超固结土的弹粘塑性本构关系

Time-dependent behaviour of clays is known as viscosity. The phenomema related to viscosity of clays include creep and rate dependency, which would change the engineering properties of clays and result in such engineering problems as ground settlements and landslides. Therefore, numerous studies on viscosity have been done and large numbers of constitutive models have been built to describe viscoplasticity of clays. However, the existing models can neither describe stress-dependency of creep nor reflect shear dilatancy and strain-softening of over-consolidated clays. So this project plans to research time-dependent stress-strain behaviour of clays, based on creep and rate tests on saturated clays as well as analyses on the lots of existing experimental data. Through considering the co-effect of creep and rate dependency, one-dimensional stain-stress-time-rate relationship will be formulated. Besides, the fomula of the relationship is to be combined with the over-consolidated clay model proposed by the applicants to build an elastic visco-plastic model which will be able to describe over-consolidated clays with time-dependency. Finally the proposed model is going to be incorperated into the finite element analysis softwares to simulate practical problems of geotechnical engineering.

土的应力应变关系时间相关性被称作粘性。与土粘性相关的现象包括蠕变和加载率效应，它们会使土的工程性质发生改变，进而导致地基沉降以及边坡失稳等工程问题。因此，长期以来人们对粘土的应力应变关系时间相关性进行了大量的试验研究，并建立了许多本构模型来描述土的粘塑性本构关系。但是，目前的本构模型对土的蠕变压力依存性等粘性基本规律的描述还有所欠缺，同时也不能合理反映土在时间效应下产生超固结后所具有的剪胀、软化等性质。本项目拟在对饱和粘土的蠕变及加载率效应进行试验探索的基础上，研究蠕变和加载率影响下的饱和粘土应力应变特性，并通过蠕变的压力依存性来考虑蠕变和加载率效应的耦合，构造饱和粘土新的简单合理的一维应力-应变-时间-加载率关系框架，将其与申请者提出的超固结土本构模型结合以实现时间效应与超固结的耦合，建立三维弹粘塑性本构模型，最后将新本构模型嵌入到有限元程序以模拟实际的岩土工程问题。

岩土材料具有特殊复杂的力学特性，特别是高大填方工程的变形和稳定性控制等重大工程问题，都亟需更加精准、合理、实用的本构模型和强度理论支持相关大型复杂的数值分析计算。本项目的主要研究内容是通过试验研究探索应力应变关系时间相关性，根据试验所得与超固结土统一硬化模型结合，建立弹粘塑性本构模型。主要研究成果是：基于蠕变规律，建立了考虑时间效应的UH模型，该模型在UH模型的基础上考虑时间效应，能够描述土的剪切蠕变、松弛、速率效应等粘性规律，能够反映土的剪胀、软化等超固结性质；将温度变化对黏土体积和强度参数的影响引入超固结土等向应力-应变-时间关系，建立了超固结土的热黏弹塑性本构模型；将所建立的考虑时间效应的超固结土统一硬化模型推广为能够考虑K0各向异性的弹黏塑性模型；考虑到临界状态实际上是土在一定的加载速率作用下表现出的破坏规律，建立了率相关弹黏塑本构模型；以瞬时正常压缩线为参考线，引入弹性瞬时压缩线，提出了可以同时考虑时间和应力历史影响的高填方地基一维蠕变沉降计算方法，用该方法预测实际工程沉降效果良好。基于有限元软件的二次开发平台，把上述UH模型用于有限元分析。 .上述成果是土的统一硬化本构理论的组成部分，具有物理概念清晰、理论推导严密、模型参数易确定，有极强的兼容性和再发展性的特点。其中蠕变计算方法被编入《湿陷性黄土地区建筑规范》。在国家自然科学基金支持下的系列研究成果“土的统一硬化本构理论”获 2016年度高等学校科学研究优秀成果奖自然科学奖一等奖。