土体结构性的数学模型_21世纪土力学的核心问题
CT扫描技术在我国土工试验中的应用研究进展
CT扫描技术在我国土工试验中的应用研究进展王艳丽;程展林【摘要】介绍岩土CT可视化系统的特点,总结CT扫描技术在土工试验中的应用情况,包括黄土、冻土、膨胀土、粗粒土等土体的初始结构观测与结构性演化方面的研究进展,指出开发定量的计算机图像分析系统,通过CT细观结构图像来建立土体数值模型和开发研制动态试验CT扫描设备是今后应予以深入关注的研究方向.【期刊名称】《地震工程学报》【年(卷),期】2015(037)0z1【总页数】5页(P35-39)【关键词】CT技术;土工试验;结构演化;动态试验【作者】王艳丽;程展林【作者单位】长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室,湖北武汉430010;长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室,湖北武汉430010【正文语种】中文【中图分类】TU411.92土是由岩石经过风化后产生的松散物集合体,土体的宏观工程性质受微细结构状态和变化规律影响。
土体微细结构的多样性和易变性决定了土体工程性质在宏观上的非连续性、不均匀性、各向异性和非确定性[1]。
土体微细结构的变化规律及其对宏观力学行为影响的研究是近年来岩土学术界和工程界的前沿课题,也是未来岩土工程研究的发展趋势[2]。
土工试验是认识土体材料特性和揭示土工问题的重要手段,传统的土工试验是建立在材料均质假设基础上的宏观应力和应变的测试。
近年来许多学者开始重视土体的微细观力学行为,认识到宏观的变形破坏由微细结构变形的累积扩展而成,掌握微细结构变形破坏的规律可以为岩土工程出现的问题给出更科学的解释。
土体微细结构研究的试验方法有多种,如压汞法、气体吸附法、X射线分析法、扫描电镜法、计算机断面成像技术(CT技术)等。
其中CT技术因具有无损、动态、定量检测且分层识别材料内部组成与结构信息、高分辨率数字图像显示等优点而倍受国内外工程领域及学术界的重视。
近年来,CT技术在材料的无损检测和内部结构及结构性演化方面取得了长足的进展,研究对象包括岩石、混凝土、沥青、水泥、煤炭、黄土、膨胀土、冻土、粗粒土、红黏土、根植土和加筋土等,研究方向涉及材料的细观结构分析、物质的迁移和利用CT图像建立岩土材料数值模型等方面。
土的本构结构
土的本构关系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,在受到外界荷载作用后,其变形具有以下特性：①土体的变形具有明显的非线性,如:土体的压缩试验e～p 曲线、三轴剪切试验的应力—应变关系曲线、现场承载板试验所得的p～s曲线等; ②土体在剪切应力作用下会产生塑性应变,同时球应力也引起塑性应变; ③土体尤其是软粘土,具有十分明显的流变特性;④由于土体的构造或沉积等原因,使土具有各向异性; ⑤紧砂、超固结粘土等在受剪后都表现出应变软化的特性; ⑥土体的变形与应力路径有关,证明不同的加载路径会出现较大的差别; ⑦剪胀性等。
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: 土体的本构关系。
自从Roscoe等人首次建立了剑桥模型以来, 土的本构关系的研究经历了一个蓬勃发展的阶段, 出现了一些具有实用价值的本构模型。
虽然很多的理论为建立土的本构关系提供了有力的工具, 但是由于土是一种三相体材料, 在性质上既不同于固体也不同于液体, 是介于两者之间的特殊材料, 所以人们常借助于固体力学或流体力学理论, 同时结合工程实践经验来解决土工问题, 从而研究土的本构关系形成了自己一套独特的方法—半理论半经验的方法。
建立一个成功的本构关系关键有两点：第一要建立一个函数能较好地反映土在受力下的响应特征；第二要充分利用试验结果提供的数据比较容易地确定模型参数。
模型都需要满足以下基本条件：（1）不违背更高一级的基本物理原理（如热力学第一、第二定律）。
（2）建立在一定的力学理论基础之上（如弹性理论、塑性理论等）。
（3）模型参数能够通过常规试验求取。
从工程应用的角度出发，研究问题的精度就需要进行合理的控制，从而在计算精度与计算设备、计算难度、计算时间以及计算成本之间获得平衡。
另外，任何理论、方法都应以实践应用为目的，这样才具有价值。
综合上述两点，从工程应用的角度去分析各种土的本构关系是非常有必要的。
考虑结构性的土体本构模型的建模方法
是具有固体变形模量和强度指标 的材料， 只能认为 ， 原状土在刚开始受力时有一定的模量， 其结构完全 破坏后有一定强度 ， 丽受力、 变形的中间过程是从原 状土在扰动土 的逐渐转换过程Ｌ ． ６ 因此对于中间过 Ｊ
程中的土体 ， 是既包含原状土， 又包含重塑土的一种 复合 体 ． 在国内沈珠江将损伤力学应用于土体， 认为天 然结构性土体的逐渐破损 ， 是从原状土逐渐向扰动 土的变化过程 ． 沈珠江（９３ 提出结构性粘土的弹 １９ ） 塑性损 伤 模 型和 非线 形 损伤 力 学模 型； 珠 江 沈 （９６ 基于损伤力学提出土体宏观变形过程中， １９ ） 结 构逐渐破坏的这个过渡阶段的土体特性（ ） Ｓ 可以用
由损伤和未损伤两部分组成 ， 损伤由剪应力引起 ， 损 伤演化曲线性状近似于能量耗散曲线． 在小应力水 平时损伤不明显 ， 建议损伤变量方程为 ：
＝ 一 ｅｐ 一 铬） ｘ（ （） ３ 式中， 、 Ｒ为损伤参数． ｋ 另外一种当前影响较大的模型为扰动状态概念 （ ｉｕ ｔ ｅ ｏｃｐ 缩写为 Ｄ Ｃ 模型Ｌ ，】 动 Ｄｓ ｒ Ｓ ｔ Ｃｎｅｔ ｔｂ ａ Ｓ） １１ ． ０１ 扰 状态概念的思想 ． 首先 由美国著名学者 Ｄ ｓｉ １７ ｅａ于 ９４ 年提出， 是一种针对材料的受力扰动而发展起来的 本构模拟方法． 在扰动状态概念中， 假定作用力（ 如 机械力 、 热力、 环境力等） 引起材料微结构的扰动 ， 致使材料内部微结构发生变化、 由于扰动， 材料内部
性日 益引起人们的广泛关注 ． 谢定义认为“ 土结构性 是决定各类土力学特性 的一个最 为根本 的内在 因 素” １ ［． ３ 因此作为土工数值计算的基础 的本构模型理 论必须反映土体的结构性 ．ｌ ２ 世纪土力学 的核心问 题是土体结构性的数学模型 ， 以及其相应的破损理 论； 而现有的各种本构模型实 际上都是针对饱 和扰 动土和砂土而发展起来的【 ． ４ 经过这几年来大量 的 Ｊ
土体的结构性
土体的结构性，是指土体颗粒和孔隙的性状和排列形式(或称组构)及颗粒之间的相互作用。
绝大多数天然土都有一定的结构性，软土由于特定的历史条件和矿物成分，同样具有结构性，其结构类型有着自身的特点。
这种结构性对土的工程性质有强烈的影响。
结构性软土具有结构强度。
因此，它呈脆性破坏，其破坏应变较小。
在工程中，结构性土地基往往会在缺乏预兆情况下，产生突然性破坏。
研究软土的结构性，从而对软土地区的结构物的设计、地基加固设计有着重要意义。
沈珠江认为土的结构性是影响土力学特性诸要素中一个最为重要的要素，被认为是“21世纪土力学的核心问题”。
本文主要从宏观力学试验出发，制作SEM 图像并对其进行分析、研究。
研究结构性原状软土变化特性，其主要研究成果有如下几点：（1）收集了珠江三角洲地区158个原状软土的物理力学指标数据，对指标的变化范围、变异性、指标间的相互关系和各指标的统计分布规律进行研究。
研究的结果表明：不同地方的软土的物理力学性质差异较大；各参数与含水量w、孔隙比e存在一定的关系；天然密度ρ、干密度ρd、液限wL、塑限wp、塑性指数Ip、无侧限抗压强度qu和灵敏度St服从正态分布；含水量、孔隙比和粘聚力C服从近似正态分布；饱和度Sr、比重Gs、渗透系数Kv、压缩系数a v1-2、压缩模量Es1-2和内摩擦角ф为非正态分布。
研究的结果对在软土工程有着重要意义。
（2）通过固结压缩试验，采用3种不同的方式对结构性原状土和重塑土的结构性参数、压缩特性进行研究。
结果显示结构性对软土压缩特性影响较大；结构性参数mp>1，当荷载较大时，mp≈1；原状土和重塑土的压缩系数在加载初期有较大的区别，随着荷载的增加，原状土的压缩系数逐渐趋于重塑土的压缩系数。
由SEM图片显示了土样压缩的变化过程。
（3）针对同一地段的50个原状土样的试验数据进行统计分析，得出孔隙比、含水量、密度、干密度是影响软土压缩特性的重要因素。
通过原状土和重塑土一维固结压缩试验，对固结系数、压缩系数、压缩模量进行分析，得出结构性对软土压缩特性有较大的影响。
土力学智慧树知到课后章节答案2023年下广州大学
土力学智慧树知到课后章节答案2023年下广州大学广州大学绪论单元测试1.土力学研究的核心问题有：（）。
A:盐碱化问题B:变形问题C:渗流问题D:强度问题答案:变形问题;渗流问题;强度问题2.土是尚未固结成岩的松、软堆积物。
其由岩石经风化作用而成。
（）A:错 B:对答案:对3.关于土的认识正确的是：（）。
A:土由土颗粒与颗粒间孔隙中介质共同组成B:土颗粒既是土C:土的强度是指抗压强度D:土的变形主要是土颗粒变形引起答案:土由土颗粒与颗粒间孔隙中介质共同组成4.土与岩石的根本区别是土不具有刚性的联结，物理状态多变，力学强度低。
（）A:对 B:错答案:对5.当地下水在土孔隙中渗流时，会因水的流动：（）。
A:可能导致流砂现象B:产生动水力C:产生静水压力D:可能导致管涌现象答案:可能导致流砂现象;产生动水力;可能导致管涌现象6.土是一种复杂的材料和介质，有自己的特性，它具有：（）。
A:天然变异性B:结构稳定性C:碎散性D:多相性答案:天然变异性;结构稳定性;多相性7.土力学是研究土的变形、强度和渗透特性以及与此相关的工程问题的科学。
（）A:错 B:对答案:对8.土力学涉及土在土木工程中的作用主要包括：（）A:承载B:荷载C:填筑D:养分供给答案:承载;荷载;填筑9.现代土力学的创始人为：（）。
A:摩尔B:库仑C:朗肯D:太沙基答案:太沙基10.土是多孔的散体介质，其变形主要是颗粒重新排列，孔隙减小引起的。
（）A:错 B:对答案:对第一章测试1.土是地表岩石风化后的产物，形成土的风化作用有：A:光合作用 B:化学作用 C:生物作用 D:物理作用答案:化学作用;生物作用;物理作用2.物理风化形成的土的矿物一般是A:原生矿物 B:有机质 C:粘土矿物 D:次生矿物答案:原生矿物3.土一般由固相液相气相三项组成。
A:对 B:错答案:对4.含有蒙脱石和伊利石多的粘土A:遇水膨胀 B:水稳性强 C:失水收缩 D:亲水性强答案:遇水膨胀;失水收缩;亲水性强5.对于颗粒大小连续性较好的土，土的不均匀系数越大，表示：A:土颗粒大小越不均匀 B:土粒径级配曲线越抖 C:土粒径级配曲线越平缓 D:土颗粒大小越均匀答案:土颗粒大小越不均匀;土粒径级配曲线越平缓6.强结合水对细颗粒土的力学性质有着重要影响，而弱结合水影响很小。
土的本构模型研究现状及发展趋势_雷华阳
土的本构模型研究现状及发展趋势雷华阳(长春科技大学环境与建设工程学院,吉林长春 130026)摘要:从两方面总结了前人关于土体本构关系的研究成果以及目前的发展状况:一方面,从宏观现象学角度介绍了剑桥模型、弹性-硬化塑性模型以及为描述循环荷载条件下土的本构特性所建立的多重屈服面模型和边界面模型;另一方面,阐述了土的微观结构和土微结构力学模型的研究状况。
认为今后的土本构模型研究趋势必将与土的结构性研究紧密相联,成为21世纪土力学的核心。
关键词:土本构模型;宏观力学;微观结构中图分类号:P642.1 文献标识码:A 文章编号:1004-5589(2000)03-0271-06收稿日期:2000-01-04作者简介:雷华阳,女,1974年生,博士生,主要从事地质工程方面研究11 土本构模型的研究内容土体是一种地质历史产物,具有非常复杂的非线性特征。
在外荷作用下,表现出的应力-应变关系通常具有弹性、塑性、粘性以及非线性、剪胀性、各向异性等性状[1]。
为了较好地描述土的真实性状,建立土的应力-应变-时间之间的关系式,有必要在试验的基础上提出某种数学模型,把特定条件下的试验结果推广到一般情况,这种数学模型称为本构模型[1,2]。
广义上说,本构关系是指自然界一作用与由该作用产生的效应两者之间的关系。
而土的本构关系则是以土为研究对象,以建立土体的应力-应变-时间关系为核心内容,以土体工程问题的模拟和预测为目标,以非线性理论和土质学为基础的一个课题。
纵观土力学70余年的发展历史,人们常将岩土本构关系分为宏观本构关系和微观结构本构关系两个方面。
前者是建立在宏观现象学基础上的本构关系,而后者则是从土的微观结构角度来建立土的本构关系。
通过微观结构的研究,使得众多结构研究成果与其力学性状发生定量意义上的联系,对解释宏观力学现象具有重要意义。
2 研究现状早在1773年Coulomb 就提出Coulomb 屈服准则,用以模拟土的应力-应变性质。
0000世界上最常用岩土本构模型及土本构模型剖析
式中 Ce为回弹指数;σc为前期固结
压力。这是一种单因素与双因素之
间的关系,仍可由试验直接建立。前 砂土
地下水位
总应力 中和应力 有效应力
不 粘 透 土 水
砂土 低 粘 透 土 水
砂 （ 不 土 饱 和 ）
总应力 中和应力 有效应力
砂土 粘 （ 半 土 透 水 ）
毛细张力力 总应力
中和应力 有效应力
或点绘于半对数坐标中,也用直线来 拟合，得：
用竖向应变表示为：
上几式中 av,Cc,e0和σ0分别为压缩系数、 压缩指数、初始孔隙比和初始应力。
式(3)是一维受力状态下的最简单的 本构模型。是一种单因素物理量与 单因素物理量之间的关系,可由试验 直接确定。如果考虑到土体存在塑 性变形,应变除了与当前应力有关而 外,还与受荷历史有关,则应力应变关 系为：
参数上的易确定性和计算机实现 的可能性。自Roscoe等创建剑桥 模型至今,各国学者已发展数百 个土的本构模型。
这些模型包括不考虑时间因素 的线弹性模型、非线弹性模型、 弹塑性模型和近来发展起来的 内时模型、损伤模型及结构性 模型等,常用的模型只有极少数 几个。
土的本构模型研究在理论上属于连 续介质力学本构理论的范畴,对材料 属性的假定上将微观上并不连续的 土视为宏观上的连续介质,以弹性力 学、塑性力学和新兴的力学分支为 理论基础,通过理论结合实验的方法 进行研究。
期固结压力之所以影响应变,是因为
该压力作用下已发生了不可恢复的
塑性
应变。
它实际上是历史上已发生的塑性应
变的一种度量。在弹塑性模型理论 中,把度量已发生的塑性应变大小的 参数称为硬化参数,前期固结压力也 就是硬化参数的一种形式。可以说, 应变是应力与硬化参数两种物理量 的函数。
常用土体本构模型及其特点小结
常用土体本构模型及其特点小结-------山中一草线弹性模型线弹性模型遵守虎克定律，只有2个参数，即为弹性模量e和泊松比v，它就是最简单的形变-快速反应关系，但无法叙述土的很多特征，主要应用于早期的有限元分析及解析方法中，需用去对数演示较软的材料例如岩土。
?duncan-chang（dc）模型dc模型是一种非线性弹性模型，它用双曲线来模拟土的三轴排水试验的应力-应变关系（图1）。
它侧重于刻画土体应力-应变曲线非线性的简单特征，通过弹性参数的调整来近似地考虑土体的塑性变形。
但所用的理论仍然是弹性理论而没有涉及到任何塑性理论，故仍不能反映如应力路径对变形的影响、土体的剪胀特性和球应力对剪应变的影响等土体的很多重要性质。
由于dc模型是在为常数的常规三轴试验基础上提出的，比较适用于围压不变或变化不大、轴压增大的情况，如模拟土石坝和路堤的填筑。
mohr-coulomb（mc）模型mc模型是一种弹-理想塑性模型，它综合了胡克定律和coulomb破坏准则。
有5个参数，即控制弹性行为的2个参数：弹性模量e和泊松比v及控制塑性行为的3个参数：有效黏聚力c、有效内摩擦角和剪胀角。
mc模型采用了弹塑性理论，能较好地描述土体的破坏行为但却认为土体在达到抗剪强度之前的应力-应变关系符合胡克定律，因而并不能较好地描述土体在破坏之前的变形行为，且不能考虑应力历史的影响及区分加荷和卸荷。
故mc模型能较好地模拟土体的强度问题，mc模型的六凌锥形屈服面（图2）与土样真三轴试验的应力组合形成的屈服面吻合得较好，因此mc模型适合于低坝、边坡等稳定性问题的分析。
drucker-prager（dp）模型dp模型对mc模型的屈服面函数作了适当的修改，采用圆锥形屈服面（图3）来代替mc模型的六凌锥屈服面，易于程序的编制和进行数值计算。
它存在与mc模型同样地缺点，相对而言，在模拟岩土材料时，mc模型较dp模型更加适合。
修正剑桥模型（mcc）mcc模型为等向硬化的弹塑性模型，它修正了剑桥模型的弹头形屈服面，采用帽子屈服面（椭圆形）（图4），以塑性体应变为硬化参数，能较好地描述黏性土在破坏之前的非线性和依赖于应力水平或应力路径的变形行为，mcc模型从理论上和试验上都较好地阐明了土体的弹塑性变形特征，是应用最为广泛的软土本构模型之一。
土体干燥过程中的体积收缩变形特征
土体干燥过程中的体积收缩变形特征土体干燥过程中的体积收缩变形是一个重要现象，对于工程建设和土地资源的合理利用具有重要意义。
本文旨在探讨土体干燥过程中体积收缩变形的特征及影响因素，以期为相关领域的研究和实践提供有益的参考。
土体干燥过程中的体积收缩变形是指土体在干燥条件下由于水分蒸发引起体积缩小的现象。
这种现象主要源于土体内部的水分蒸发和孔隙水压力的降低，其研究历史可以追溯到20世纪初。
在工程实践中，土体干燥过程中的体积收缩变形常常对建筑物的稳定性、土地利用和土壤改良等方面产生重要影响。
吸附水分：土体颗粒表面的水分子受到土颗粒的吸引力而附着在颗粒表面，此时土体含水率较高，基本呈饱和状态。
失去水分：在一定的环境条件下，土颗粒表面的水分子会逐渐蒸发，含水率降低，导致土体体积收缩。
再吸附水分：随着土体含水率的降低，土颗粒表面的负电荷吸引周围环境中的水分子再次附着在颗粒表面，形成新的吸附层。
在上述过程中，由于吸附和失去水分的反复进行，导致土体发生体积收缩变形。
在土体干燥过程中，常见的体积收缩变形现象包括：裂缝：随着土体含水率的降低，土体内部会产生拉应力，当拉应力超过土体的抗拉强度时，就会形成裂缝。
裂缝通常呈不规则状，深度和宽度因土体性质和干燥条件而异。
沿裂缝扩展：当裂缝形成后，若土体继续干燥，裂缝会逐渐扩展，导致土体破裂成块状。
这种变形现象通常在较为干燥的土体中较为常见。
体积收缩变形还可能引起土体结构的改变，如土壤颗粒排列紧密程度的改变、团聚体破坏等。
这些改变都会对土体的物理性质、力学性质和生态功能产生影响。
为了更好地理解土体干燥过程中的体积收缩变形，研究人员常采用数值模拟方法进行分析。
常见的数值模拟方法包括有限元法、有限差分法、弹性理论等。
通过这些方法，研究人员可以模拟出不同条件下的土体干燥过程，并预测出相应的体积收缩变形特征。
例如，有限元法可以模拟出土体在干燥过程中的应力分布和裂缝形成过程；弹性理论则可以描述干燥过程中土体的弹性变形和塑性变形行为。
关于模拟K0固结试验固结效果的探讨
为了使轴向力和围压分离， 将应变控制加载改为杠杆加 载， 如下： 围压通过水压加载， 轴压通过杠杆加载， 这样轴压 和围压就可部分分离， 原理图如图 １。
４ 结语
环 境 的 热 效 应 对 混 凝 土 桥 梁 结 构 的 影 响 非 常 复 杂 。由 于 外界环境温度的变化， 箱梁与外界不断地进行着热交换， 致 使 箱 梁 桥 内 呈 非 线 性 温 度 分 布 。通 过 混 凝 土 箱 梁 桥 内 温 度 梯 度及其产生应力的分析， 为研究温度裂缝以及进行温控设 计 、制 定 合 理 的 防 裂 措 施 提 供 了 依 据 。 参考文献 ［１］孔祥谦．有限单元法在传热学中的应用．科学出版社， １９９８
图 ５ 围压 ２００ｋＰａ 下土样压缩曲线
４ 结论
土 体 的 结 构 性 越 弱 ， 即 Ｋ０ 接 近 １ 时 ， 在 普 通 三 轴 仪 上 用杠杆分级加载的方式模拟 Ｋ０ 固结效果越好；
因原状土的灵敏性， 扰动过大对试验结果有很大影响。 因此， 第一级荷载要小， 并要等向固结预压一段时间；
压 力 分 级 尽 量 多 一 点 ， 使 试 验 路 径 尽 量 接 近 Ｋ０ 固 结 线；
３１
Ｓｈｉｙａｎ ｙａｎｊｉｕ
试验研究
２．２ 固结过程 通过分级加载（ 一般 ５ 级左右） ， 以折线应力路径代替直
线应力路径逼近 Ｋ０ 固结线［５］。 首先在第一级围压下对试样进行等压固结， 固结完后通
过 杠 杆 施 加 轴 向 力 使 试 样 受 力 达 到 Ｋ０ 状 态； 第 一 级 Ｋ０ 固 结完成后施加第二级围压， 固结完成后通过杠杆施加第二级 轴向力使试样受力达到 Ｋ０ 状态， 完成第二级 Ｋ０ 固结； 依次 通过多级加荷固结后， 试 样 能 达 到 预 定 的 Ｋ０ 固 结 状 态 。 模 拟 Ｋ０ 固结上折线如图 ２。