姚仰平2015黄文熙讲座UH模型系列研究.ppt

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UH模型系列研究,主讲人：

姚仰平,北京航空航天大学,黄文熙讲座学术报告,2015年4月11日,岩土工程的基本问题,强度问题,变形问题,渗流问题,滑坡后的攀枝花机场,滑坡前的攀枝花机场,该工程问题与土的强度特性有关,绪论,岩土工程的基本问题,强度问题,变形问题,渗流问题,墨西哥城建筑不均匀沉降,上海展览馆长期沉降,以上工程问题与土的应力应变特性有关,绪论,绪论,y,f,O,非线性损伤力学亚塑性弹塑性,线性,岩土材料复杂的应力应变关系,需要复杂的本构模型描述,低碳钢单轴拉伸应力应变关系,相关联流动法则：

f=g,屈服函数f,势函数g,硬化参数H,弹塑性模型的三大核心,硬化参数：

H；dH=0，隐含了强度,一般的弹塑性应力应变关系,绪论,复杂应力历史,复杂应力状态,复杂应力路径,温度T,时间t,吸力s,各向异性,结构性,颗粒破碎,f、H受多种因素影响,输入应力,输出应变,土单元,弹塑性应力应变关系的影响因素,绪论,正常固结土,UH模型系列,修正剑桥模型,初级UH模型,考虑颗粒破碎影响的UH模型,修正UH模型,三维UH模型,考虑温度影响的UH模型,考虑时间效应的UH模型,考虑非饱和影响的UH模型,考虑各向异性的UH模型,考虑结构性的UH模型,考虑小应变的UH模型,考虑循环加载的UH模型,考虑渐近状态的UH模型,外部因素,复杂特性,变换应力广义非线性强度准则,UH模型,修正Hvorslev线,考虑高围压下颗粒破碎的力学特性,统一硬化参数反映剪胀,考虑超固结衰化应变软化,复杂加载,0.修正剑桥模型（ModifiedCam-clayModel）,正常固结土,土单元,常温T=20,常速率,饱和s=0,针对最简单的情况，寻找f、H,等向压缩路径,三轴等p剪切路径,等向压缩,等向压缩试验数据,0.修正剑桥模型：

压硬性,三轴等p剪切,p=c3,p=c2,p=c1,q,p,p=c1,p=c2,p=c3,q=Mp,e,lnp,p=c1,p=c2,p=c3,CSL,NCL,CSL,摩擦性,剪胀性,0.修正剑桥模型：

摩擦性、剪胀性,剪胀方程,剪胀关系试验数据,剪胀关系,0.修正剑桥模型：

剪胀性,正常固结土的三个基本特性,压硬性,摩擦性,剪胀性,三项结合,屈服函数,硬化参数,0.修正剑桥模型：

基本公式,0.修正剑桥模型,小结,修正剑桥模型对于复杂的土性和复杂的应力条件（应力历史、应力路径、应力状态），存在局限性对于简单的应力条件，抓住了正常固结粘土最基本的特性（摩擦性、剪胀性、压硬性），是最经典的本构模型，便于扩展,UH模型系列,初级UH模型,考虑颗粒破碎影响的UH模型,修正UH模型,三维UH模型,考虑温度影响的UH模型,考虑时间效应的UH模型,考虑非饱和影响的UH模型,考虑各向异性的UH模型,考虑结构性的UH模型,考虑小应变的UH模型,考虑循环加载的UH模型,考虑渐近状态的UH模型,外部因素,复杂特性,变换应力广义非线性强度准则,UH模型,修正Hvorslev线,考虑高围压下颗粒破碎的力学特性,统一硬化参数反映剪胀,考虑超固结衰化应变软化,复杂加载,修正剑桥模型,1.初级UH模型：

建立的背景,e,lnp,O,NCL,q,p,O,CSL,线,等向加载-卸载-再加载路径,不能反映再加载中的塑性变形,超固结土（或密砂）是复杂应力历史影响的产物修正剑桥模型存在局限性,1（3）,2,4,1（3）,2,4,e,lnp,q,p,O,v,CSL,CSL,NCL,d,O,三轴等p剪切路径,不能合理反映剪胀,计算的峰值应力比过高,1.初级UH模型：

建立的背景,O,1,2,3,4,1,2（3）,4,1

（2）,3,3,4,4,超固结土的三个基本特性（考虑复杂应力历史影响）,压硬性,摩擦性,剪胀性,1.初级UH模型：

建模思路,基于这三个特性去寻找f和H,等向压缩路径,lnp,e,超固结土再加载线的斜率大于，小于,再加载线,回弹线,1.初级UH模型：

压硬性,NCL,塑性体应变增量的公式,超固结土的强度试验数据,CSL,Hvorslev线,Roscoe线,p,q,Mf,M,Mh,qf,1.初级UH模型：

摩擦性,峰值强度的定义,超固结度：

超固结参数：

对于砂土也可作为参数直接给出,剪胀关系试验数据,剪胀关系,剪缩部分,剪胀部分,修正剑桥模型的剪胀方程不仅能够反映剪缩，也可以对剪胀部分进行描述,仍采用修正剑桥模型的剪胀方程,1.初级UH模型：

剪胀性,1.初级UH模型：

屈服面方程,根据剪胀方程得到屈服函数（塑性势函数）：

需要新的硬化参数,1.初级UH模型：

硬化参数,硬化参数H应与塑性应变有关，应与应力路径无关。

（b）塑性剪应变：

应力加载路径,路径相关,（a）塑性体应变：

塑性体应变和塑性剪应变路径相关,1.初级UH模型：

硬化参数,硬化参数,剪胀区,剪缩区,塑性体应变不单调，塑性剪应变不收敛,硬化参数H应与塑性应变有关，且应单调收敛。

1.初级UH模型：

硬化参数,构造路径无关的硬化参数H,由路径AB和AC的硬化参数相等，推出统一硬化（UnifiedHardening）参数：

UH参数,剪缩（OA）,特征状态（A）,剪胀（AB）,峰值状态（B）,1.初级UH模型：

UH参数的特点,再加载过程中dH0始终成立,d,v,Mf,M,O,A,A,B,B,UH参数能统一地反映剪胀和剪缩，给出了硬化的边界,1.初级UH模型：

UH参数的特点,UH参数与应力路径无关,应力加载路径,UH参数:

路径无关,Toyoura砂三轴压缩试验及预测,1.初级UH模型：

预测结果,（a）等p路径,（b）等3路径,（c）等1路径,塔克拉玛干沙漠砂三轴压缩试验及预测,1.初级UH模型,从土的三个基本特性（摩擦性、剪胀性、压硬性）出发，构造了路径无关的统一硬化参数H初级UH模型能够考虑砂土初始超压密、饱和粘土超固结的影响,小结,YaoYP,LUOT,SunDA.Asimple3Dconstitutivemodelforbothclayandsand.ChineseJournalofGeotechnicalEngineering,2002,24

（2）:

240246.YaoYP,SunDA,MatsuokaH.Aunifiedconstitutivemodelforbothclayandsandwithhardeningparameterindependentonstresspath.ComputersandGeotechnics,2008,35

（2）:

210222.罗汀,路德春,姚仰平.考虑应力路径影响下砂土的三维本构模型.岩土力学,2004,25（5）:

688693.,初级UH模型,考虑颗粒破碎影响的UH模型,修正UH模型,三维UH模型,考虑温度影响的UH模型,考虑时间效应的UH模型,考虑非饱和影响的UH模型,考虑各向异性的UH模型,考虑结构性的UH模型,考虑小应变的UH模型,考虑循环加载的UH模型,考虑渐近状态的UH模型,外部因素,复杂特性,变换应力广义非线性强度准则,UH模型,修正Hvorslev线,考虑高围压下颗粒破碎的力学特性,统一硬化参数反映剪胀,考虑超固结衰化应变软化,复杂加载,UH模型系列,修正剑桥模型,颗粒破碎对粗粒土基本特性的影响,压硬性,摩擦性,剪胀性,寻找f和H,2.考虑颗粒破碎影响的UH模型,颗粒破碎对土的压缩曲线影响:

Toyoura砂的等向压缩试验数据（Nakai,1989）,围压升高：

颗粒破碎加剧e-lnp曲线斜率增大在半对数坐标系内，压缩曲线不是直线,2.考虑颗粒破碎影响的UH模型：

压硬性,压缩应力应变关系,3个参数：

压缩指数Ct，回弹指数Ce，幂参数m,颗粒破碎对土的压缩曲线影响:

Toyoura砂的等向压缩试验数据（Nakai,1989）,以幂函数整理，压缩曲线为线性,2.考虑颗粒破碎影响的UH模型：

压硬性,围压增加，由于颗粒破碎，峰值应力比而降低,粗粒料的三轴排水应力路径试验数据,3个参数：

特征状态应力比M，参考破碎应力pc，破碎指数n,2.考虑颗粒破碎影响的UH模型：

摩擦性,峰值强度演化规律：

颗粒破碎对土的剪胀性影响,低围压：

先剪缩后剪胀高围压：

纯剪缩,相比初级UH模型，特征状态应力比与围压有关,Toyoura砂在不同围压下的静力加载试验数据（Sunetal.,2007）,新的剪胀方程：

2.考虑颗粒破碎影响的UH模型：

剪胀性,低围压,高围压,颗粒破碎对粗粒土基本特性的影响,压硬性,摩擦性,剪胀性,三项结合,屈服函数,硬化参数,2.考虑颗粒破碎影响的UH模型：

屈服面,当n=0时，屈服面退化成椭圆,Toyoura砂常规三轴压缩排水模型预测与试验结果对比（Sunetal.,2007）,2.考虑颗粒破碎影响的UH模型：

预测结果,2.考虑颗粒破碎影响的UH模型,在压硬性、摩擦性、剪胀性中考虑高围压的影响，建立了考虑颗粒破碎影响的粗粒土的屈服函数f和硬化参数H相对于通过把破碎参量引入屈服函数的方法，这种方法更为简单,小结,YaoYP,YamamotoH,WangND.Constitutivemodelconsideringsandcrushing.SoilsandFoundations,2008,48（4）:

603608.姚仰平,万征,陈生水.考虑颗粒破碎的动力UH模型.岩土工程学报,2011,33（7）:

1036-1044.,初级UH模型,考虑颗粒破碎影响的UH模型,修正UH模型,三维UH模型,考虑温度影响的UH模型,考虑时间效应的UH模型,考虑非饱和影响的UH模型,考虑各向异性的UH模型,考虑结构性的UH模型,考虑小应变的UH模型,考虑循环加载的UH模型,考虑渐近状态的UH模型,外部因素,复杂特性,变换应力广义非线性强度准则,UH模型,修正Hvorslev线,统一硬化参数反映剪胀,考虑超固结衰化应变软化,复杂加载,UH模型系列,修正剑桥模型,考虑高围压下颗粒破碎的力学特性,3.UH模型,参考屈服面,当前屈服面,超固结的衰化,当前屈服面,参考屈服面,扩展初级UH模型为：

考虑超固结的衰化和应变软化,采用Hashiguchi下加载面的方法，设立两个屈服面来反映,3.UH模型,由参考屈服面，推出衰变的超固结参数R,剪应变d和超固结参数R的关系,3.UH模型,应变软化,将初级UH模型中的峰值强度Mf扩展为潜在强度势，表达成超固结参数R的函数,简化UH参数,超固结参数R、潜在强度Mf和硬化参数H的相互关系,3.UH模型,3.UH模型：

与修正剑桥模型对比,e,lnp,q,p,O,v,CSL,CSL,NCL,d,O,O,1,2,3,4,1,2（3）,4,1

（2）,3,3,4,4,超固结土三轴等p剪切路径,修正Cam-clay模型,3.UH模型：

与修正剑桥模型对比,e,lnp,q,p,O,CSL,CSL,NCL,O,1,2,4,3（5）,1,2,5,超固结土三轴等p剪切路径,UH模型,3,4,Mf,M,v,d,O,1

（2）,3,3,5,4,4,5,UH模型能反映超固结土的剪缩与剪胀、硬化与软化特性,4.修正UH模型,对于UH模型，若平均应力较小，Mf可能会大于零拉力线斜率3，违背土不能抗拉的特性,Hvorslev线,修正的Hvorslev线,CSL,零拉力线,用抛物线拟合零拉力线和Hvorslev线,其中,4.修正UH模型,参数对比,参数完全一致,4.修正UH模型：

模型预测,初始孔隙比的影响,4.修正UH模型：

模型预测,超固结度的影响,4.修正UH模型：

模型预测,正常固结土应力路径,应力-应变关系,超固结土应力路径,应力-应变关系,排水强度高,不排水强度高,4.修正UH模型：

模型验证,Kaolin粘土不排水试验数据与预测曲线比较（WrothandLondon,1967）,4.修正UH模型：

模型验证,Fujinomori粘土三轴压缩排水试验数据与预测曲线比较（NakaiandHinokio,2004）,4.修正UH模型：

模型验证,Fujinomori