非饱和土本构关系及变形计算
饱和土与非饱和土固结理论的联系与差别
论饱和土与非饱和土固结理论的联系与差别 黄振育 （桂林理工大学，土木与建筑工程学院，岩土工程专业，102011187） 摘要：简述饱和土与非饱和土的固结理论的研究概况，总结饱和土与非饱和土固结理论的联系与差别，探讨非饱和土固结理论所存在的一些特点和困难。 关键词：饱和土；非饱和土；固结理论 Abstract ：This paper describes the overseas and domestic researches on the consolidation theory of saturated soil and unsaturated soil between which the correlation and difference of consolidation are summarized,further exploring and discussing the properties and difficulties in the consolidation theory of unsaturated soil. Key words ：Saturated soil；Unsaturated soil；Consolidation theory 1引言 在荷载作用下，土体中产生超孔隙水压力，在排水条件下，随着时间发展，土中水被排出，超孔隙水压力逐渐消散，土体中有效应力逐渐增大，直至超孔隙水压力完全消散的过程称为固结。土体在固结过程中，随土中水的排出，土体空隙比减少，土体产生压缩，体积变小；随着有效应力逐步增大，土体的抗剪强度提高。将饱和土的固结视为孔隙水压力的消散和土骨架有效应力相应增长的过程。非饱和土的孔隙中同时含有水气两相，固结过程中，土中水和气会发生相互作用，涉及两种介质的渗透性，而且非饱和土的渗透性受土的结构性影响非常显著。这些使非饱和土的固结过程非常复杂。因此，迄今为止，还没有公认的成熟且实用于工程建设的非饱和土固结理论。此论文仅分别简述了饱和土固结理论、非饱和土固结理论的研究概况，并简要总结分析了两者的差别与联系，以进一步对固结理论有系统的认识和理解。 2饱和土的固结理论的研究 Terzaghi(1943)导出了饱和土一维固结的经典理论。在推导过程中采用了若干假定，例如1、土是均质并饱和的；2、小应变情况；3、在固结过程中体积变化系数m v 和渗透系数K保持常数；4、水和土颗粒不可压缩。Terzaghi(1943)在这一系列假定的基础上，建立了著名的一维固结理论，并建立了一维渗透固结微分方程，即： 2v 2u u C z t ??=??（1）式中：v C —土的固结系数0v (1)v w v w k k e C m a γγ+==在一定初始条件和边界条件下，该方程是有解析解的。（1）式描述了固结过程中孔隙水压力随深度和时间的变化，孔隙水压力的变化引起有效应力的变化。为了计算体积变化，可将有效应力的变化代入本构方程，而该体积变化等于从饱和土中流出的水体积。计算出体积变化后，可用它来计算整个固结过程中土的体积—质量特性，如孔隙比、含水率和密度。实际上，土体的固结是复杂、多向的，由于没有考虑土体的侧向排水，用一维固结理论计算
土层渗透系数K的经验值
一、土层渗透系数 土层渗透系数K的经验值 土质名称K(m/d)土质名称K(m/d) 高液限黏土<0.001 砂细1～5 黏土质砂0.001～0.05中5～20含砂低液限黏 土 0.05～0.10粗20～50含砂低液限粉 土 0.10～0.50砾类土50～150低液限黏土 （黄土） 0.25～0.50卵石100～500粉土质砂0.5～1.0漂石（无砂质充填）500～1000 按土质颗粒大小的渗透系数K经验值 土质名称K(m/d) 黏土质粉砂0.01～0.074mm颗粒多 数 0.5～1.0 均质粉砂0.01～0.074mm颗粒多 数 1.5～5.0 黏土质细砂0.074～0.25mm颗粒多 数 1.0～1.5 均质细砂0.074～0.25mm颗粒多 数 2.0～2.5 黏土质中砂0.25～0.5mm 颗粒多数 2.0～2.5均质中砂0.25～0.5mm颗粒多数35～50黏土质粗砂0.5～1.0mm颗粒多数35～40
均质粗砂0.5～1.0mm颗粒多数60～75 砾石100～125二、计算渗水量 缺水文地质资料计算渗水量： Q=F1q1+ F 2q2式中：F1—基坑底面积，m2 q1—基坑每平方米底面积平均渗水量，m3/h F 2—基坑侧面积，m2 q2—基坑每平方米侧面积平均渗水量，m3/h q1基坑每平方米底面积平均渗水量，m3/h 序号土类土的特征及粒径渗水量m3/h 1细粒土质砂、 松软粉质土 基坑外侧有地表水，内侧为岸 边干地，土的天然含水量 <20%，土粒径<0.05mm 0.14～ 0.18 2有裂隙的碎石 岩层、较密实 的粘质土 多裂隙透水的岩层，有孔隙水 的粘质土层 0.15～ 0.25 3黏土质砂、黄 土层、紧密砾 土层 细砂粒径0.05～0.25mm，大孔 土质量800～950kg/m3, 砾石土 孔隙率在20%以下 0.16～ 0.32 4中粒砂、砾砂 层 砂粒径0.25～1.0mm，砾石含量 在30%以下，平均粒径10mm以 下 0.24～0.8 5粗粒砂、砾石 层 砂粒径1.0～2.5mm，砾石含量 在30～70%，平均最大粒径 150mm以下 0.8～3.0
土的本构模型综述
土的本构模型综述 1 土本构模型的研究内容 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，在受到外部荷载作用后，其变形具有非线性、流变性、各向异性、剪胀性等特点。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，即为土体的本构关系。自Roscoe等1958~1963年创建剑桥模型以来，各国学者相继提出了数百个土的本构模型，包括不考虑时间因素的线弹性模型、非线弹性模型、弹塑性模型和考虑时间因素的流变模型等。本文将结合土本构模型的研究进程，综合分析已建立的经典本构模型，指出各种模型的优缺点和适用性，并对土本构模型的未来研究趋势进行展望。 2 土的本构模型的研究进程 早期的土力学中的变形计算主要是基于线弹性理论的。在线弹性模型中，只需两个材料常数即可描述其应力应变关系，即E和v或K和G或λ和μ。其中邓肯张双曲线模型是研究最多、应用最广的非线弹性模型。20世纪50年代末~60年代初，土塑性力学的发展为土的本构模型的研究开辟了一条新的途径。Drucker等（1957年）提出在Mohr-Coulomb锥形屈服面上再加一组帽形屈服面，Roscoe等（1958年~1963年）建立了第一个土的本构模型——剑桥模型，标志着土的本构模型研究新阶段的开始。70年代到80年代，计算机技术的迅速发展推动了非线性力学理论、数值计算方法和土工试验的发展，为在岩土工程中进行非线性、非弹性数值分析提供了可能性，各国学者提出了上百种土的本构模型，包括考虑多重屈服面的弹塑性本构模型和考虑土的变形及内部应力调整的时间效应的粘弹塑性模型。此外，其他本构模型如土的结构性模型、内时本构模型等也是从不同角度描述土本构关系，有的学者则借用神经网络强大的自组织、自学习功能来反演土的本构关系。
非饱和土状态相关本构关系及应用-哈尔滨工业大学深圳
2018年度广东省科学技术奖公示表 （自然科学奖） 项目名称非饱和土状态相关本构关系及应用 主要完成单位广州市香港科大霍英东研究院哈尔滨工业大学(深圳) 主要完成人（职称、完成单位、工作单位）吴宏伟(教授、广州市香港科大霍英东研究院、广州市香港科大霍英东研究院；他是总体学术思想和研究方案的提出者，也是支持本项目所有科研资金的主要负责人，领导研究人员开展实验和理论研究。他是本项目10篇代表性论文的作者，并是其中8篇的第一作者） 陈锐（副教授、哈尔滨工业大学(深圳)、哈尔滨工业大学(深圳)；陈锐博士和吴洪伟教授共同研发了一系列非饱和土吸力测量仪器，包括新型土体吸力传感器和现场土壤水势测量仪等，也提出了全天候毛细阻滞覆盖系统，获得美国发明专利，他是其中1篇的通讯作者） 周超（讲师、广州市香港科大霍英东研究院、广州市香港科大霍英东研究院；周超博士和吴宏伟教授建立了应力状态土水特征曲线理论模型。本项目的10篇代表性论文里，他是其中2篇的第一作者/通讯作者） 项目简介本项目属土木工程的环境岩土工程领域。 非饱和土是固、液、气三相介质组成的多孔碎散材料，广泛存在于地表土层中，是所有自然边坡和人工构筑物的承载体。加深对非饱和土认知，是人类生存发展的永恒课题。非饱和土状态及力学行为随自然大气环境和地下水位的变化而变化，特别是21世纪以来极端气候条件频发和人类活动导致地下水位变幅大，非饱和土相关的灾害时有发生。Fredlund教授于1993年基于土壤学和弹性力学相关理论建立了经典非饱和土力学理论体系，其中持水本构关系忽略了土体应力状态的影响，应力-应变本构关系难以描述土体水分和应变状态相关的弹塑性力学行为，难以满足21世纪对垃圾填埋场覆盖系统、自然边坡、高铁路基等重大基础设施服役性能精准控制的要求。建立状态相关的非饱和土弹塑性本构理论是本学科国际前沿的科学难题。本项目经十几年探索与研究，取得如下原创性科学成果： (1) 发现了应力增加的最重要影响是改变土体孔隙分布，对持水性质起主导作用，建立了应力状态相关的持水本构关系，通过自主研发的应力控制压力板仪在国际上率先验证了应力提高土体持水能力，突破了基于土壤学的持水曲线忽略应力状态效应的局限性。 (2) 建立了吸力路径相关的各向异性小应变模量计算公式，通过弯曲元系统在国际上首次验证了干湿循环作用下土体孔隙水重分布，导致小应变模量的各向异性和吸力路径相关性，为干湿循环条件下非饱和的变形计算提供精确的方法。 (3) 发现了吸力影响土体结构和大应变剪胀（缩）的规律，推导了吸力状态相关的大应变剪胀（缩）本构关系，利用自主研发的双室高精度体变测量系统在国际上率先验证了吸力增加土体剪胀势，突破了经典非饱和土应力-应变本构关系忽略吸力状态效应的局限性。 基于以上三点重要科学发现，建立了状态相关非饱和土弹塑性本构模型，并基于本项目发明的一系列非饱和土测试仪器提出了简单可靠的本构模型参数标定方法，形成了状态相关的非饱和土力学理论体系，出版了《Advanced Unsaturated Soil Mechanics and Engineering》英文专著。 本项目在国际权威期刊上共发表SCI论文100余篇，他引5000多次。10篇代表性论文均发表在本学科公认顶级国际期刊，SCI他引300多次。研究成果获加拿大岩土工程协会颁发的大中华地区首个优秀论文奖等国内外科研奖励。中/美/加/英等国科学院
混凝土本构关系模型
一、混凝土本构关系模型 1.混凝土单轴受压应力-应变关系 （1）Saenz 等人的表达式 Saenz 等人（1964年）所提出的应力-应变关系为： ])()()( /[30 200εεεεεεεσd c b a E +++= （2）Hognestad 的表达式 Hognestad 建议模型，其上升段为二次抛物线，下降段为斜直线。所提出的应力-应变关系为： cu cu εεεσσεεσσεεεεεεεε≤≤-=≤-=--000 02,)]( 15.01[,])(2[0 00 （3）我国《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）中的混凝土受压应力-应变曲线，其表达式为： 1,)1(1 ,)1(2>+-=≤+-= x x x x y x x n nx y c n α r c x ,εε= ，r c f y ,σ= ，r c r c c r c c f E E n ,,,-=εε c α是混凝土单轴受压时的应力应变曲线在下降段的参数值，r c f ,是混凝土单轴抗压的 强度代表值，r c ,ε是与单轴抗压强度r c f ,相对应的混凝土峰值压应变。 2.混凝土单轴受拉应力-应变关系 清华大学过镇海等根据实验结果得出混凝土轴心受拉应力-应变曲线： 1 ],)1(/[)/(1 ,])(2.0)(2.1[7 .16≥+-?=≤-=t t t t t t t t t t εε εεεεεεεεεεασεεσσσ 3.混凝土线弹性应力-应变关系 张量表达式，对于未开裂混凝土，其线弹性应力应变关系可用不同材料常数表达，其中用材料弹性模量E 和泊松比v 表达的应力应变关系为： ij kk E ij E ij ij kk E ij E ij δσσεδεεσν ν νννν-=+=+-++1)21)(1(1
2017高等土力学试题-(1)
2017高等土力学 1.在土的弹塑性模型中, 屈服面和破坏面有何不同和有何联系？ 答：屈服面是土体的应力在应力空间上的表现形式，可以看成是三维应力空间里应力的一个坐标函数，因此对土体来说，不同的应力在应力空间上有不同的屈服面，但是破坏面是屈服面的外限，破坏面的应力在屈服面上的最大值即为破坏面，超过此限值土体即破坏。 2.何谓曼代尔－克雷尔效应？ 答：土体在固结的初期，内部会出现孔隙水压力不消散而是上升，布局地区孔隙水压力超过初始值的现象。此效应仅在三维固结中出现，而在一维固结试验中并没有出现，在Biot的“真三维固结”理论可以解释磁现象。 3.与剑桥模型相比，清华弹塑性模型可以反映土的由剪应力引起的体积膨 胀（剪胀）。说明它是如何做到这一点的。 答：清华模型的硬化参数是关于塑形体应变和塑形剪应变的函数，而剑桥模型不是；此外，清华模型的屈服面椭圆与强度包线的交点不是椭圆顶点，因此会有剪胀。 4.天然岩土边坡的滑坡大多在雨季发生，解释这是为什么。 答：天然岩土边坡的滑坡发生总结起来两个原因，其一抗滑力减小，其二下滑力增大。在暴雨的天气中，因为地表雨水的下渗导致岩土体的含水率增加，从而提高了岩土体的重量，增大了下滑力；下雨天气因为雨水的下渗，岩土体遇水软化的特性导致抗滑力减小；另外在渗透性好的岩土体中，岩土体内部雨水沿坡面下渗，渗透力会降低岩土坡体的安全系数，因此一上几方面的原因导致了滑坡大部分发生在雨季。 5.比奥（Biot）固结理论与太沙基－伦杜立克（Terzaghi-Randulic）扩散 方程之间主要区别是什么？后者不满足什么条件？二者在固结计算结 果有什么主要不同？ 答：区别：扩散方程假设应力之和在固结和变形过程中保持常数，不满足变形协调条件。 结果：比奥固结理论可以解释土体受力之后的应力、应变和孔压的生成和消散过程，理论上是严密计算结果也精确。比奥固结理论可以解释曼代尔-克雷效
ANSYS中混凝土的本构关系
一、关于模型 钢筋混凝土有限元模型根据钢筋的处理方式主要分为三种，即分离式、分布式和组合式模型。考虑钢筋和混凝土之间的粘结和滑移，则采用引入粘结单元的分离式模型；假定混凝土和钢筋粘结很好，不考虑二者之间的滑移，则三种模型都可以；分离式和分布式模型适用于二维和三维结构分析，后者对杆系结构分析比较适用。裂缝的处理方式有离散裂缝模型、分布裂缝模型和断裂力学模型，后者目前尚处研究之中，主要应用的是前两种。离散裂缝模型和分布裂缝模型各有特点，可根据不同的分析目的选择使用。随着计算速度和网格自动划分的快速实现，离散裂缝模型又有被推广使用的趋势。 就ANSYS而言，她可以考虑分离式模型(solid65+link8，认为混凝土和钢筋粘结很好，如要考虑粘结和滑移，则可引入弹簧单元进行模拟，比较困难！)，也可采用分布式模型(带筋的solid65)。而其裂缝的处理方式则为分布裂缝模型。 二、关于本构关系 混凝土的本构关系可以分为线弹性、非线性弹性、弹塑性及其它力学理论等四类，其中研究最多的是非线性弹性和弹塑性本构关系，其中不乏实用者。混凝土破坏准则从单参数到五参数模型达数十个模型，或借用古典强度理论或基于试验结果等，各个破坏准则的表达方式和繁简程度各异，适用范围和计算精度差别也比较大，给使用带来了一定的困难。就ANSYS而言，其问题比较复杂些。 1 ANSYS混凝土的破坏准则与屈服准则是如何定义的 采用tb,concr,matnum则定义了W-W破坏准则(failure criterion)，而非屈服准则(yield criterion)。W-W破坏准则是用于检查混凝土开裂和压碎用的，而混凝土的塑性可以另外考虑（当然是在开裂和压碎之前）。理论上破坏准则(failure criterion)和屈服准则(yield criterion)是不同的，例如在高静水压力下会发生相当的塑性变形，表现为屈服，但没有破坏。而工程上又常将二者等同，其原因是工程结构不容许有很大的塑性变形，且混凝土等材料的屈服点不够明确，但破坏点非常明确。 定义tb,concr matnum后仅仅是定义了混凝土的破坏准则和缺省的本构关系，即W—W 破坏准则、混凝土开裂和压碎前均为线性的应力应变关系，而开裂和压碎后采用其给出的本构关系。但屈服准则尚可另外定义(随材料的应力应变关系，如tb,MKIN,则定义的屈服准则是Von Mises,流动法则、硬化法则也就确定了)。 2 定义tb,concr后可否定义其它的应力应变关系 当然是可以的，并且只有在定义tb,concr后，有些问题才好解决。例如可以定义tb,miso,输入混凝土的应力应变关系曲线(多折线实现)，这样也就将屈服准则、流动法则、硬化法则等确定了。 这里可能存在一点疑问，即ANSYS中的应力应变关系是拉压相等的，而混凝土材料显然不是这样的。是的，因为混凝土受拉段非常短，认为拉压相同影响很小，且由于定义的tb,concr中确定了开裂强度，所以尽管定义的是一条大曲线，但应用于受拉部分的很小。 三、具体的系数及公式 1 定义tb,concr时候的两个系数如何确定 一般的参考书中，其值建议先取为~(江见鲸)，原话是“在没有更仔细的数据时，不妨先取~进行计算”，足见此~值的可用程度。根据我的经验和理由，建议此值取大些，即开裂的剪力传递系数取,（定要>）闭合的剪力传递系数取。支持此说法的还有现行铁路桥规的抗剪计算理论，以及原公路桥规的容许应力法的抗计剪计算。 2 定义混凝土的应力应变曲线
高等土力学试题()
一.回答下列问题： 1.何谓非饱和土的基质吸力? 举出一种非饱和土的强度公式。 2.三轴试验中的膜嵌入或顺变性（Membrane Penetration）对试验结果有什么影响？对什么土和什么类型的试验影响比较大？ 3.说明普朗特尔（Prandtl）和太沙基（Terzaghi）的地基极限承载力公式的基本假设条件和滑裂面形状。 4.何谓德鲁克（Drucker)假说？何谓相适应和不相适应的流动规则？对两种情况各举一个土的弹塑性模型。 5.某饱和砂土的固结不排水三轴试验结果如下图所示，在p－q 坐标定性绘出有效应力路径。应当如何确定这种土的有效应力强度指标？ σ1-σ3 q ε1 o p σ3 u 二. 选择一个问题回答： 1.在深覆盖层上修建土石坝时，坝体和覆盖层的防渗结构物主要有那些型式？各有什么优缺点？ 2.在地基处理方法中有哪些型式的复合地基桩？说明其适用范围。 三．最近在岩土工程界关于基坑支护土压力计算的讨论很热烈, 试谈谈你对土压力的“水土合算”与“水土分算”的看法 四. 某油罐地基工程采用堆载预压法进行地基加固，地基土的抗剪强度指标如图所示，已知中心点M处的自重应力为：σsz=40kPa, σsx=32 kPa. 当设计堆载压 力p＝200 kPa时在M点引起的附加压力σz=120 kPa,σx=30 kPa,分析M点是否 会破坏？应如何进行堆载才能防止地基破坏？ 粉质粘土 孔压系数A=0.4 c'=10Kpa H ?'=30? k=5?10-6cm/s 五．在一个高2米的铁皮槽中装有饱和的均匀松砂，其孔隙比e=0.85,砂的比重Gs=2.67,内摩擦角φ=32?。然后在振动时砂土发生了完全液化。由于槽壁位移，槽内的砂土的水平土压力是主动土压力，试计算砂土液化前后的槽壁上和槽底上的土压力和水压力。（10分） 饱和松砂 2．0米 六．回答下列问题： （一）说明高层建筑上部结构、基础和地基的相互作用关系。 （二）规范规定：一般粘性土中的预制桩，打入后15天，对软粘土，打入后21天，才能进行静载试验，为什么？ （三）为什么对于小型建筑物地基一般是承载力控制；对于大型建筑物地基一般是沉降控制？ （四）有一个建筑物的地基承载力基本值是120kPa，要求的设计承载力是250kPa，设计者在原地基上增加了70厘米厚的水泥土
弹塑性本构关系的认识及其在钢筋混凝土中的应用浅谈_塑
弹塑性本构关系的认识及其在钢筋 混凝土结构中的应用浅谈 摘要：本文首先对弹塑性本构关系和钢筋混凝土材料的本构模型作了简要概述，然后结合上课所学知识和自己阅读的几篇文章，从材料的屈服准则、流动准则、硬化准则和加载卸载准则等四个方面详细阐述了弹塑性本构关系。最后，结合上述准则简要论述了混凝土这一常用材料在地震作用下的弹塑性本构关系。 关键词：弹塑性本构关系，钢筋混凝土，地震 Understanding of Elastoplastic Constitutive Relation and a Brife Talk of Its Aapplication to Reinforced Concrete Structure Abstract：This paper firstly makes a brief overview about elastoplastic constitutive relation and reinforced concrete constitutive model. Then，elaborating the elastoplastic constitutive relation from the four aspects of material yield criterion，flow rule，hardening rule，loading and unloading criterion based on what I have learned in class and reading from a few articles. Lastly，a simply introduction on the elastoplastic constitutive of reinforced concrete under earthquake is demonstrated. Keywords：elastoplastic constitutive relation; reinforced concrete structure; earthquake 1 引言 钢筋混凝土结构材料的本构关系对钢筋混凝土结构有限元分析结果有重大的影响，如果选用的本构关系不能很好地反映材料的各项力学性能，那么其它计算再精确也无法反映结构的实际受力特征。所谓材料的本构关系，主要是指描述材料力学性质的数学表达式。用什么样的表达式来描述材料受力后的变化规律呢？不同的学者根据材料的性质、受力条件和大小、试验方法以及不同的理论模型等因素综合考虑，建立了许多种钢筋混凝土材料的本构关系表达式。 材料的本构关系所基于的理论模型主要有：弹性理论、非线性弹性理论、弹塑性理论、粘弹性理论、粘弹塑性理论、断裂力学理论、损伤力学理论、内时理论等。迄今为止，由于钢筋混凝土材料的复杂因素，还没有一种理论模型被公认为可以完全描述钢筋混凝土材料的
非饱和土
非饱和土基质吸力量测试验研究与探讨 摘要：土－水特征曲线能够解释非饱和土力学的许多力学特性。土－水特征曲线的获取依赖于试验设备、试验技术、试验方法，土－水特征曲线的准确获取能够促进非饱和土力学的发展。结合目前的非饱和土力学研究，对现有主要非饱和基质吸力量测试验进行了归纳总结。关键词：非饱和土；土－水特征曲线；基质吸力；量测试验 0 引言 非饱和土已是目前国内外土力学研究的热点和难点，其应用范围越来越广，诸如边坡工程，路基工程，基坑工程，河堤工程，湿陷性黄土，膨胀土及核废料封堵材料等领域。非饱和土的土水特征曲线是解释非饱和土工程现象的一项本构关系，一切非饱和土的基本特性研究均通过吸力作为内在联系的纽带。非饱和土力学的发展对测试手段和仪器设备依赖性更为强烈。以前试验测试落后是非饱和土力学发展迟缓的原因之一。上世纪80 年代以来，现代测试技术及计算机技术的发展，是非饱和土得以发展的基础之一。因此，测试设备及准确试验数据资料是非饱和土力学研究的重要前提和基础。目前，非饱和土的基质吸力量测仍受到测试设备的制约。 1 土水特征曲线 土－水特征曲线( SWCC) 是指土中基质吸力ψ( ua－uw )与体积含水率θ w( Vw /V)或重力含水率Ww( gw /g)或饱和度S( Vw /V)之间的函数关系。它是用来解释非饱和土性状的主要本构关系。它将理论、实验测试与预测方法有机地联系起来。非饱和土的土－水特征曲线对于研究非饱和土力学性质、渗透系数、抗剪强度有重要意义。 2 量测基质吸力的方法 室内土－水特征曲线量测可分两个部分，大致以1500kPa 为界。对于基质吸力范围0～10000 kPa 并不都是最优的，有些方法还有待进一步改进，对于高吸力范围的基质吸力量测采用饱和盐溶液法(气相法)。 2. 1 张力计法 张力计由陶土头、腔体、集气室、计量指标器等部件组成。陶土头是仪器的感应部件，具有许多微小的孔隙，陶土头被水浸润后，在孔隙中形成一层水膜。当充满水且密封的张力计插入水分不饱和的待测土体中，水膜就与待测土体发生水力联系。直至两个系统的水势平衡。当忽略了重力势、温度势、溶质势后，系
高等土力学教材 第三章 土的强度
第三章 土的强度 3.1 概述 土与人类的关系十分密切。在人类进化发展的上万年历史中，挖沟筑堤，疏河开渠，建造房屋殿宇、庙堂墓塔，首先涉及的是土的强度问题。长期实践经验的积累，使人们对土的强度的重要性有了较深刻的理解。 土的强度理论研究甚至早于“土力学”学科的建立，亦即早在太沙基（Terzaghi ）1925年出版其著作《土力学》之前。1776年，库仑（Coulomb ）就在试验的基础上提出了著名的库仑公式： ?στtg c f += (3.1.1) 1900年莫尔（Mohr ）提出：在土的破坏面上的抗剪强度是作用在该面上的正应力的单值函数： )(f f f στ= (3.1.2) 这样，库仑公式（3.1.1）只是在一定应力水平下式（3.1.2）的线形特例。从而建立了著名的莫尔－库仑强度理论。 在随后的许多年中，人们针对莫尔－库仑强度理论中抗剪强度与中主应力无关的假设，进行了大量的中主应力对土抗剪强度影响的研究，并且企图在土力学中引进广义密塞斯（Mises ）和广义屈雷斯卡（Tresca ）强度理论， 但它们与土的强度性质实在相差太大。只有到了20世纪60年代以后，随着计算机技术的发展及大型土木工程的兴建，关于土的应力－应变－强度－时间关系即本构关系的研究广泛开展，人们才逐步认识到土的强度与土的应力－应变关系是密不可分的，它是土受力变形过程的一个阶段；并进一步认识到除剪切强度以外，还有拉伸强度、断裂及与孔隙水压力有关的土的破坏问题。这样，一些与土的本构模型相应适应的土强度准则也相继被提出。另一方面，人们也力图从微观机理上研究土的强度及建立强度理论；探索原状土、非饱和土、区域性土和老粘土等的强度问题。 源于土的碎散性、多相性和在长期地质历史造成的多变性，土的强度也呈现其特殊性。 首先，由于土是碎散颗粒的集合，它们之间的相互联系是相对薄弱的。所以土的强度主要是由颗粒间的相互作用力决定，而不是由颗粒矿物的强度本身直接决定的。土的破坏主要是剪切破坏，其强度主要表现为粘聚力和摩擦力，亦即其抗剪强度主要由粒间的粘聚力和摩擦力组成。而土是三相组成的，固体颗粒与液、气相间的相互作用对于土的强度有很大影响，所以引入了孔隙水压力、吸力等土力学所特有的影响土强度的因素。土的地质历史造成土强度强烈的多变性、结构性和各向异性。土强度的这些特点体现在它受内部和外部、微观和宏观众多因素的影响，成为一个十分复杂的课题。 不同的土试样（它一般是代表一个受力均匀的土单元）在不同条件下的加载试验，可得到不同的应力－应变关系。一般可表示为图3-1-1中的几种情况。对于不同的应力应变关系，其破坏的确定也是不同的。 σ ② σ σ ① ① ② ε ε (a)应变硬化 (b) 应变软化 图3.1.1 几种土的应力应变关系曲线
岩土本构综述
文章编号（黑体加粗）：1000－7598－(2003) 02―0304―03（编号用Times New Roman） 饱和土本构模型研究进展 摘要：自20世纪50年代以来，随着计算机技术的发展，许多能够描述饱和土体复杂力学行为的本构模型相继被提出来，但由于模型数量较多，很多模型较为复杂，因此不被工程师们所接受。综述近60年来饱和土体静力本构和动力本构的发展情况，对每种模型进行简单的介绍，以求尽可能多的囊括近年来较为成熟的各类模型，便于工程师与科研工作者对这些模型有所了解，并能在工程中进一步完善和应用。 关键词： 中图分类号：TU 443（Times New Roman）文献标识码：A Advance in research on constitutive model of saturated soil Abstract: s ince 1950’s, with the development of computer science, many constitutive models were proposed to describe the complicated nature of saturated soil. However, the number of the new model is too large and many of them are not accepted by engineers. We review the development of saturated soil constitutive and soil dynamics constitutive in nearly 60 years, and introduce as many relevant maturity models briefly as possibly in order to make engineers and scientists know about these models and utilize them in real projects. Key words: 1.引言 土作为一个自然形成的天然材料，具有复杂的物理力学性质，普遍认为用统一的土的本构模型完全模拟土的物理力学性质是十分困难的[1]，现有的模型普遍都具有局限性。土体依据颗粒大小，矿物组成等物理性质分为有粘性土与无粘性土，而两类土在力学性质上有很大的不同，尤其是其作为多孔介质材料时，与水发生相互作用，其表现出来的力学性质更是相差甚远。对于同种土不同的含水量也会影响土的力学性质。因此多年来，为了能够较细致的描述土的力学性质，人们一直在针对不同的土给出不同的力学模型，而研究对象也逐渐从饱和土到非饱和土过度。为了适应与更广泛的工程应用，统一的力学模型也是必不可少的。人们运用连续体力学，多孔介质材料力学与混合物理论，给出了土体运动和变形所要满足的各类平衡条件，为了进一步对土体的具体的力学特性进行描述，还需要建立土体的本构方程。 对于材料的本构关系的论述最早可追溯到胡克定律，而摩擦型材料需要在线性广义胡克定律的条件下，给出描述摩擦型材料力学特性的莫尔库仑准则。人们最初将土视作为摩擦型材料，因此莫尔库仑模型在很长一段时间被应用到各类岩土工程问题中，直到现在，人们仍然视莫尔库仑准则为土体的破坏准则。在计算机尚不发达的年代，莫尔库仑型理想弹塑性本构模型作为能够模拟摩擦型材料剪切特性的模型起着主导的作用。随着试验技术的发展和越来越多的高精度试验设备的开发，土体越来越多的特性被人们所了解，比如剪胀性，各向异性，结构相关性以及非饱和土的特性在近几十年受到广泛的关注。计算机的发展使得人们可以使用更为复杂的非线性本构关系来描述原本使用莫尔库仑理想弹塑性模型无法描述的土体力学特性[2]。但是许多很好的模型并没有在工程中得以应用，在进行有限元分析时存在诸多问题。本文将对过去几十年来较为成熟的饱和土体静动力本构模型的研究状况进行简单介绍，以便于更多的工程师对这些模型有所了解，并将这些模型应用于实际工程中去。 2.土体静力本构模型研究进展 土体静力本构模型建立了土体在受到静态荷载作用下应力与应变的关系，对于不同的土体，因其密度，受力状态，排水条件等的不同其表现出的应力应变关系有很大的不同[3]。因此，往往人们在建
2017高等土力学题目汇总.pdf
一、填空题 1.饱和土体上的总应力由土骨架承担的有效应力和由孔隙承担的孔隙水压力组成，土的强度及变形都是由土的有效应力决定的。 2.莱特邓肯屈服准则在常规三轴压缩实验中，当φ=0°时它在π平面上的屈服与破坏轨迹趋近于一个圆；当φ=90°时，它退化为一个正三角形。由于在各向等压??1=??2=??3时??1 3??3=27,所以K f >27是必要条件，因为静水压力下不会引起材料破坏。 3. 东海风力发电桩基础有8根。 4.通过现场观测与试验研究，目前认为波浪引起的自由场海床土体响应的机制主要取决于海床中孔隙水压力的产生方式。孔隙水压力产生方式有两种：超孔隙水压力的累积（残余孔隙水压力）、循环变化的振荡孔隙水压力 5.目前计算固结沉降的方法有（）、（）、（）及（）。 答案：弹性理论法、工程实用法、经验法、数值计算法。 6.根据莫尔—库伦破坏准则，理想状态下剪破面与大主应力面的夹角为（ ）。答案：45°+φ/2 7.土的三种固结状态：欠固结、超固结、正常固结。 8.硬化材料持续受力达到屈服状态后的变化过程：屈服 硬化破坏9.相对密实度计算公式I D =????????-??????????-????????。 10.静力贯入试验的贯入速率一般为2cm/s 。 11用一种非常密实的砂土试样进行常规三轴排水压缩试验， 围压为100kPa 和3900kPa ，用这两个试验的莫尔圆的包线确定强度参数有什么不同？ 答：当围压由100kPa 增加到3900kPa 时，内摩擦角会大幅度降低。
12.塑性应力应变关系分为_____理论和_____________理论两种 增量（流动）、全量（形变） 13.三轴剪切试验依据排水情况不同可分为（）、（）、（） 答案：不固结不排水剪、固结不排水剪、固结排水剪。 14.一种土的含水量越大，其内摩擦角越（小）。 15.剑桥模型（MCC）中的5个参数一次是M VCL中的гλ，以及弹性部分的K υ。 16.剑桥模型的试验基础是正常固结土和超固结土试样的排水和不排水三轴试验。 17.一般情况下，石英砂的内摩擦角为29~33°° 二、简答题 1.影响土强度的一般物理性质？ 答：1.颗粒矿物成分 2.粗粒土颗粒的几何性质 3.土的组成颗粒级配 4.土的状态5.土的结构 6.剪切带的存在对土强度的影响。 2.简述波浪在浅水中传播时有哪些变化？ 答：①波浪守恒； ②波能守恒与波浪浅水变形； ③波浪折射； ④波浪的反射与绕射； ⑤波浪的破碎。
浅谈混凝土的本构关系
浅谈混凝土的本构关系 Y 摘要：混凝土是一种广泛应用的材料，其力学特性的研究对充分发挥材料强度、提高设计水平、降低工程造价具有十分重要的意义。本文简要回顾了混凝土本构关系的发展，系统的介绍了混凝土本构关系理论模型的研究现状，总结了在特定环境下混凝土本构关系的新成果，并对目前混凝土本构关系研究中存在的问题进行了阐述，最后对混凝土本构关系的发展进行了展望。 关键词：混凝土；本构关系；新成果；问题；展望 混凝土因其所具有的许多优点（如可根据不同要求配制各种不同性质的混凝土、可模性好、硬化后具有抗压强度高和耐久性良好等特性，与钢筋之间有比较牢固的粘结力、能制作钢筋混凝土结构和构件，其组成材料中砂、石等地方材料占80%以上，符合就地取材和经济的原则等）已成为现今土木工程中应用最广泛的建筑材料之一。混凝土是由胶凝材料（水泥等）、骨料（砂、石等）和水以及其它组分（外加剂、掺合料等）按适当的比例配合，拌制成混合物，经过一定时间硬化而成的，因此混凝土的综合力学和物理性质既取决于其各组分的性质、配合比以及各相之间力学、物理或化学的相互制约机理等要素又与制作工艺（搅拌、成型、养护等）和周围环境等均有关系。就力学特性而言混凝土材料与相对比较均匀的金属材料相比要复杂得多。在传统的混凝土结构分析中，由于受到计算能力的限制，以及对材料本身性能了解不足，对构件与结构分析一般在线弹性范围内进行，而早期的混凝土构件与结构相对比较简单，因此这种分析方法在当时起到了一定的作用。但是随着混凝土在复杂结构中的广泛应用，需要对结构进行比较精确的分析。这时简单但比较粗糙的线弹性本构模型的局限性显露了出来。电子计算机的飞速发展与计算理论的发展不仅使复杂的空间形式所带来的计算困难得到解决，也使得尽管复杂但精确的本构模型的应用成为可能。因此，本文对混凝土本构关系的发展进行了简要回顾，综述了本构关系研究现状以及新成果，提出了目前尚需解决的主要问题和今后发展方向。 1 混凝土本构研究的历史 真正现代意义上的混凝土本构关系研究可以说是1943年Whitney所进行的混凝土受压全过程的实验研究,他利用刚性实验机得到了混凝土极限强度后的软化阶段,从而认识到混凝土的软化后强度特性。20世纪50年代随着连续介质力学及不可逆热力学的发展,系统的材料本构理论研究兴起,由此产生了混凝土的经典塑性模型、非线性弹性模型、非经典塑性模型和损伤本构模型等众多研究成果。 至今,实际工程中应用最广泛的还是源自实验、计算精度有保证、形式简明和使用方便的非线弹
浅谈混凝土的本构关系
浅谈混凝土的本构关系 Y 摘 要：混凝土是一种广泛应用的材料，其力学特性的研究对充分发挥材料强度、提高设计水平、降低工程造价具有十分重要的意义。本文简要回顾了混凝土本构关系的发展，系统的介绍了混凝土本构关系理论模型的研究现状，总结了在特定环境下混凝土本构关系的新成果，并对目前混凝土本构关系研究中存在的问题进行了阐述，最后对混凝土本构关系的发展进行了展望。 关键词：混凝土；本构关系；新成果；问题；展望 混凝土因其所具有的许多优点（如可根据不同要求配制各种不同性质的混凝土、可模性好、硬化后具有抗压强度高和耐久性良好等特性，与钢筋之间有比较牢固的粘结力、能制作钢筋混凝土结构和构件，其组成材料中砂、石等地方材料占80%以上，符合就地取材和经济的原则等）已成为现今土木工程中应用最广泛的建筑材料之一。混凝土是由胶凝材料（水泥等）、骨料（砂、石等）和水以及其它组分（外加剂、掺合料等）按适当的比例配合，拌制成混合物，经过一定时间硬化而成的，因此混凝土的综合力学和物理性质既取决于其各组分的性质、配合比以及各相之间力学、物理或化学的相互制约机理等要素又与制作工艺（搅拌、成型、养护等）和周围环境等均有关系。就力学特性而言混凝土材料与相对比较均匀的金属材料相比要复杂得多。在传统的混凝土结构分析中，由于受到计算能力的限制，以及对材料本身性能了解不足，对构件与结构分析一般在线弹性范围内进行，而早期的混凝土构件与结构相对比较简单，因此这种分析方法在当时起到了一定的作用。但是随着混凝土在复杂结构中的广泛应用，需要对结构进行比较精确的分析。这时简单但比较粗糙的线弹性本构模型的局限性显露了出来。电子计算机的飞速发展与计算理论的发展不仅使复杂的空间形式所带来的计算困难得到解决，也使得尽管复杂但精确的本构模型的应用成为可能。因此，本文对混凝土本构关系的发展进行了简要回顾，综述了本构关系研究现状以及新成果，提出了目前尚需解决的主要问题和今后发展方向。 1 混凝土本构研究的历史 真正现代意义上的混凝土本构关系研究可以说是1943年Whitney 所进行的混凝土受压全过程的实验研究,他利用刚性实验机得到了混凝土极限强度后的软化阶段,从而认识到混凝土的软化后强度特性。20世纪50年代随着连续介质力学及不可逆热力学的发展,系统的材料本构理论研究兴起,由此产生了混凝土的经典塑性模型、非线性弹性模型、非经典塑性模型和损伤本构模型等众多研究成果。 至今,实际工程中应用最广泛的还是源自实验、计算精度有保证、形式简明和使用方便的非线弹性类本构模型。 2 现有混凝土本构关系模型 2.1 线弹性类本构模型 线弹性类本构模型是以弹性力学为基础的模型,当混凝土无裂缝时，将混凝土看成线弹性匀质材料而采用线弹性本构模型.虽然混凝土的变形特性是非线性的,但在一些特定的情况下(比如描述混凝土受拉时的工作性能),采用线弹性类本构模型进行分析还是有足够的精度的.其线弹性本构关系可用广义虎克定律来表示: kl ijkl ij C ∈=σ 式中，ijkl C 为材料弹性常数，为四阶张量，共有81个常数。 按照材料假设的不同，又可分为各向异性本构模型，正交各向异性本构模型，各向同性本构模
混凝土本构关系总结
作业1：总结典型的混凝土本构模型类型，并就每种类型给出有代表性的几个模型 按照力学理论基础的不同，已有的本构模型大致分为以下几种类型：以弹性理论为基础的线弹性和非线性弹性本构模型；以经典塑性理论为基础的弹全塑性和弹塑性硬化本构模型；用内时理论描述的混凝土本构模型等。 1、 混凝土单轴受力应力—应变关系 1.1 混凝土单向受压应力—应变关系 1、 saenz 等人的表达式 saenz 等人（1964年）所提出的应力—应变关系为 023 0000 = 1(2)(21)()()S E E E ε σεεε αααεεε++---+ 1 E u u 1 E 图1 混凝土单轴 受压应力--应变关系 2、 Hognestad 的表达式 Hognestad 建议的模型，其应力—应变曲线的上升段为二次抛物线，下降段为斜直线，如图2所示，表达式为 2000 =[2 ()]εε σσεε- 0εε≤ 0 00 =[1-0.15( )]cu εεσσεε-- 0cu εεε≤≤
u u 图2 Hognestand 建议的应力--应变关系 3、 GB50010—2002建议公式 我国《混凝土结构设计规范》所推荐的混凝土轴心受压应力—应变关系为0 1ε ε≤（上升段） 3000 [(32)(2)()]a a a εε σααασεε=+-+- 01ε ε>（下降段） 0 0200 /(-+c εεσσεεαεε= 1） 式中，a α表示应力—应变曲线的上升段参数；c α为下降段参数。 4、 CEB —FIP 建议公式 CEB —FIP 模式规范建议的单轴受压应力—应变关系为 2 0000(/)(/)1(2)(/) k k εεεεσσεε-=+- 式中，k 为系数，00(1.1)(/)C k E εσ=,C E 为混凝土纵向弹性模量。 2、混凝土非线性弹性本构模型 1、 混凝土非线性弹性全量型本构模型 当材料刚度矩阵[]D 用材料弹性模量E 和泊松比ν表达，则为全量E-ν型；如果材料的刚度矩阵[]D 用材料模量K 和剪变模量G 表达，则为全量K —G 型。 在全量本构模型中，关键是要合理确定材料参数E 和ν随应力状态变化的规律。 Ottosen 本构模型的建立过程可分为四个步骤：建立强度和开裂准则；定义非线性指标 β；建议采用的割线模量S E ;建议采用的泊松比s ν。