 响 非 常 复 杂 。由 于 外界环境温度的变化， 箱梁与外界不断地进行着热交换， 致 使 箱 梁 桥 内 呈 非 线 性 温 度 分 布 。通 过 混 凝 土 箱 梁 桥 内 温 度 梯 度及其产生应力的分析， 为研究温度裂缝以及进行温控设 计 、制 定 合 理 的 防 裂 措 施 提 供 了 依 据 。 参考文献 ［１］孔祥谦．有限单元法在传热学中的应用．科学出版社， １９９８
图 ５ 围压 ２００ｋＰａ 下土样压缩曲线
４ 结论
土 体 的 结 构 性 越 弱 ， 即 Ｋ０ 接 近 １ 时 ， 在 普 通 三 轴 仪 上 用杠杆分级加载的方式模拟 Ｋ０ 固结效果越好；
因原状土的灵敏性， 扰动过大对试验结果有很大影响。 因此， 第一级荷载要小， 并要等向固结预压一段时间；
压 力 分 级 尽 量 多 一 点 ， 使 试 验 路 径 尽 量 接 近 Ｋ０ 固 结 线；
３１
Ｓｈｉｙａｎ ｙａｎｊｉｕ
试验研究
２．２ 固结过程 通过分级加载（ 一般 ５ 级左右） ， 以折线应力路径代替直
线应力路径逼近 Ｋ０ 固结线［５］。 首先在第一级围压下对试样进行等压固结， 固结完后通
过 杠 杆 施 加 轴 向 力 使 试 样 受 力 达 到 Ｋ０ 状 态； 第 一 级 Ｋ０ 固 结完成后施加第二级围压， 固结完成后通过杠杆施加第二级 轴向力使试样受力达到 Ｋ０ 状态， 完成第二级 Ｋ０ 固结； 依次 通过多级加荷固结后， 试 样 能 达 到 预 定 的 Ｋ０ 固 结 状 态 。 模 拟 Ｋ０ 固结上折线如图 ２。
土的基本特性及本构关系与强度理论
土的基本特性及本构关系与强度理论一、本文概述本文旨在深入探讨土的基本特性、本构关系以及强度理论，以增进对土壤力学行为的理解，并为土木工程、地质工程、环境工程等领域提供理论基础和实践指导。
土作为自然界中广泛存在的介质，其力学特性对于工程结构的稳定性和安全性至关重要。
因此，研究土的基本特性、建立合理的本构关系以及探索强度理论，对于预防地质灾害、优化工程设计、提高施工效率等方面都具有重要的意义。
本文首先对土的基本特性进行概述，包括土的分类、物理性质、化学性质以及力学性质等方面。
在此基础上，进一步探讨土的本构关系，即土的应力-应变关系，包括弹性、弹塑性和塑性等方面。
通过对土的本构关系的深入研究，可以更准确地描述土的力学行为，为工程实践提供理论支持。
本文还将重点介绍土的强度理论，包括土的抗剪强度、抗压强度等方面。
土的强度理论是土力学中的核心内容之一，它对于评估土的承载能力、预测土的变形和破坏等方面具有重要的指导作用。
通过对土的强度理论的深入研究，可以为工程实践提供更加准确、可靠的理论依据。
本文将系统介绍土的基本特性、本构关系以及强度理论，以期为提高土木工程、地质工程、环境工程等领域的理论水平和实践能力做出贡献。
二、土的基本特性土是一种由固体颗粒、液体水和气体组成的三相体，其特性受到这些组成部分的性质、相对含量以及它们之间的相互作用的影响。
土的基本特性主要包括其物质组成、物理性质、力学性质和环境特性。
物质组成：土主要由固体颗粒（如砂粒、粘土粒等）、水和气体组成。
固体颗粒的大小、形状和分布决定了土的粒度特征和结构特性。
物理性质：土的物理性质包括密度、含水率、孔隙率、饱和度等。
这些性质对于理解土的力学行为和环境响应至关重要。
例如，密度反映了土体的紧实程度，含水率则影响了土的塑性和流动性。
力学性质：土的力学性质是指在外部荷载作用下土的应力-应变关系和强度特性。
土的力学性质受到其物质组成、物理状态和环境条件的影响。
21世纪土力学的思考
21世纪土力学的思考1、20世纪20年代，太沙基土力学问世，土力学产生。
正确反映和预测土的力学性质和行为，研究各类土体在各种复杂环境下的变形和强度稳定性问题。
几十年来，已经在城乡建筑、铁路公路、水利电力、机场、港口、采矿等各类工程建设中起到了非常重要的作用。
从了解土和利用土走向主动地改造土，从被动的土体稳定性可估走向主动地可控。
涉及到的学科有弹性力学、塑性力学、流变学、地质学、矿物学、化学、数学等等。
同时，还受到各种工程材料、施工技术等许多因素的影响。
提出的挑战：对因素多、环境差、条件苛、要求高的实际问题，做出准确可靠的决策；理论上，建立一套能够描述土的力学性质与行为的力学模型；测试计算上进一步提高它的精确性，以揭示和利用更加真实的土力学规律；进一步提高土工建筑和地基工程在使用上的耐久性；与计算机科学结合，利用尽量简单的方法，短暂的时间来解决愈来愈复杂的岩土工程问题。
2、20世纪中，取得的成绩：（1）有效应力原理、渗透固结理论、极限平衡理论的基础上形成与完善建立理论土力学的雏形，饱和土的研究。
（2）本构关系的研究结束了长期以来以线弹性多孔介质模型研究变形问题，以刚塑性模型研究强度问题，将土的应力、应变、强度到稳定性连续发展的过程结合起来考虑，是土力学发展中一次带有根本性质的革命。
与计算机数值方法有力结合，使弹性力学、弹塑性力学、弹粘塑性力学、连续介质力学、松散介质力学、损失力学等的新理论和新方法在揭示土性规律、深化土力学问题研究中发挥了巨大作用。
（3）非饱和土力学研究的复苏，给土力学发展带来了根本性和长远的影响。
量测技术和计算技术的发展，为此提供了有利的支撑，标志着土力学开始走向成熟。
（4）当前，土力学所研究的材料，不仅涉及到粘性土和无粘性土（粗粒和细粒）等各种土类，涉及到黄土、红土、膨胀土、冻土、分散土等各种具有特殊性质的区域性土，而且已经超越了一般地质土的范围，伸向尾矿料、粉煤灰、海洋土、加筋土、污染土、星际土、改性土以及土工合成材料，也是土力学在20世纪划时代的成就。
土的结构性
化研究上加以突破，应脱离单变量模的分析思想， 从系统演化的整体角度出发建立结构要素之间的相 互关系模型。理论基础上，应在多科(如耗散结构、 协同学、混沌动力理论、自组织理论及分形理论等) 的知识交互过程中找出新的学生长点，将土体微观 结构与宏观力学性质统一起来。
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1 土的结构性概念 2土的结构性研究意义 3土的结构性变形机理 4结构性土的力学特性 5结构性定量化研究的发展阶段 6总结与展望
1土结构性概念
土体的结构性，是指土体颗粒和孔隙的性状和排 列形式(或称组构)及颗粒之间的相互作用。绝大 多数天然土都有一定的结构性，软土由于特定的 历史条件和矿物成分，同样具有结构性，其结构 类型有着自身的特点，这种结构性对土的工程性 质有强烈的影响。
中，当固结压力低于其结构屈服压力时，应力应 变关系呈“应变软化型”；当固结压力高于结构 屈服压力时，应力应变关系呈“应变硬化型”。 (3)结构性黏土的各向异性。 结构性黏土有较强的各向异性，这种各向异性是 在其初始沉积时形成的，一直到结构的形成仍然 存在。 (4)结构性黏土的极限面和初始剪切模量。 结构性黏土具有明显的极限面，它是由单向、等 向压密
试验的结构屈服压力和三轴固结不排水压缩试验中 的峰值应力决定的。在极限面内，土体性质接近弹 性。初始弹性模量不是常量，其数值受极限面形状 等因素的强烈影响。 (5)结构性黏土的固结系数和渗透系数。 结构性黏土在应力小于结构屈服应力时，其固结系 数基本为一常数．当应力增大到结构屈服应力附 近，其固结系数急剧降低，最后与重塑样的固结系 数接近，也基本为一常数。
（1）宏观表现 多数学者都认为原状土的压缩曲线划成三段是合适 的，即平缓段、陡降段及趋于重塑土压缩曲线段。 原状土在固结压力小于结构屈服应时，压缩性较 小；当固结压力达到结构屈服压力并继续增大时， 压缩性急剧变大，土的压缩曲线出了陡降段；随着 固结压力的进一步增大，原状土的压缩曲线与重塑 土的压缩曲线趋于一致。
土的本构关系及其模型
Et
1
Rf
1 1 3
3 f
2
Ei
（a ）
根据简布（Janbu）对压缩试验的研究。
n
Ei
k
i
Pa
3
Pa
式中，
（b）
log Ei
ki , n 试验确定参数，由Ei和 3
的关系求得，如图示；
Pa 大气压力，单位与Ei相同；
2.2 数学模型
数学模型：直接用数学关系表达应力应 变关系。
数学模型的前提是要有应力应变关系的 曲线。目前常用的数学模型就是根据试 验曲线整理得到。
2.2.1 线性弹性模型
线性弹性模型是假设土的应力与应变成正比， 强度是无限的。
线性弹性模型对计算地基中的垂直应力分布是 很有用的，得到的结果比较符合实际，但是计 算地基的位移和沉降，该模型只适用于不排水 加荷的情况，并且对破坏要有较大的安全系数， 不能发生屈服。
渐近线1
3 ult
1 b
Ei
1 a
1 3 f
3 常数
1
3
a
a ba
轴向应变 a
如果将纵坐标修改，则：
a 1 3
1
a 1 Ei
1
3
1 Ei
a aRf
1 3 f
b
3 常数
轴向应变 a
曲线上任一点的切线模量：
对于模型，一是要比较形象地表示不同材料的 各种性能；二是研究起来比较方便，能找出规 律性。
对于土体来讲，它通常是各向异性、非匀质、 非线性弹性体，其应力应变是非常复杂的，如 土体既具有弹性、塑性、又具粘滞性等。许多 情况下又是这些性状的组合，基于这一点，人 们相继提出了许多不同的力学模型或数学模型， 但哪一种模型都不能如实地表达土体的真实情 况，只能说在一定的条件下，当解题满足工程 精度要求时，才可用某种模型来解决工程的实 际问题。
考虑结构性邓肯-张模型在天津吹填软土中的应用
性邓 肯一 张模型 比原始邓肯一 张模 型更适合有结构性 的吹填软土。该研究成果对吹填场地沉 降计算及控制具有一定的 理论 价值 。
关键词：吹填软土 ；结构性 ；邓肯一 张模型 ；沉降
中图分类号 ： Ｕ ３ ；Ｔ ４ ３ Ｔ ４ １ Ｕ ３
文献标志码 ： Ａ
文章编号 ： ０ ３ ３ ８ （０ ０ ０ － ０ ６ ０ １０ — ６ ８２ １ ）６－ ０ － ４ ０
Ｄｕ ｃ ｎ — ａ ｇ Ｍ ｏ ｅ ｎ ｉ ｅ ｉ ｇ Ｓ ｒ ｃｕ ａ ａ ａ ｔｒｓｉｓ ｎａ — Ｃｈ ｎ ｄ ｌ Ｃｏ ｓｄ ｒｎ ｔ ｕ ｔ ｒ ｌ Ｃｈ ｒ ｃｅ ｉｔ ｃ
Ａｐ ｌ ｄ ｉ ｏｔＤｒｄ ｅ ｉ ｆＴｉｎ ｉ ｐｉ ｎ Ｓ ｆ ｅ ｅ ｇ ｒ Ｆｌ ｏ ａ ｊ ｌ ｎ
软土地基 的固结沉降特性是非 常重要 的。沈珠 江ｌ １９ ） ｌ ９６ １（ 院士指 出 “ 土体 结构性 的数 学模型是 ２ 世 纪土力学 的核 １
结构性 的存在 ，使 自然沉积 的软黏土表现出与重塑土
心问题 ，从结构性模 型的观点 出发 ，不应 当再把 土体 看作 是具有固定变形模量 和强度指标 的材料 ，只能说 ，原状土
（ 天津城市建设学院 土木工程系 ，天津市软土工程特性与工程环境重 点实验室 ，天津 ３０８ ） ０ ３ １
摘 要 ：土的结构性对土的工程力学性质影响较大 。邓肯一 张模型是基于重塑土而建立 的模 型 ，荷载较大时 ，偏差 较大。文中通 过三 轴试验 ，对考虑结构性邓肯一 张模 型在吹填软土 中的应用进行 了试验研究 。结果表明 ：考虑结构
２１ ０ ０年 １ ２月
Ｃ ｉａＨａｂ ｕ ｎ ｉｅｒ ｇ ｈｎ ｒ ｏ ｒ ｇｎ ｅｉ Ｅ ｎ
由目囊湾建设
基于SEM图像信息的软土三维孔隙率定量分析[权威资料]
![基于SEM图像信息的软土三维孔隙率定量分析[权威资料]](https://img.taocdn.com/s3/m/3d3da9a5970590c69ec3d5bbfd0a79563c1ed479.png)
基于SEM图像信息的软土三维孔隙率定量分析摘要：为了获取丰富的SEM图像信息并用于软土微观结构定量研究，对杭州地区紫金港软土进行了SEM图像扫描；定性描述了软土微观结构孔隙特征，建立了基于Imagepro Plus（IPP）图像分析软件的三维孔隙计算模型；基于微积分思想，统计了软土的三维孔隙率；分析了软土孔隙率数量和大小随阈值的变化趋势与三维计算模型可行性的联系，并讨论了二值化处理获取的平面孔隙率与本文提出的公式统计的三维孔隙率之间的关系。
结果表明：本文提出的三维孔隙率计算公式是可行的，统计结果符合孔隙三维空间分布逻辑；较二值化处理获取的平面孔隙率，本文获取的三维孔隙率更加接近孔隙真实情况，求取方法思路清晰，为软土微观定量研究建立了一条新途径。
关键词：微观结构；软土；SEM图像；定量；三维孔隙率；平面孔隙率；计算模型；二值化处理TU411.92；P642.1文献标志码：A0引言早在1925年，土力学鼻祖Terzaghi就提出在评价软黏土的工程地质性质时，应当注意考虑其微结构的影响[1]。
著名土力学专家沈珠江院士曾强调指出“土体结构性的数学模型的建立将成为21世纪土力学的核心问题”，并且认为这是意味人类在深化土体力学特性的认识方面完成的第二次飞跃[2]。
研究表明，土体在宏观上表现的一系列物理力学性状均是其微观结构的具体表现，土体的宏观性质在一定程度上受微观结构状态和变化的影响[3]。
土的微观结构图像是研究土体内部特征的主要手段，包含了土的结构情况及颗粒和孔隙大小、形状、定向度、分形分维等信息。
提取合理的结构微信息并用于土体的理论研究和工程实践一直是该领域的研究难点。
众多信息中，土的孔隙率是代表土性质的重要指标之一，无论在土坡稳定、地基变形及地基承载力等分析中都直接或间接用到土孔隙率指标，也是建立土体微观结构模型必不可少的参数之一。
目前，用于土体计算的结构模型通常是由宏观方法来建立的，土体结构的微观作用在模型中难以体现，实际工程中也经常会发现计算结果与监测结果存在较大偏差，有时候也会给工程建设指引带来一些困惑。
土力学与数值方法：土的本构理论(1)
22
将ε1代入上式：
G、F 、d为试验参数
ν t
G F l(g σ 3/a p )
2
1 K E p a (σ 3/a p )n [1 R f(σ 1 d σ (3 σ )11 ( σ 3 s)i)n 2 /cc ( o 2 s σ 3s
i)n ]
按上式计算得到的切线泊桑比可能大于0.5，但在有限元 计算中，如νt大于0.5，刚度矩阵会出现异常，在实际计 算中，当νt>0.49时，取νt=0.49。
E iK Epa σ p 3 a n或 lg E pa i lg K Enlg σ p 3 a
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为确定极限偏应力，引入破坏比Rf
Rf
(σ1 σ3)f (σ1 σ3)ult
（Rf值一般为0.75~1.00）
将轴应变ε1、Ei、 (σ1-σ3)ult的表达式代入到切线模量公式
m
Bt
KB
pa
σ3 pa
KB、m为参数
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• 模型的修正
由于模型采用M-C破坏准则和常规三轴试验(σ2=σ3)，模 型不能考虑中间主应力的影响，为此，有人提出了一些
里，得到：
应力水平
破E t坏 K 应E 力p a (σσ p 3 a 1- σn 3 1 )f 可R ( 根σ f1 (σ 据 1 σ M3 σ )-f 3 C) 破2 坏K E 准p a 则 σ p 确3 a 定n1 ： R fS SL L2 (σσ11σσ33)f
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1
土的变形特性：
非线性和非弹性 塑性体积应变和剪胀性 塑性剪应变 硬化和软化 应力路径和应力历史对变形的影响 中主应力对变形的影响 高固结压力的影响 各向异性
《土体本构模型》课件
土体本构模型是土力学领域的重要内容之一，本课件将深入讨论土体本构模 型的分类、参数确定方法、应用等内容。
引言
土体本构模型在土力学中发挥着重要的作用。我们将探讨土体本构模型的作 用以及它的分类。
弹性本构模型
弹性本构模型是土体本构模型的一类基本模型。我们将探讨Hooke定律、弹性 参数的确定方法以及线性和非线性弹性本构模型。
总结
通过本文的讨论，我们深入了解了土体本构模型的分类、参数确定方法和应 用。展望未来，土体本构模型的发展仍有很大的空间和挑战。
塑性本构模型
塑性本构模型是土体本构模型的另一类重要模型。我们将探讨流动准则的分类，以及Mohr-Coulomb模型和 Drucker-Prager模型。
本构模型的参数确定
确定本构模型的参数是土力学研究的关键之一。我们将讨论直接试验法和反 分析法两种常用的参数确定方法。
本构模型的应用
本构模型在工程实际中有着广泛的应用。我们将通过工程实例分析和优化设 计方案，ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ示本构模型在实际工程中的应用价值。
mc模型土力学
mc模型土力学摘要：一、MC模型简介1.MC模型的定义与发展历程2.MC模型在土力学中的应用二、MC模型土力学的基本原理1.土体的本构关系2.土体变形与应力的关系3.土体强度与稳定性的分析三、MC模型在土力学工程中的应用1.土体变形预测2.地基设计与加固3.边坡稳定性分析4.隧道与地下工程四、MC模型的优势与局限性1.优势a.模拟复杂土体结构b.考虑土体非线性特性c.高效预测与分析2.局限性a.模型参数的确定b.适用范围受限五、MC模型在土力学研究的发展趋势1.参数优化与反演分析2.耦合其他分析方法3.智能化与自动化发展正文：一、MC模型简介MC模型，全称为蒙特卡洛模型（Monte Carlo Model），是一种基于随机抽样和数值模拟的数学建模方法。
在土力学领域，MC模型得到了广泛的应用和发展。
本文将从MC模型的定义与发展历程，以及在土力学中的应用等方面进行介绍。
二、MC模型土力学的基本原理MC模型在土力学领域主要应用于分析土体的变形、应力、强度和稳定性等方面。
其基本原理包括土体的本构关系、土体变形与应力的关系、土体强度与稳定性的分析等。
1.土体的本构关系：MC模型通过建立土体的本构关系，可以模拟土体在加载过程中的应力与应变关系。
这种关系有助于分析土体的变形特性，为后续的工程应用提供依据。
2.土体变形与应力的关系：在MC模型中，土体变形与应力之间的关系通过一系列的计算公式和参数来描述。
这些公式和参数可以帮助工程师预测土体在特定条件下的变形情况。
3.土体强度与稳定性的分析：MC模型可以模拟土体的强度分布，从而为地基设计、边坡稳定性分析和隧道与地下工程等领域提供依据。
通过强度分布的分析，工程师可以更好地评估工程的稳定性和安全性。
三、MC模型在土力学工程中的应用MC模型在土力学工程中的应用主要包括以下几个方面：1.土体变形预测：通过对土体本构关系的模拟，MC模型可以预测土体在加载过程中的变形情况，为工程设计提供依据。