土的三剪统一动力和结构性本构模型研究

Based on the triple-shear unified strength theory, the triple-shear unified dynamic failure criterion, the triple-shear unified dynamic cap yield model and the triple-shear unified dynamic elasto-plastic constitutive model are researched for homogeneous soil and verified by the dynamic triaxial and really triaxial tests for reconstituted soils acting on cyclic loading. Through introducing the appropriate soil structured parameters, the triple-shear unified sructured failure criterion, the triple-shear unified structured cap yield model and the triple-shear unified structured elasto-plastic constitutive model are researched and verified by the triaxial and really triaxial tests for natural soils. Through introducing the appropriate structured dynamic parameters on soil structures and cyclic loading sffects, the triple-shear unified sructured dynamic failure criterion, the triple-shear unified structured dynamic cap yield model and the triple-shear unified structured dynamic elasto-plastic constitutive model are researched and verified by the triaxial and really triaxial tests for natural soils. The elasto-plastic algorithms of the finite element method and the finite difference method are deduced for the above three constitutive models and the programs are encoded for secondary developments to the commercial software, with which the practical geotechanical engineerings such as the laterate slope and the laterate subgrade engineerings in Jiangxi and the subway engineering in Nanchang are analyzed. The constitutive models proposed here can give better descriptions to the soil mechanical characteristics and are suitable for more kinds of soils in situ.

基于三剪统一强度理论研究循环荷载作用下均质土体的三剪统一动力强度准则、三剪统一动力帽子模型和三剪统一动力本构模型，对重塑土进行动三轴和动真三轴试验并用于模型验证；通过引入适当的土结构性参数，研究土的三剪统一结构性强度准则、三剪统一结构性帽子模型和三剪统一结构性本构模型，对原状土进行三轴和真三轴试验并用于模型验证；通过引入适当的能够反映均质土体结构性和土体在循环荷载作用下动力效应的土结构性动力参数，研究土的三剪统一结构性动力强度准则、三剪统一结构性动力帽子模型和三剪统一结构性动力本构模型，并与原状土的动三轴和动真三轴试验进行对比。基于上述三种本构模型建立相应的弹塑性有限元算式和有限差分法算式，编制相应的计算程序，完成对若干大型商用软件的二次开发，并将其用于江西红土边坡工程、红土路基工程和南昌地铁工程等实际岩土工程的分析。所提模型能更好地反映现场土体的实际力学特性，且具有较强的普适性。

本项目基于三剪统一强度理论研究了原状黏性土、超固结黏性土和砂土在静力及循环荷载作用下的静力及动力本构模型。主要研究内容有：在原状黏性土的静力结构性本构模型研究中，将Liu等提出的土的结构性本构模型与三剪强度准则相结合，提出了均质饱和黏性土的三剪结构性本构模型，该模型既保留了原结构模型的特点，又考虑了应力状态对土特性及土的拉压强度差异的影响；基于扰动状态概念研究了正常固结饱和原状黏性土的本构模型，其中，完全调整状态是基于临界状态土力学框架，将修正剑桥模型与三剪强度准则相结合而建立的弹塑性本构模型来表征。为了更好地反映黏性土的黏聚力影响，提出了等量代换法和坐标平移法两种处理方法并作了对比研究。为便于复杂应力状态下的土体变形分析及有限元编程，提出了一个将原模型三维化的方法。在超固结土的本构模型研究中，针对饱和超固结黏性土现有下加载面修正剑桥模型中破坏应力比为定值、土体黏聚力为零，以及不能准确反映不同应力状态下土的强度差异这些问题，基于三剪统一强度准则以及应力坐标平移法得到了扩展破坏应力比。在此基础上提出了饱和超固结黏性土的三剪弹塑性本构模型，该模型的特点是能描述土体受力时的中间主应力效应，应力区间效应和拉压差影响，同时也能更好地考虑土体黏聚力的影响。基于该模型对ABAQUS软件进行了二次开发，对江西赣南崩岗土常规三轴压缩条件下力学特性作了模拟和试验结果对比。在砂土的本构研究上，以修正剑桥模型为基础，基于三剪统一强度准则，推导出砂土的三剪统一本构模型，并编写了相应的ABAQUS二次开发子程序。对南昌地铁砂土进行了排水和不排水条件下的常规三轴压缩试验，利用二次开发后的ABAQUS软件模拟了试验模型的应力状态。数值解与实验结果符合较好，证明模型推导和二次开发编程的正确性。在土的动力本构模型研究上，运用边界面模型方法研究了原状黏性土、超固黏性土以及砂土在循环荷载作用下的动力本构关系。其中，采用不同围压、不同频率、不同振幅对江西原状江西红黏土、超固结土、南昌地铁砂土作了大量动三轴试验。将理论模型与试验数据作了对比，结果表明数据符合一致性较好。上述研究成果对于促进三剪统一强度理论在岩土工程分析中的应用有一定的推动作用。