结构性黄土的本构模型

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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。

非饱和原状土土—水特征曲线及本构模型的研究

非饱和原状土土—水特征曲线及本构模型的研究原状土具有一定的结构性,主要以非饱和状态存在于自然界中。

与饱和土不同,非饱和土是由土粒(固相)、孔隙水(液相)、孔隙气(气相)和液-气交界面四相体系构成的。

这四相体系的变化是影响土结构性的内因,外因(如外力或吸湿)则是通过影响内因起作用的。

因此,原状土的力学性能要比室内重塑土的复杂得多。

若采用室内重塑土的试验结果去解决实际工程问题,则可能会造成安全隐患或不必要的经济浪费。

因此,在建立非饱和土本构模型中考虑土结构性的影响具有重要的理论意义和应用价值。

本文针对非饱和原状土开展了室内试验研究和理论研究工作,并取得了以下研究成果：(1)利用Fredlund SWCC压力仪对北京市平谷新城区不同深度处的原状粉质粘土进行了室内的土水特征曲线(Soil-Water Characteristic Curve, SWCC)试验研究,并考察了土体初始孔隙比对土水特征曲线的影响。

最后采用Brooks&Corey给出的土水特征曲线方程对实验结果进行了拟合和分析。

分析结果表明：孔隙比对这种原状粉质粘土土水特征曲线的进气值sα和孔隙分布指数δ的影响比较大,而对残余含水量θr的影响相对较小；(2)分别给出了Assouline土水特征曲线方程中参数ζ和υ与土体孔隙率n之间的关系式,并利用已有实测数据对所提出的关系式进行了验证,结果表明：该关系式能够较好的反映参数随孔隙率增加或减少的变化规律；将所给出的关系式与Assouline (1998)所给出的土水特征曲线方程相结合,给出了七种不同土(包括原状粉质粘土)的预测结果和实测结果的对比,结果表明：本文所给出的方法对这七种土都能给出比较好的预测结果；(3)在Desai提出的扰动变量的基础上提出了适用于描述非饱和土结构性劣化的耦合扰动状态变量的概念,该扰动变量可表示为吸湿扰动变量和外力扰动变量的函数。

给出了耦合扰动变量的演化方程,方程中定义了新的结构性参数衰减指数α和峰值强度因子β。

K0结构性黄土的临界状态模型

性等特性的弹塑性模型．文以饱和Ｋ。构性黄土的各种试验为基础，本结以修正剑桥模型为理论基础，引入具有明确物理意义的结构性参数，立了Ｋ。构性黄土的临界状态模型，描述Ｋ。固结黄土的建结能引起初始各向异性和结构性两个主要特性．并将模型预测值与试验数据比较，明提出的模型能够较好表地描述饱和Ｋ。结构性黄土的应力应变特性．在无特殊说明的情况下，中的应力为有效应力．文
Ａｕｇ．２０１０
２１００年８月
Ｋ０构性黄土的临界状态模型结
李俊连，仰平姚
（．安建筑科技大学土木工程学院，西西安７０５；．机械工业勘察设计研究院，西西安７０４）１西陕１０５２陕１０３
摘
要：修正剑桥模型的理论基础上，入参数描述土的结构性，立在引建
结构性黄土的临界状态模型，使

模型能够预测Ｋ０构性黄土的结构性及其他基本特性．具有明确物理意义的结构性参数通过分析Ｋｏ结结该
第４２卷
第４期
西建科技学报（然学）安筑大学自科版
ＪＸｉｎＵｎｖｏｃ．＆Ｔｅｈ（ａｕａＳｉｎｅＥｉｏ）．ｉ．ｆＡｒｈａｃ．Ｎｔｒ１ｃｃｄｉｅｔｎ
Ｖｏ．Ｎｏ．１４２４

结构性黄土的本构模型

710048；2. 南京水利科学研究院，江苏南京 210024)
摘要：天然沉积黄土具有结构性，因为其在结构破坏前后表现出非常不同的力学特性。为了真实地反映黄土的结构性、湿陷变形特性，在室内试验的基础上，应用充分扰动饱和粘土的稳定孔隙比和稳定状态原理，根据不可逆变形由团块之间滑移和团块破碎机理所引起的概念及土体损伤演化定律，建立了非饱和黄土的屈服函数和损伤函数，得到了非饱和原状结构性黄土的结构性数学模型。该模型能够模拟加载及其他力学特性，且物理意义明确，数值计算结果与试验结果吻合很好。关键词：岩土力学；原状黄土；结构性；湿陷变形；损伤函数；损伤演化律；本构模型中图分类号： TU 441+ .3 文献标识码： A 文章编号： 1000–6915(2005)04–0565–05
第 24 卷
第4期
2005 年 2 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.24 No.4 Feb.，2005
结构性黄土的本构模型
胡再强 1 ，沈珠江 2 ，谢定义 1
(1. 西安理工大学水利水电学院，陕西西安
2
式中： [C]为弹性柔度矩阵； A 1 为对应于屈服的塑性系数；A 2 为对应于损伤的塑性系数；f ，g 分别为屈服函数和损伤函数； σ ′ ， σ * 分别为有效应力和净应力。 2.2 损伤函数根据传统弹塑性理论，屈服函数的表达式为 F ({σ ′}，h) = f ({σ ′} − p(h )) = 0 式中： {σ ′} 为有效应力，h 为硬化参数。若损伤函数采用类似剑桥模型的椭圆函数，则损伤函数的表达式为[11] σ* 1 m g= (1 + η * / M ) n (1 + αs ) 其中， η∗ = 1 2 ⋅ (3) (2)

原状湿陷性黄土的结构性本构模型

ＺＨｏＵｉ—ｆｉＦｅｅ
（ａｚｏａｗｙＤｓｎＩｓｔｔＣ．ＬｄＬｎｈｕＧｎｕ７００，ｈｎ）ＬｎｈｕＲｉａｅｉｎｔｕｅｏｔ，ａｚｏ，ａｓ３０Ｃｉａｌｇｉ
ＡｂｔａｃＲｅｅｒｈｕｒｓｓ：Ｔｈｔｅｓｓａｅａｄｔｅｒｔｆｗａｅｏｔｎｆｔｅｌｅｓｉｏｒｓｎｉｇｔｈｅｓｅｉｌｓｒｔ：ｓａｃｐｐｏｅｅｓｒｓｔｔｎｈａｅｏｔｒｃｎｅｔｏｈｏｓｓｃｒｅｐｏｄｎｏｔｐｃａｓｉｓｒｃｕｒ．ＴｈａＳｔａｈｅｍｉｒｃｓｃｓｒｃｕｅｖｒａｉｎｒｓｌｓｉｈｈａｇｆｔｅｍａｒｓｏｃｌｍｅｈｎｃ．ｏｌｔｕｔｅｔｉｏｓｙｔｃｏｏｍｉｔｔｒａｔｏｅｕｔｎｔｅｃｎｅｏｈｃｏｃｐｉａｃａｉｓｕｉ
原状湿陷性黄土的结构性本构模型
周飞飞
（兰州铁道设计院有限公司，兰州７００）３００
摘要：究目的：研黄土的应力和含水率状态对应着一定的结构状态，观结构性的改变，微引起宏观力学性状的
改变。湿陷性黄土在力与水的共同作用下，产生原生结构性的损伤和湿陷变形，对增湿和加荷耦合作用下的结构性变化规律，应力应变关系和增湿变形等力学特性的研究有重要的意义。
研究结论：不同含水率和固结围压条件下原状结构性黄土的应力应变变化规律，以及由增湿、固结作用和

湿陷性黄土的增湿结构性非线性本构模型

ｋＡ
．
结构性黄土在不同初始含水率和固结围压下的应力应变关系曲线不符合双曲线模式，在湿陷性黄土应力应变关系的描述中，考虑土体结构损伤变化带来的影响，将会使建立的非线性本构模型更符合实际。２模型参数的确定．２１．初始切线模量的确定初始切线模量Ｅ的具体函数关系为下式：．
２２ｂ＝ｌ，和ｂ＝ｌ．￣ｇ（Ｗ）￣ｇ
Ｗ）
① ｂ和ｈ的数学表达式ｂ和ｈ随着固结围压和含水率的变化建立了如下关系：。
＝
ｋｌ２１２ｗ（￣ａ＋．９Ｂ．８／Ｊ）０２ｄ一８－０Ｐ９
（ —３）２
Ｄ
：
（ｏＥｋ￣１）（Ｐ）ｋＩ（＊＇０口）／ａ－２－—６２）
ＤＲ＝ＲＷ＋ＫＲｋ１２
其中Ｐ为标准大气压，ａ为试验参数，列表如下
表１
ｋ１。０１０ｌ．２ｋ２００９６．８８ｋｌＲ０．００２ｋＲ２Ｏ０Ｈ３．００
．
ｋ
” Ｉｋ
ｋ。
Ｏ５３Ｏ４．４
其中，Ｋ和ｎ为试验常数，本文试验得到Ｋ１６．，０８３，＝８３１ｎ．６ｎ６采用下面的函数关系计算：
ｎ＝．０６＂＋１．９００９０３４６７９（ —２）２
１｛Ｐ（／Ｋａ）～～ｅ）
— — （—１）２８Ｅ；——————— －一＿ｄ
②试验参数的确定本文试验得到Ａ．０，ＲＯ０，ｏ００１Ｃ＝．０，１．１，００２Ａ＝．Ｃ＝．０，Ｒ００１００１００Ｂ７９４

结构性黄土的本构模型

曲线的斜率；e0 为土的初始孔隙比； p 0 为一个参考
p 压力，并且当 p 0 等于参考压力时， ε v = 0。
上式的增量形式的表达式可表述如下： λ − κ ∆Ρ p ∆ε v = 1 + e0 Ρ
(6)
∂f {∆ε } = [C ]{∆σ ′} + A1
∂g ∆f + A2 * ∆g ′ ∂σ ∂σ

n
α 1 + αs 2
(14)
3 模型参数的确定
在上面所建立的本构模型中，必须通过试验来确定 6 个计算参数，即 M， λ ，κ ，α ，q0，qm 等。参数 M 和 λ 应随损伤参数的变化而变化，这是因为随着土的团粒的破碎，土的强度应当减小而压缩性应当增大。再者，土的再压和回弹系数 κ 从应用简单的方面考虑，一般取为一个常量。参数 M 与土的内摩擦角有关，采用如下关系式： M = 1 + n sin ϕ ，如果 ϕ 0 和 ϕ 1 分别是相应未
Abstract：Natural sedimentary loess has structural properties，and it shows different mechanical properties before and after structural failure. Laboratory tests are performed to reveal the structural properties and collapsible deformation characteristics. The yield function and damage function of the unsaturated loess are established based on the principle of loess damage evaluation principle，the relationship between stable porous ratio and stable state of wholly-disturbed saturated clay，and the fact that inverse deformation is caused by the slip and crash among masses. The constitutive mathematical model of unsaturated natural loess is set up，by which loading process and other properties can be simulated. This model has clear physical meaning and the numerical calculation by it agrees well with tests. Key words：rock and soil mechanics；natural loess；structural property；collapsible deformation；damage function；damage evolution principle；constitutive model 性变形特性。这种类型的弹–塑本构模型看起来

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（ｉｕｔｅｏｃｐ缩写为ＤＣ模型Ｌ，】动ＤｓｒＳｔＣｎｅｔｔｂａＳ）１１．０１扰状态概念的思想．首先由美国著名学者Ｄｓｉ１７ｅａ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．ｌ２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

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结构性黄土的本构模型
黄土是一种典型的结构性土,在我国分布广泛,大量的工程活动在黄土地区
上进行。

而由于黄土特殊的性质、黄土地区水文气候等地质环境条件,以及人类工程活动的影响,黄土地区的灾害极为发育。

因此正确认识结构性黄土的力学性质,找到一个能准确描述结构性黄土力学行为的本构模型,对结构性黄土的力学行为进行准确的描述与预测显得尤为重要。

本文以具有结构性的天然黄土为研究对象,通过基本的土工试验得到结构性黄土的基本物理力学参数,在上下负荷面模型的概念基础上,针对结构性黄土,对结构性状态变量演化式进行了修改,推导出了一个能准确描述黄土结构性的本构方程,采用Fortran语言进行编程,通过与一维固结实验和三轴固结排水剪切试验数据的对比,对模型进行验证。

开展的工作主要包括以下几个方面:(1)通过土工试验确定L5黄土的基本性质,对L5原状和重塑试样分别进行静止侧压力实验、一维和等向固结实验,以及三轴固结排水实验。

对比研究原状黄土的结构性。

(2)在上下负荷面模型的基础上,针对结构性黄土,从e-lnp曲线出发分析了黄土的超固结与结构性,利用孔隙比之差的概念,改进结构性状态变化参数R~*
的演化式,使模型能更好的描述天然黄土(结构性黄土)在屈服前后不同的应力应变关系,使参数概念更清晰,推导出了一个结构性黄土的本构方程。

(3)通过实验和简单的试算确定L5模型的参数。

(4)采用Fortran语言进行编程,通过基本土工试验确定模型参数,与一维固结实验和三轴固结排水剪切试验数据进行对比。

通过对比可得,本文模型能较好的描述结构性黄土的应力应变关系。