结构性黄土的本构模型

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。

非饱和结构性黄土本构模型研究天然黄土在荷载作用下的变形与强度特性及本构模型研究一直是黄土土力学领域的一个重要研究方向。

在影响天然黄土变形特性的诸多因素中,结构性与非饱和性是其中两个主要方面。

鉴于此,本文在前人关于黄土结构性及非饱和特性理论研究成果的基础上,从规律分析,理论推导,模型建立三个方面,较为系统的研究了天然黄土的结构屈服特性,及非饱和状态下黄土的变形及强度特性,最终提出了可以同时考虑结构性和非饱和特性的黄土水力-力学性状耦合的弹塑性本构模型。

本文的主要研究内容和研究成果如下:1.建立了适用于正常固结和超固结重塑黄土的水力-力学性状耦合的弹塑性本构模型。

在非饱和临界状态理论框架内,根据对平均骨架应力的定义,改进BBM模型的LC屈服曲线方程,同时参考Wheeler提出的双线性土水特征曲线模型,建立吸力、孔隙比与饱和度之间的关系。

将修正后的水力-力学性状耦合的BBM模型与下负荷面修正剑桥模型进行结合,将其扩展到超固结非饱和土,从而更好的模拟超固结非饱和重塑黄土的强度与变形特性。

通过与超固结非饱和UH模型及BBM模型的对比分析,说明了该模型较传统模型的优越性。

通过对多组不同重塑黄土试验结果的数值模拟,再次验证了该模型的合理性和有效性。

2.进一步建立了能够同时描述结构性和非饱和性的正常固结天然黄土的弹塑性本构模型。

针对建立的适用于重塑黄土的非饱和土本构模型不能合理反应天然黄土结构损伤特性的缺陷,改进Asaoka提出的结构性参数r的演化规则,提出一个能够同时描述天然黄土结构性和非饱和特性的本构模型。

模型在不考虑非饱和性影响的情况下,可以退化为饱和土的结构性本构模型。

通过对结构性理论的验证及对多组天然黄土的试验结果的模拟验证,证明了本章所提出的模型的合理性。

黄土结构性试验研究及结构性本构模型【中文摘要】土的结构性题目是“二十一世纪土力学的核心题目”。

黄土是一种典型的结构性土,其特殊的结构性直接决定着黄土的工程力学性质。

因此,对黄土结构性方面的研究将是本世纪黄土力学研究的主要内容。

在阅读和分析相关文献的基础上,总结了近些年黄土结构性方面的优秀成果,提出了本文的研究目标。

对未扰动、重塑、未扰动饱和及重塑饱和黄土进行了常规三轴试验。

深进分析和探讨了几种黄土在三轴条件下的变形特性和基质吸力的变化规律,结果表明,含水量和围压是影响黄土变形特征的主要因素,含水量对基质吸力起控制作用,重塑黄土具有一定的结构性。

鉴戒前人对于结构性的土力学研究方法,研究了未扰动黄土的结构性变化特征,解释了结构性参数随各种因素的变化规律;试验对比分析了两种基于应力考虑的结构性定量化参数。

结果表明,两种结构性参数具有很好的一致性;定义了重塑黄土及未扰动饱和黄土的结构性定量化参数,试验研究了重塑黄土和未扰动饱和黄土的结构性变化特征;论证了本文所建议的重塑黄土及未扰动饱和黄土的结构性参数具有很好的适用性。

基于损伤统计理论,建立了简单的黄土结构性损伤本构模型,试验结果和猜测结果的对比,表明该模型能较好地模拟应变软化的全过程;在应变较小时,与应变硬化曲线也能较好吻合,模型能在一定程度上模拟黄土的结构性特征。

为研究黄土的结构性本构模型提供了一个新思路和新途径。

');【Abstract】 The problem of soil structural characteristics is called as "the focus problem of soil mechanics in the 21~(st) century".The loess is one kind of typical structural soil,its special structure property directly affects the mechanics and engineering property of loess. Therefore the study on the structural of loess is the main content about loess mechanics study this century.In this ***,based on the observation and analysis of a large number of literature reference,the first-class study outcomes on structural property of loess is summarized,and the essential study object of this *** are presented.Some outcomes are obtained as following:A large number of routine triaxial tests are carried out on the unsaturated soiltriaxial apparatus for different water content unsaturated intact loess,disturbed loess, saturated intact loess and saturated disturbed loess.Analyzed and studied the stress-straincharacteristic,volumetric strain-strain characteristic and matrix suction-stain characteristic under triaxial shear condition.Theresult indicates,the loess deformation property and volumetricvariety property are mainly influenced by the initial water-content and consolidation stress,the water content is the most important factor on matrix suction,the disturbed loess has initial structural characteristic.On basis of a new soil mechanical method,variation characteristics of intact loess structure were studied under triaxial stress condition,and the correlation factors influencing the loessstructure are analyzed.Contrasted the structural characteristics variation regularity of two Structure Parameter,the result indicates,the two Structure Parameter are unanimous.Defined a new structural parameter of disturbed loess and another saturated intact loess according to the result that the predecessor had researched previously,and studied variation regularity of disturbed loess and saturated intact loess, confirmed the applicability of the new structural parameter.Grounded on statistical damage theory,a *** damage constitutive model is presented.And carried on the comparison analysis between the test result and the model computed result,it makes clear that the model could simulate the strain softening well, the expected value is close to the strain hardening when the strain is small,the model could describe the strength and deformation behavior reasonably in a certain extent. Afford a new thinking and method of study on loess structural constitutive model.。

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。

黄土湿载结构性模型在黄土边坡动力稳定性分析的应用罗爱忠;邵生俊;方娟;陈昌禄【摘要】土的结构性是土颗粒空间排列和粒间粘结综合作用所表现出来的力学效应.在地震荷载作用过程中,天然土边坡的结构性参数主要体现应力和变形的共同作用,反映地震荷载作用过程中应力和变形的协调关系及结构性土的结构损伤过程(即抗剪强度参数的变化规律).首先通过分析认为用结构性参数来定量判断地震荷载作用过程中黄土边坡的稳定性更具合理性,其物理意义更明确;其次通过分析黄土地区某一天然边坡在Ⅸ度地震烈度作用下的黄土边坡动力稳定性,验证结构性参数作为边坡稳定性分析判据的可行性,且这一方法能定量地确定边坡滑动面的位置及所对应的安全结构性参数.【期刊名称】《地震工程学报》【年(卷),期】2015(037)003【总页数】8页(P816-822,833)【关键词】土质边坡;地震;结构性参数;稳定性【作者】罗爱忠;邵生俊;方娟;陈昌禄【作者单位】贵州工程应用技术学院,贵州毕节551700;西安理工大学岩土工程研究所,陕西西安710048;西安理工大学岩土工程研究所,陕西西安710048;贵州工程应用技术学院,贵州毕节551700;贵州工程应用技术学院,贵州毕节551700【正文语种】中文【中图分类】TU43Key words： loess slope; earthquake; structural parameter; stability天然原状黄土在沉积过程中形成大孔隙骨架结构，颗粒间接触点处经过长期的物理化学作用逐渐形成了胶结。

由土颗粒和集团颗粒组成的骨架和骨架间较多的孔隙构成原状黄土的特殊显微结构，从而使原状黄土都具有结构性和结构强度，即具有较高的抗压和抗剪能力。

黄土结构性的存在对其工程性质具有重大的影响，使得在进行黄土边坡静动力分析时变得异常复杂。

谢定义[1-3]综合考虑了黄土的基本特性及其力学特性，从结构可稳性和可变性的角度提出了综合结构势的思想，在此基础上提出黄土的本构关系。

非饱和黄土本构模型研究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,采用常规三轴仪在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著降低;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)利用三轴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三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三轴试验确定,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三轴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。

饱和黄土动力本构模型及其在桩—土—结构体系地震动力相互作用中的应用饱和黄土动力本构模型及其在桩—土—结构体系地震动力相互作用中的应用地震对于建筑结构的影响是一个长期以来备受关注的问题。

特别是当建筑结构位于饱和黄土地区时，地震作用下桩—土—结构体系的相互作用将更为复杂。

因此，研究饱和黄土的动力本构模型以及其在地震动力相互作用中的应用是非常重要的。

首先，我们需要了解什么是饱和黄土。

饱和黄土是一种具有特殊土性质的土壤，其主要成分是粘粒和胶体颗粒。

它具有较高的含水量和较强的液态状态，因此在地震中容易发生液化现象。

液化是指土壤在地震作用下失去强度，表现出类似液体的特性。

这就给建筑结构的稳定性和安全性带来了较大的挑战。

在研究饱和黄土的动力本构模型时，我们需要考虑一系列因素，包括土壤的基本性质、动力特性、孔隙水压力以及土体的非线性行为等。

在地震中，土壤的动力特性是非常重要的，它包括土体的固有周期、阻尼特性以及动力刚度等。

固有周期是指土体在地震作用下振动的周期，可以用来评估土体的稳定性。

阻尼特性则是指土体消耗能量的能力，对减小地震作用对建筑结构的影响至关重要。

在考虑土体的非线性行为时，我们需要将土体看作一个复杂的弹塑性体。

在地震动力下，饱和黄土的应变—应力关系呈现出非线性特点，包括弹性阶段、塑性阶段以及液化阶段等。

了解这些非线性特点可以帮助我们更好地预测地震对建筑结构的影响，并提出有效的改善措施。

在地震动力相互作用中，桩—土—结构体系也发挥着重要的作用。

桩和土体之间的相互作用可以通过简化的数值模型来表示，但在实际工程中，需要从更细致的角度考虑各种因素。

例如，土壤的液化将导致桩的承载力减小，从而影响结构的稳定性。

因此，我们需要建立更精确的模型来描述桩—土—结构体系的相互作用，并通过合理的设计来抵抗地震的影响。

近年来，随着地震工程的发展，研究者们提出了一些新的方法和技术来解决饱和黄土动力本构模型及其在桩—土—结构体系地震动力相互作用中的问题。

第35卷 第7期岩石力学与工程学报 V ol.35 No.72016年7月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering July ，2016收稿日期：2015–05–25；修回日期：2015–07–14 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50878183)Supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No. 50878183)作者简介：邵 帅(1990–)，男，2013年毕业于西安建筑科技大学交通工程专业，现为硕士研究生，主要从事黄土力学方面的研究工作。

E-mail ：1477977349@ 。

通讯作者：褚 峰(1982–)，男，博士，现任讲师。

E-mail ：chufeng153********@Q3结构性黄土的扰动状态本构模型试验研究邵 帅，褚 峰，邵生俊(西安理工大学 岩土工程研究所，陕西 西安 710048)摘要：Q3黄土在我国西北地区分布广泛，且Q3黄土都具有显著地结构性，深入研究Q3结构性黄土的本构关系在理论与实际工程应用中就显得尤为重要。

为了更合理地描述结构性黄土的应力–应变关系，基于扰动状态理论提出Q3结构性黄土的本构模型，在本构模型中结合Q3结构性黄土和与其对应的正常固结土的受力变形关系，使用新的扰动因子，扰动因子既能反映球应力作用产生体应变对土体扰动的影响，也能反映剪应力作用产生剪应变对土体扰动的影响，分别称其为体应变扰动因子(D v )及偏应变扰动因子(D s )，以理论和试验为基础建立扰动函数，使本构模型符合土体的实际受力过程。

本构模型中各参数物理意义明确，可由等向压缩试验和三轴剪切试验求得。

通过试验曲线与理论计算曲线及修正剑桥模型计算曲线的对比可知本构模型可以较合理地描述Q3结构性黄土加载扰动条件下的变形特性，具有很强的工程应用前景。

《冻结和林黄土力学性质及其本构模型研究》篇一摘要：本文旨在研究冻结和林黄土的力学性质及其本构模型。

首先，通过实验方法对黄土的物理和力学性质进行全面分析，探讨其在不同环境条件下的变化规律。

随后，构建适用于描述黄土力学行为的本构模型，并通过数值模拟和实例验证其适用性和准确性。

本研究旨在为相关领域的工程设计、施工及研究提供理论支持。

一、引言黄土广泛分布于我国干旱和半干旱地区，其特殊的工程地质性质对工程建设具有重要影响。

特别是在寒冷地区，黄土的冻结过程对其力学性质产生显著影响。

因此，研究冻结和林黄土的力学性质及其本构模型对于预测和评估地质灾害、优化工程设计等方面具有重要意义。

二、黄土的物理和力学性质分析1. 实验方法采用室内实验方法，包括土样采集、物理性质测试（如含水率、密度等）、力学性质测试（如压缩试验、剪切试验等）等，全面分析黄土的物理和力学性质。

2. 实验结果通过实验发现，黄土的力学性质受环境温度、含水率、密度等因素影响显著。

在冻结过程中，黄土的强度和变形特性发生明显变化。

三、本构模型构建1. 模型选择与假设基于现有土力学理论，选择合适的本构模型框架，并做出相应假设。

本研究所选模型应能够描述黄土在冻结过程中的力学行为。

2. 模型参数确定通过实验数据，确定模型中的关键参数。

这些参数应能够反映黄土的力学性质，包括弹性模量、塑性模量、内摩擦角、内聚力等。

3. 模型建立与验证根据确定的参数，建立黄土的本构模型。

通过数值模拟和实际工程案例，验证模型的适用性和准确性。

四、数值模拟与实例验证1. 数值模拟利用有限元软件，对黄土地基的力学行为进行数值模拟，分析黄土在冻结过程中的应力、应变及变形特性。

2. 实例验证选取实际工程案例，如某高速公路黄土地基工程，对其工程性能进行评估。

通过与数值模拟结果对比，验证本构模型的准确性和适用性。

五、结论与展望本研究通过实验和数值模拟方法，全面分析了冻结和林黄土的力学性质及其本构模型。