非饱和土状态相关本构关系及应用-哈尔滨工业大学深圳
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。
《2024年一个考虑结构性的非饱和土边界面本构模型及其验证》范文
《一个考虑结构性的非饱和土边界面本构模型及其验证》篇一一、引言非饱和土力学作为土力学的一个分支，研究的是非饱和状态下土的力学性质和行为。
非饱和土中水分与气体的存在对其力学特性有显著影响，而考虑土体结构性则能够更加真实地反映这一特性。
边界面模型是一种用来描述土体本构行为的重要理论模型，能够结合非饱和状态和结构性效应的特有表现。
本文旨在介绍一个考虑结构性的非饱和土边界面本构模型，并对其验证过程进行详细阐述。
二、非饱和土边界面本构模型的考虑结构性1. 模型概述本模型基于边界面概念，结合了非饱和土的特性和土体结构性的影响。
通过引入边界面参数，以及结合水气分布的考虑，建立了一个更加真实的描述土体本构行为的数学模型。
2. 模型中结构性的引入结构性指的是土体在应力作用下形成的骨架和微结构的变化对整体力学性能的影响。
在本模型中，通过引入微结构因子，对边界面本构关系进行修正，更好地反映了结构性对土体变形和强度的贡献。
三、模型的验证1. 实验设计为了验证模型的准确性，我们设计了一系列室内和现场实验。
室内实验主要针对不同饱和度、不同应力路径下的土样进行剪切实验；现场实验则是对具有典型代表性的工程地点进行监测，包括测量地面沉降和位移。
2. 数据采集与分析从实验中获得的数据被系统化地收集、整理和录入计算机中。
利用特定的软件进行数据处理和分析，得出实验过程中的应力-应变关系、体积变化等关键数据。
3. 模型验证将实验得到的数据与模型预测结果进行对比分析。
结果表明，在多种不同的条件下，该考虑结构性的非饱和土边界面本构模型均能较为准确地预测土体的本构行为，其预测值与实测值具有较高的一致性。
尤其是在结构性因素和水气分布方面，模型的预测精度有了显著提高。
四、结论本文提出并验证了一个考虑结构性的非饱和土边界面本构模型。
通过室内外实验数据的对比分析，验证了该模型的准确性和可靠性。
该模型在描述非饱和土的力学行为时，能够更加真实地反映结构性对土体本构行为的影响。
非饱和土固结的混合物理论(Ⅰ)
非饱和土固结的混合物理论(Ⅰ)
陈正汉;谢定义;刘祖典
【期刊名称】《应用数学和力学》
【年(卷),期】1993(14)2
【摘要】非饱和土是由土粒、水、气组成的三相介质,本文以混合物理论为基础研究了非饱和土的固结问题.文中导出了各向异性多孔介质及非饱和土的有效应力的理论公式,把有效应力原理和Curie对称原理作为非饱和土的两个重要的本构原理,建立了非饱和土固结的数学模型:由25个方程求解25个未知量.在增量线性化的情况下,本模型简化为5个控制方程求解5个未知量:3个固相位移、孔隙水压力和孔隙气压力.模型中包含7个材料参数,都可由试验测定,便于工程应用.Biot理论是本模型的特例.
【总页数】11页(P127-137)
【关键词】非饱和;土;固结;混合物理论
【作者】陈正汉;谢定义;刘祖典
【作者单位】后勤工程学院;陕西机械学院
【正文语种】中文
【中图分类】TU435
【相关文献】
1.浅析饱和土与非饱和土固结理论 [J], 李劲;
2.浅析饱和土与非饱和土固结理论 [J], 夏碧涛
3.饱和土与非饱和土固结理论及其联系与差别 [J], 成永杰
4.简析饱和土与非饱和土固结理论 [J], 刘帅
5.非饱和土固结的混合物理论(Ⅱ) [J], 陈正汉
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非饱和土本构关系的混合物理论_非线性本构方程和场方程
1 混合物理论
混合物 ( mixture) 是由几种不同性质 ( 物理性质或化学性质) 的单一物质混合形成的复杂介 质・ 这些物质的混合可以是局部和整体都均匀的混合 ( 如混合气体和混合溶液) ,也可以是局 部不均匀但整体均匀的混合 ( 如悬浮溶液和多孔介质) ・ 组成混合物的单一物质是混合物的组 ( ) 分 constituent ,混合物组分之间不仅可能存在相对运动 ,而且可能存在相互作用 ,甚至可能存 在物质转化 ( 如相变和化学反应) ・ 混合物理论 ( mixture theory) 就是研究混合物各组分运动规 律、 相互作用规律和相互转化规律以及混合物整体运动变化与外界对混合物作用之间关系的 理论体系・ 混合物理论以热力学理论为基础 , 是对单一物质连续统理论 [17 ,18 ] 的拓展 , 也称为相互作 用连续介质理论 ,具有很好的自恰性和系统性・ 混合物理论把混合物抽象为代表混合物各组 分连续介质的迭加物 ,混合物中任一点同时被各组分中的一个质点占据 ,这些相互迭加的连续 介质之间存在多种相互作用・ 1957 年 Truesdell [19 ] 建立了混合物的数学理论・ 该理论有 3 个基 本公设 :1) 混合物的性质完全由组分的性质决定 (All properties of the mixture must be mathemati2
( 1)
其中 , t 是时间 , x a ( 空间坐标) 是质点 Xa 在 t 时刻的空间位置 ・ 该方程也称为第 a 组分的形
) — 非饱和土本构关系的混合物理论 ( Ⅰ — — 非线性本构方程和场方程
113
变函数 ( deformation function) ・ 假设各组分的运动满足连续性公设 , 则方程 ( 1) 在空间点 x a 的 邻域内有唯一逆 Xa = Xa ( x a , t ) ・
《2024年非饱和—饱和状态变化条件下土质边坡稳定性分析》范文
《非饱和—饱和状态变化条件下土质边坡稳定性分析》篇一一、引言土质边坡的稳定性是地质工程领域中一个重要的研究课题。
边坡的稳定性不仅受到土体自身性质的影响，还受到环境因素如水分条件的变化的影响。
特别是在非饱和到饱和状态的变化过程中，土的物理力学性质发生显著改变，从而对边坡的稳定性产生重要影响。
本文旨在分析非饱和—饱和状态变化条件下土质边坡的稳定性，为边坡工程的设计和施工提供理论依据。
二、非饱和土质边坡的特性非饱和土质边坡的稳定性主要受到土的含水率、土的粒度分布、土的强度以及边坡的几何形态等因素的影响。
在非饱和状态下，土的强度较高，边坡的稳定性相对较好。
然而，当受到降雨、地下水位上升等外界因素的影响时，土的含水率增加，土质边坡会逐渐进入饱和状态。
三、饱和状态对土质边坡稳定性的影响随着土体从非饱和状态进入饱和状态，土的物理力学性质发生显著变化。
土的抗剪强度降低，内摩擦角和粘聚力减小，使得边坡的稳定性降低。
此外，饱和状态下，土体的渗透性增强，容易发生渗流破坏，进一步影响边坡的稳定性。
四、非饱和—饱和状态变化条件下边坡稳定性的分析方法为了分析非饱和—饱和状态变化条件下土质边坡的稳定性，可以采用以下方法：1. 实验室试验：通过室内试验，研究土体在非饱和和饱和状态下的力学性质，包括抗剪强度、内摩擦角、粘聚力等。
2. 数值模拟：利用有限元、有限差分等数值分析方法，模拟土质边坡在非饱和和饱和状态下的变形和破坏过程。
3. 现场监测：对实际工程中的土质边坡进行现场监测，收集边坡变形、渗流、地下水位等数据，分析边坡的稳定性。
五、案例分析以某地区土质边坡为例，分析其在非饱和—饱和状态变化条件下的稳定性。
通过实验室试验和数值模拟，发现该边坡在非饱和状态下稳定性较好，但在连续降雨等外界因素的影响下，边坡逐渐进入饱和状态，抗剪强度降低，内摩擦角和粘聚力减小，边坡的稳定性逐渐降低。
通过现场监测，发现边坡出现了明显的变形和渗流现象，需要采取相应的加固措施。
非饱和土力学
非饱和土力学引言非饱和土力学是土力学的一个分支，研究非饱和土壤的力学性质和行为。
饱和土壤是指土壤中的孔隙完全充满水分，而非饱和土壤是指土壤中的孔隙中同时存在气体和水分。
非饱和土力学的研究对于土壤工程、农业、环境科学等领域具有重要的意义。
本文将介绍非饱和土力学的几个重要概念和应用。
概念非饱和土壤的吸力非饱和土壤中存在着气体和水分。
由于毛细现象的存在，非饱和土壤中的水分会受到一定的吸力作用。
吸力是指土壤颗粒表面附近的环境中存在的气体与土壤孔隙中的水分之间的一种力。
吸力是非饱和土力学研究的基础，它与土壤的水分含量、孔隙结构等因素密切相关。
孔隙水压力非饱和土壤中的水分受到吸力作用，会产生一定的压力，称为孔隙水压力。
孔隙水压力是非饱和土力学中的一个重要概念，它描述了土壤中水分的分布和移动情况。
孔隙水压力的变化会影响非饱和土壤的力学性质和行为。
非饱和土壤的力学性质非饱和土力学研究的一个重要目标是揭示非饱和土壤的力学性质。
非饱和土壤的力学性质与饱和土壤有一些明显的差异。
例如，非饱和土壤的抗剪强度和变形特性会受到吸力和孔隙水压力的影响。
非饱和土壤的力学性质的研究对于土壤工程的设计和施工具有重要的指导意义。
应用土壤含水量测定非饱和土力学的研究需要准确测定土壤中的水分含量。
常用的方法有重量法、电容法、压力传感器法等。
这些方法可以测定不同吸力下土壤中的水分含量，从而揭示土壤的吸力特性和水分传输规律。
非饱和土壤的稳定性分析非饱和土壤的力学性质和行为与饱和土壤存在一定的差异。
因此，非饱和土壤的稳定性分析需要考虑吸力和孔隙水压力等因素对土壤的影响。
非饱和土壤的稳定性分析可以用于土壤边坡、挡土墙、基础等工程的设计和施工。
土壤水分调控非饱和土力学的研究成果可以应用于农业、环境科学等领域。
例如，在农业生产中，了解土壤中的水分分布和移动规律，可以合理调控土壤水分，提高植物的生长和产量。
此外，在环境科学研究中，非饱和土力学的研究成果可以用于土壤污染防治和土壤水源涵养等方面。
非饱和土土力学新PPT课件
库仑公式 本构模型
D uf can－cChantgg模型 ， 剑桥模型
屈服面
极限状态面
第3页/共54页
传统（经典）土力学的局限
固结理论
pw
1-D consolidation
k 2 pw pw
wm z2 t
(Lambe & Whitman,1969)
3-D consolidation
2 4 6 8 10 12 14 16 18
第24页/共54页
吸力的影 响
温度的影响
/kPa
非饱和土土力学理论
4、非饱和土的应力应变关系及本构模型
（1）弹性模型 Fredlund和Morganstern(1976)、Fredlund(1979)提出了基于双应力变量 ( ua ) 和 (ua uw )
第11页/共54页
非饱和土土力学理论
吸力随含水量变化，其表现形式不同
在第Ⅰ阶段，土体处于饱和状态，土孔 隙中为能够传递压力的自由水，没有水气接触面存在，也没有由表面张力产生 的毛细应力。
第Ⅱ阶段，为毛细作用发挥阶段。当基 质吸力超过最大空气进气值，土体开始 进入非饱和状态，含水率从饱和含水率 变化到塑限含水率，毛细应力开始快速 增加。
w ( p)
第26页/共54页
非饱和土土力学理论
4、非饱和土的应力应变关系及本构模型
（3）弹塑性模型（陈正汉）
屈服点的轨迹在p-s面内是一条曲线，在 p-q面内随吸力增加向外扩展，据此构建非饱和土的统一 屈服面模型。
p0 p0* ms n[e / patm 1]
吸力的影响
吸力 s(kPa)
200
k wm
2
pw
《2024年非饱和—饱和状态变化条件下土质边坡稳定性分析》范文
《非饱和—饱和状态变化条件下土质边坡稳定性分析》篇一非饱和-饱和状态变化条件下土质边坡稳定性分析一、引言随着气候变迁和自然环境的变化，土质边坡的稳定性问题日益突出。
特别是在非饱和与饱和状态变化条件下，土质边坡的稳定性分析显得尤为重要。
本文旨在探讨非饱和至饱和状态变化过程中，土质边坡的稳定性变化规律及其影响因素，以期为实际工程提供理论依据和参考。
二、非饱和状态下的土质边坡稳定性分析在非饱和状态下，土质边坡的稳定性主要受土壤的物理性质、气候条件、地质构造等因素的影响。
土壤的含水率、孔隙比、内摩擦角等物理性质对边坡稳定性具有重要影响。
此外，降雨、蒸发等气候条件也会对边坡的稳定性产生影响。
在非饱和状态下，土质边坡的稳定性分析主要通过极限平衡法、有限元法等方法进行。
这些方法可以分析土质边坡在各种条件下的应力分布、变形情况以及潜在滑移面的位置。
同时，结合实际地质资料和工程经验，可以对土质边坡的稳定性进行综合评价。
三、饱和状态下的土质边坡稳定性分析当土质边坡达到饱和状态时，其稳定性将受到更复杂因素的影响。
水分在土壤中的运动和渗透将导致土壤的有效应力发生变化，进而影响边坡的稳定性。
此外，雨水可能还会引发土壤侵蚀，导致边坡的破坏。
在饱和状态下，需要对土质边坡进行更为细致的稳定性分析。
除了继续运用极限平衡法和有限元法等方法外，还需要考虑水分的运动规律、渗透性等因素对边坡稳定性的影响。
同时，结合实际地质资料和工程经验，对土质边坡的饱和状态下的稳定性进行综合评价。
四、非饱和至饱和状态变化对土质边坡稳定性的影响在非饱和至饱和状态变化过程中，土质边坡的稳定性将受到多种因素的影响。
首先，水分的增加将改变土壤的物理性质，如含水率、孔隙比等，从而影响边坡的稳定性。
其次，水分的运动和渗透将改变土壤的有效应力分布，可能导致潜在滑移面的形成和发展。
此外，雨水还可能引发土壤侵蚀，加剧边坡的破坏。
在非饱和至饱和状态变化过程中，需要综合考虑各种因素对土质边坡稳定性的影响。
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专著目录
论文1：Influence of stress state on soil-water characteristics and slope stability
论文2：A new and simple stress-dependent water retention model for unsaturated soil
2018
（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Байду номын сангаас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）
论文3：Determination of the anisotropic shear stiffness of an unsaturated decomposed soil
论文4：Effects of wetting-drying and stress ratio on anisotropic very small strain stiffness of an unsaturated soil
论文9：Physical and Numerical Modeling of an Inclined Three-layer (silt/gravell y sand/clay) Capillary Barrier Cover System under Extreme Rainfall
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）
论文7：A new simple system for measuring volume changes in unsaturated soils
论文8：A numerical investigation of the stability of unsaturated soil slopes subjected to transient seepage
论文5：A state-dependent elasto-plastic model for saturated and unsaturated soils
论文6：Performance of an unsaturated expansive soil slope subjected to artificial rainfall infiltration
(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。
(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。
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/工程院院士及著名学者评价本项目成果“提出了应力状态相关持水曲线”、“发现了小应变模量受吸力路径显著影响”、“阐明了非饱和土剪胀（缩）状态相关性”、“最引人注目”、“唯一例外”。自主研发的垃圾填埋场覆盖系统获美国专利，被国家标准《生活垃圾卫生填埋处理岩土工程技术标准》采用；由于本项目建立的本构理论体系被广泛认可，新仪器被国内外200多家科研单位采用。项目组成员受邀作非饱和土国际学术会议主题/特邀报告10次以上。第一完成人近20年在土力学最权威四大国际期刊发表SCI论文数量居世界第一，担任第7届国际非饱和土学术大会主席，主讲了第20届黄文熙讲座，当选为国际土力学及岩土工程学会80年来首位华人主席。
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：