非饱和冻土力学特性及微观机理研究

《土水特征曲线及其在非饱和土力学中应用的基本问题研究》读书报告冯冬冬2011.11.7 阅读文献：张雪东. 土水特征曲线及其在非饱和土力学中应用的基本问题研究[D]. 北京: 北京交通大学, 2010.一．文献内容1. 文献在分析了SWCC应用的基本步骤、SWCC形状特点的基础上，结合现有SWCC模型的函数形式的特点，分析了拟合SWCC试验散点时可能出现的问题，而后在统计了21种土的SWCC拟合结果的基础上，首次提出了一种使用不完整SWCC(测量未到达残余状态)的试验点，拟合得到能够正确地反映土中孔隙结构特点和持水能力的函数的计算方法，使用这种方法，可以解决在试验条件有限，无法测得完整SWCC时，难以根据试验结果准确地确定一些非饱和上力学模型中的相关参数的取值问题。

2.以概率论为基础，利用SWCC和孔隙(水)分布函数之间的关系，提出了平均孔隙半径的概念，而后以此为基础得到了一个能够模拟变形对SWCC影响规律的计算模型;由于该模型考虑了土中的初始孔隙结构对SWCC随变形的变化规律的影响，所以它能够给出比较理想的计算结果;该模型可为建立分析非饱和土的水力、力学特性相互影响的计算模型奠定基础。

3.以概率论为基础，提出了一个能够考虑土中孔隙结构影响的饱和土渗透系数计算模型，而后结合本篇文章提出的模拟SWCC随变形的变化规律的计算模型，以及Mualem相对渗透系数模型，建立了一个能够模拟变形对非饱和土渗透系数影响的计算模型，该模型不仅能够考虑孔隙大小的变化对渗透系数的影响，更能够考虑孔隙结构变化的影响，这使得预测结果能够更加接近于实际情况。

4. 以传统域模型的基本原理为出发点，提出了一个能够方便地模拟多次浸润(吸湿)、干燥(脱湿)过程，以及在含水量(吸力)变化历史未知的情况下模拟含水量随吸力变化规律的SWCC 滞后模型;而后以该模型为基础，得到了一个利用边界干燥曲线以及一条一阶浸润扫描线预测边界浸润曲线的计算方法，使用该方法，可以减少SWCC滞后模型计算时所需实测的数据，从而使现有的一些SWCC滞后模型能够方便地应用于实际工程中。

随着科学技术的迅猛发展，21世纪的岩土工程取得了突破性的进展。

主要表现在下列这些方面，这些研究大部分都是目前岩土工程研究的热点和难点，并且已经取得了相当多的成果。

1、地理信息系统（GIS）在岩土工程短短几十年的发展中，信息管理、信息利用的理念以及信息技术的应用已经深入到岩土工程的方方面面。

地理信息系统的发展和新兴学科的交织渗透为岩土工程的信息化奠定了坚实的基础，同时岩土工程的信息化也成为数字地球体系的重要组成部分。

地理信息系统是计算机科学、地理学、测量学、地质学、地图学等多门学科综合的技术，是一个采集、存储、分析和显示地学信息的计算机系统，是一种决策支持系统。

二维GIS始于20世纪60年代的机助制图，现已发展较为成熟。

三维GIS一直处于理论研究阶段。

近年来，很多研究学者将GIS技术应用于岩土工程中，并取得良好的效果。

主要表现在以下几个方面(1)、商业化GIS软件方面的应用，多用于描述地表工程及地貌形态等；(2)、数据库信息管理方面，城市建设以勘察资料和管网为主；(3)、可视化方面，多用于水利工程、交通工程和工程策划、管理方面。

迄今为止，国内外还没有一个成熟的完整的能集数据库管理、查询、可视化显示、分析、评价和辅助决策为一体的三维GIS系统。

2、冻土力学冻土的力学特性除了与常温土特性一样和土颗粒构成、含水量等有关系外，更重要的还和温度、承载时间有密切关系，这些决定了冻土力学特性试验研究的复杂性。

为此，国内外在这一领域已投入大量的人力物力，进行了大量的研究。

现代测试技术的发展，如定量CT机的出现，完全可获得冻土受力过程中冰——未冰水相互转化及土颗粒的运动形态。

冻土细微观研究刚刚起步，而冻土多相介质力学理论还没形成。

可以预见，冻土力学试验研究将会是细微观与大型物理模拟试验相结合，进而形成冻土细微观力学和多相介质（结构性）力学理论。

当然数值计算也将随之有一个大发展，并且三者互相促进，使人类对冻土力学机理有一个清楚地认识，进而服务于我国经济建设。

基于Sevostianov理论的冻土本构模型芦琴;张瑞雪【摘要】利用Sevostianov夹杂理论及实验成果给出各向同性基体的颗粒夹杂型复合材料的力学、热学性能与夹杂体分布之间的函数关系,即冻土的横观各向同性弹性本构模型；推导出冻土的弹性本构与冰晶体回转对称轴方向及含冰率的解析表达,并拟合了冻土弹性解析表达式中待定参数与温度的函数关系,为冻土的数值计算提供了理论支撑.【期刊名称】《河北大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(033)005【总页数】5页(P459-463)【关键词】冻土;夹杂理论;横观各向同性【作者】芦琴;张瑞雪【作者单位】杨凌职业技术学院水利工程学院,陕西杨凌712100;西北农林科技大学水工程安全与病害防治研究中心,陕西杨凌712100;河北大学建筑工程学院,河北保定071002【正文语种】中文【中图分类】P314.5在冻土的力学特性中强度是最主要的一项研究内容.目前国内外已建立了不少有关冻土的力学模型，但以复合材料力学机理为出发点进行研究的较少，文献［1－6］的研究成果为建立冻土本构模型奠定了一定的理论基础，但为了更进一步掌握冻土力学特性实现实验的准确性，同时，避免Mori－Tanaka夹杂理论［7］分析的麻烦，基于以上研究基础，应用复合材料力学中的Sevostianov夹杂理论模型［8］，给出了冻土的横观各向同性本构模型及不同含冰率的冻土的弹性本构与温度和含冰率关系.1 Sevostianov夹杂理论模型对于含冰率低的冻土，可以看成是各向同性土粒夹杂冰颗粒的复合材料.Sevostianov［7］理论和Mori－Tan［8］模型都可以处理这类问题，本文主要参考Sevostianov夹杂理论.将用于描述单个夹杂体刚度分布张量N（分量形式为Nijkl定义为其中表示构成基体物的刚度张量（其逆为），εkl表示远场应变张量，张量Nijkl的大小取决于夹杂体的弹性特性及形状.利用Kunin［9］和Eshelby［10］问题的解.假定1有椭球体形状的夹杂体存在于各向同性的基体材料中，其在无穷远处产生的均匀应变场为，则其作用的均匀应变为其中J为四阶单位张量为夹杂体内材料的刚度张量，张量P表示为故V为总体积，V＊为夹杂体体积.基于图1所示的N与m的表达式关系，把式（5）写为其中G0为基体材料的剪切模量.图1 夹杂体轴向mFig.1 Axial symmetric inclusion with axial direction m由上述分析研究可得N的表达式其中夹杂材料的平均方向m和分别表示第k个夹杂体的对称轴单位矢量和体积.由此可得夹杂的体积率为待确定的常数.d1和d2主要反映基体材料力学性能对复合材料力学性能的贡献.d3和d4反映了夹杂体对复合材料刚度的影响.2 横观各向同性冻土弹性模型根据文献［11－14］的研究内容可知，冻土的力学特性与冻结温度、材质的密度、水分饱和程度、土质特点、冻结快慢、冻结方向等因素有关系，要精确计算很困难，传统方法存在应用不变、理论基础不足的缺点，针对上述问题，本文根据相关力学原理先明确主要力学特性参数的取值区域及规律，结合影响因素和实验确定其大小.根据文献［4］中的实验数据，将含冰率低的冻土看成是横观各向同性固体介质.因此作如下假定：假定2各向同性土颗粒材料中夹杂的冰颗粒在回转轴方向上互相平行为各向同性材料，如图2所示.图2 冻土组构坐标Fig.2 Coordinates system of frozen soil根据以上假设，式（9）可写为其中M＝m⊗m.假定取冻土代表体元，令z－轴为此体元的回转轴，材料在x－y面内呈各向同性.此时，m＝［0 0 1］.将M和I拉伸为一维矢量［15］如下：对四阶张量的拉伸结果将式（10）改写成则由式（12），（13）得d1，d2，d3和d4通常是冻土微结构及外部环境因素（如土质、温度、含冰率、密度等）的函数.d1和d2分别反映土体对冻土拉压刚度和剪切刚度的贡献；d3和d4分别反映了冰晶体对冻土拉压刚度和剪切刚度的贡献.这就是横观各向同性冻土的弹性本构模型.3 结论理论及实验分析说明：基土颗粒的刚度、冰晶体含冰量与冻土的刚度均成正比；夹杂体的刚度总量与冻土的刚度正相关；冻结温度使冻土中土颗粒的抗压、剪切刚度贡献增强，使冰晶体的抗压刚度贡献增强，剪切刚度贡献降低.由以上分析可见，本文基于Sevostianov夹杂理论及冻土的组构特性推导出的横观各向同性弹性冻土模型理论依据充实，形式简单，通用性强，节约成本，为冻土区工程建设提供分析依据.利用本计算公式结合实验成果，可以通过上述操作获得某一地区冻土的弹性－温度或含冰率的曲线方程，便于进行冻土的理论分析和数值分析计算，为相关冻土工程建设和安全提供了一定的理论依据.参考文献：［1] 王正中，袁驷，陈涛.冻土横观各向同性非线性本构模型试验研究［J］.岩土工程学报，2007（8）：1215－1218.WANG Zhengzhong，YUAN Si，CHEN Tao.Study on the constitutive model of transversely isotropic frozen soil ［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2007（8）：1215－1218.［2] ARENSON L U，SPRINGMAN S M，SEGO D C.The rheology of frozen soils［J］.Applied Rheology，2007，17（1）：12147.［3] 宁建国，王慧，朱志武，等.基于细观力学方法的冻土本构模型研究［J］.北京理工大学学报，2005，25（10）：847－851.NING Jianguo，WANG Hui，ZHU Zhiwu，et al.Investigation of the constitutive model of frozen soil based on Meso－Mechanics［J］.Journal of Beijing Institute of Technology，2005，25（10）：847－851.［4] 王正中，牟声远，牛永红.横观各向同性冻土弹性常数及强度预测［J］.岩土力学，2008（S1）：475－480.WANG Zhengzhong，MU Shengyuan，NIU Yonghong.Predictions of elastic constants and strength of transverse isotropic frozen soil［J］.Rock and Soil Mechanics，2008（S1）：475－480. ［5] 宁建国，朱志武.含损伤的冻土本构模型及耦合问题数值分析［J］.力学学报，2007，39（1）70－76.NING Jianguo，ZHU Zhiwu.Constitutive model of frozen soil with damage and numerical simulation of the coupled problem ［J］.Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics，2007，39（1）：70－76.［6] 王正中，沙际德，蒋允静，等.正交各向异性冻土与建筑物相互作用的非线性有限元分析［J］.土木工程学报，1999（3）：45－49.WANG Zhengzhong，SHA Jide，JIANG Yunjing，et al.Nonlinear finite element analysis of interaction of orthotropic frozen ground and construction［J］.Journal of China Civil Engineering，1999（3）：45－49.［7] SEVOSTIANOV I，KACHANOV M.Explicit cross－property correlations for anisotropic two－phase composite materials［J］.Journal of the Mechanics and Physics of Solids，2002，50：253－282.［8] MORI T，TANAKA K.Average stress in matrix and average elastic energy of materials with misfitting inclusions［J］.Acta Met，1973，21：571－574.［9] KUNIN I A，SOSNINA E G.Ellipsoidal inhomogeneity in the elastic medium［J］.Sov Phys Dokl，1971，16：571－574.［10] ESHELBY J D.The determination of the elastic field of an ellipsoidal inclusion and related problems［J］.Proc Roc Soc，1957，A241：376－396.［11] GRAHAM J，AU V C S.Effects of freeze－thaw and softening on a natural clay at low stresses［J］.Canadian Geotechnical Journal，1985，22（1）：69－78.［12] KONRAD J M，DUQUENNOI C.A model for water transport and ice lensing in freezing soils［J］.Water Resources Research，1993，29（9）：3109－3124.［13] LUNARDINI V J.Heat transfer with freezing and thawing［M］.Tokey：Elsevier，1991.［14] PAFAHL DENNIS E.Frost action［M］.Oxford：ASCE，1996.［15] 史姣，王正中，蔡坤.张量分析中简化记法在公式推导中的应用及张量分量的计算［J］.工程力学，2006，23（10）：45－48.SHI Jiao，WANG Zhengzhong，CAI Kun.Application of laconic notations in formula derivation and calculation of components in tensor analysis［J］.Engineering Mechanics，2006，3（10）：45－48.。

基于COMSOL的非饱和土中单桩垂直动力特性研究目录一、内容概述 (2)1. 研究背景和意义 (3)2. 国内外研究现状及发展趋势 (4)3. 研究目的和内容 (6)二、理论基础与文献综述 (7)1. 桩土相互作用理论 (8)2. 非饱和土力学特性 (9)3. COMSOL多物理场仿真软件介绍 (10)4. 相关文献综述及研究现状 (10)三、模型建立与问题定义 (11)1. 研究对象的确定及几何建模 (13)2. 材料参数与初始条件设定 (13)3. 动力学方程的建立及求解方法 (14)四、非饱和土中单桩垂直动力特性分析 (15)1. 单桩在垂直荷载下的静力特性分析 (17)2. 单桩在动力荷载下的响应分析 (17)3. 非饱和土对单桩动力特性的影响研究 (19)五、基于COMSOL的数值模拟与分析 (19)1. 数值计算模型的建立及验证 (20)2. 模拟计算过程及结果分析 (22)3. 模拟结果讨论与影响因素研究 (23)六、实验设计与实施 (25)1. 实验目的和实验方案的设计 (26)2. 实验设备与实验过程介绍 (27)3. 实验结果分析与讨论 (28)七、结论与展望 (29)1. 研究成果总结 (30)2. 对未来研究的展望与建议 (31)一、内容概述本文将介绍研究的背景与意义，阐述非饱和土中单桩垂直动力特性的重要性，以及其在工程实践中的应用价值。

随着土木工程建设规模的扩大和复杂性的增加，桩基作为重要的基础结构之一，其动力学特性分析成为了研究的热点和难点。

特别是在非饱和土条件下，单桩的动力特性更加复杂，对其进行深入研究有助于为工程实践提供理论支撑和指导。

本文将概述研究问题的现状，包括当前非饱和土中单桩垂直动力特性的研究现状、存在的问题以及研究的必要性。

尽管有关饱和土中单桩的动力特性研究已经取得了一定的成果，但对于非饱和土条件的研究仍然相对缺乏。

本文旨在填补这一研究空白，为非饱和土中单桩的动力特性分析提供新的思路和方法。