人工胶结土的二元本构理论及其应用课件

1人工胶结土的二元本构理论

及其应用InstituteofMechanicsCAS~1956~中国科学院力学研究所吴梦喜中国科学院力学研究所2019.8.141人工胶结土的二元本构理论

及其应用1目录人工胶结土及其力学特征胶结土体的二元本构理论二元本构理论在硬填料本构关系研究中的应用二元本构理论应用展望目录人工胶结土及其力学特征21人工胶结土及其力学特征土颗粒之间存在胶结作用的土可以叫做胶结土，具有一定的胶结强度，试样无需橡皮膜支撑便可直立土、砂砾石、堆石中掺入胶凝材料形成的颗粒之间有胶结强度的新材料，统称为人工胶结土。三合土、水泥土、硬填料（hardfill、CSG、CMG）为人工胶结土力学性质介于土和混凝土之间1人工胶结土及其力学特征土颗粒之间存在胶结作用的土可以叫做3假定散粒体三轴试样加高压后注入胶凝浆胶结硬化后，卸载，会发生什么情况？（与高压岩体中开挖卸荷类似）现有的非线性和弹塑性模型不能描述其强度和变形机制2胶结土体的二元本构理论对于泥灰岩（marl）、砂岩（sandstone）、人工胶结土体Gens和Nova（1993）提出在非胶结土体本构模型中考虑胶结作用，由此建立胶结土体的本构模型。Chazallon和Hicher（2019）将胶结土体的应力拆分（seperation）为非胶结部分和胶结部分、应变一致建立并联本构，对于非胶结部分应用了弹塑性模型，对于胶结部分应用了各向同性的弹性损伤模型，建立了适用于胶结土体的二元本构模型。假定散粒体三轴试样加高压后注入胶凝浆胶结硬化后，卸载，会发生4模型概化Vatsala（2019）、Hamidi（2019）、Haeri（2009）

分别对非胶结部分和胶结部分进行本构建模，从而建立了不同形式的二元本构模型。吴（2019）提出硬填料的二元并联本构模型模型概化Vatsala（2019）、Hamidi（20153硬填料的应力变形特征及本构研究硬填料的微结构研究表明，其水化硬化的机理是在“部分”骨料间形成了有胶结作用的水化产物,破坏后的胶结堆石体，主要表现为部分胶结体产生了破坏、部分颗粒之间发生了相对运动以及少部分颗粒产生了破碎

无胶结堆石体已胶结堆石体破坏后的胶结堆石体3硬填料的应力变形特征及本构研究硬填料的微结构研究表明，其6现状:硬填料力学性能的试验研究-7-InstituteofMechanics,CAS新拌硬填料水化硬化硬化后的硬填料时间与堆石料类似与混凝土类似硬化过程(力学性能)三轴试验

龄期相关性等

混凝土特性

非线性、剪胀性等

堆石料特性综合法单轴试验：

配合比设计、影响因素分析单轴抗压/抗拉强度、弹性模量混凝土工程法三轴试验：

应力应变的非线性特征、体变特征摩尔库伦强度参数、模量、泊松比岩土工程法现状:硬填料力学性能的试验研究-7-Institute7现状:硬填料本构模型的研究(1)——线性-8-InstituteofMechanics,CASFujisawa,Hirose,etal.2019按线弹性体设计，弹性极限强度为设计强度单轴压缩和重复加载试验李永新、何蕴龙等,2019针对硬填料坝填筑分层的特征考虑层间薄弱面的影响横观各向同性的等效线弹性模型现状:硬填料本构模型的研究(1)——线性-8-Inst8现状:硬填料本构模型的研究(2)——非线性-9-InstituteofMechanics,CAS李永乐、侯进凯

等,2019与围压有关，峰值之前基本符合双曲线模型常规三轴剪切试验孙明权等,2019虚加刚性弹簧法软化特性Tatsuoka等,2019粘弹塑性三元本构时间效应物理意义不明过于复杂，参数较多现状:硬填料本构模型的研究(2)——非线性-9-Ins9力学性能的试验研究:用料及方法-10-InstituteofMechanics,CAS试验用料堆石料：原料：戈壁滩砂砾料最大粒径60mm干密度2.17g/cm3硬填料：在堆石料的基础上制备425#水泥：二级粉煤灰100kg/m3的粒径<5mm的土料替换为60kg/m3粉煤灰+40kg/m3水泥水胶比0.7，即70kg/m3水试验方法尺寸：ø30cm*70cm分层击实，抽气饱和3组试验：不掺胶凝材料掺胶材7天龄期掺胶材28天龄期4组围压:200/400/600/800kPa相同干密度饱和固结排水0.02mm/s垂直轴向加荷力学性能的试验研究:用料及方法-10-Institute10大型三轴剪切试验结果分析(1)-11-InstituteofMechanics,CAS剪切位移克服颗粒间作用颗粒结构崩解变松粘聚力降低,剪胀破坏大型三轴剪切试验结果分析(1)-11-Instituteo11大型三轴剪切试验结果分析(2)InstituteofMechanics,CAS符合摩尔库伦破坏准则前期线性段强度与围压有关剪胀性28天龄期硬填料试样7天龄期硬填料试样7天龄期硬填料试样7/28天龄期硬填料试样强度增长模量增大残余强度-12-应变软化大型三轴剪切试验结果分析(2)InstituteofMe12大型三轴剪切试验结果分析(3)InstituteofMechanics,CAS-13-强度参数堆石料7天龄期硬填料28天龄期硬填料峰值c(kPa)4.2236.4384.6φ(°)40.437.338.5残余c(kPa)8.767.1136.7φ(°)39.939.538.8不同龄期的胶结作用对粘聚力c值的影响显著，粘聚力c值随龄期而增长龄期对内摩擦角φ的影响不大试样破坏后的内摩擦角没有明显变化，粘聚力显著减小大型三轴剪切试验结果分析(3)InstituteofMe13胶结作用的影响InstituteofMechanics,CAS7天龄期硬填料试样–无胶结试样-14-3组材料不掺胶凝材料掺胶材7天龄期掺胶材28天龄期胶凝材料->胶结作用胶结作用的影响?差异相减:偏差应力体应变前期线性段后期强度下降前期不影响体应变后期剪胀性前期不影响泊松比胶结作用的影响InstituteofMechanics,14硬填料本构的建模思路InstituteofMechanics,CAS-15-硬填料范围的界定：含Hardfill,CSG,CMG非RCC,Soil-Cement水化硬化的机理：部分骨料间存在具有胶结作用的水化产物胶结、破坏过程：粘结-摩擦型材料无胶结堆石体已胶结堆石体破坏后的胶结堆石体若不考虑颗粒破碎和颗粒本身的变形,那么胶结堆石体的宏观力学性质主要受颗粒间的接触情况控制.拆分：非胶结+胶结摩擦滑移、孔隙压缩摩擦型材料组构特征:颗粒/孔隙/密实胶结作用颗粒间连结增强强度、模量增大Chazallon&Hicher,2019:硬填料本构的建模思路InstituteofMechani15基本假定：土颗粒不发生变形和破碎，土颗粒的强度和变形由土颗粒之间的接触关系控制。强度和变形机制：摩擦机制和胶结弹性变形机制硬填料二元本构模型框架概化成二元并联本构关系骨架：组构，弹塑性变形，摩擦机制=>组构元件胶结体：弹性变形与损伤，胶结机制=>胶结元件组构元件：描述颗粒之间的摩擦，颗粒转动错动、孔隙压缩胶结元件：颗粒间胶结体的弹性变形与损伤破坏，强度和模量与龄期有关组合关系：并联（表观应变一致）基本假定：土颗粒不发生变形和破碎，土颗粒的强度和变形由土颗粒16构建硬填料全龄期本构模型InstituteofMechanics,CAS-17-构建硬填料全龄期本构模型InstituteofMecha17硬填料二元本构模型之组构元件(1)InstituteofMechanics,CAS-18-组构元件堆石料构成的常规堆石体反映组构特征颗粒本身的几何特征颗粒在空间的分布密实程度等可以用弹塑性模型，也可用非线性弹性模型，如Duncan-Chang模型、解耦K-G模型等。硬填料二元本构模型之组构元件(1)Instituteof18硬填料二元本构模型之组构元件(2)InstituteofMechanics,CAS-19-Duncan-Chang模型模拟E-v形式E-B形式硬填料二元本构模型之组构元件(2)Instituteof19硬填料二元本构模型之组构元件(3)InstituteofMechanics,CAS-20-非线性解耦K-G模型模拟可以考虑应力路径的影响硬填料二元本构模型之组构元件(3)Instituteof20硬填料二元本构模型之胶结元件(1)InstituteofMechanics,CAS-21-胶结元件—弹性损伤模型强度和模量随龄期发展，反映胶结体水化硬化过程E(τc)-无损伤弹性模量ω—损伤因子损伤起始轴向应变ε1dε1≤ε1d时，无损伤阶段（ω=0）ε1>ε1d时，损伤阶段（0<ω≤1）7天龄期硬填料试样–无胶结试样E(τc)ε1d硬填料二元本构模型之胶结元件(1)Instituteof21指数型关系硬填料二元本构模型之胶结元件(2)InstituteofMechanics,CAS-22-无损伤弹性模量E(τc)参考与硬填料组成和施工方法类似的碾压混凝土损伤起始轴向应变ε1d相关研究较少，未形成统一的表达形式，参考已有研究结果，暂以指数关系式表示：损伤演变过程—损伤因子ω与围压、龄期关系不大指数型关系硬填料二元本构模型之胶结元件(2)Institut22硬填料二元本构模型之泊松比InstituteofMechanics,CAS-23-泊松比胶结元件影响总体泊松比特点损伤之前无影响损伤之后使总体泊松比变大逐渐导致体胀龄期增长，影响越大28天龄期硬填料试样–无胶结试样7天龄期硬填料试样–无胶结试样7天胶结影响28天胶结影响硬填料二元本构模型之泊松比InstituteofMech23硬填料二元本构模型之结果比较InstituteofMechanics,CAS-24-K-G+胶结—7天

Duncan-ChangE-B+胶结—28天

硬填料二元本构模型之结果比较InstituteofMec24硬填料的强度准则InstituteofMechanics,CAS-25-试验表明满足摩尔库伦强度准则不同龄期的胶结作用对粘聚力c值的影响显著，粘聚力c值随龄期而增长龄期对内摩擦角φ的影响不大式中：τf表示抗剪强度，σn表示法向应力，τc表示龄期。不同龄期下粘聚力c(τc)的具体表达式可根据试验结果采用双曲线型、指数型、乘幂型等不同形式，内摩擦角φ可取不同龄期下φ的平均值。掺有粉煤灰----硬填料强度发展较慢，后期强度仍具有很强的增长性按龄期外推有风险设置龄期阈值τc-max硬填料的强度准则InstituteofMechanics25二元本构模型的参数求取两类试验方法组构（无胶结）三轴试验+不同龄期硬填料三轴试验，求取所有参数组构+不同龄期硬填料单轴压缩试验，求取损伤参数以外的所有参数硬填料坝初步设计中应力变形计算可以不考虑损伤二元本构模型的参数求取两类试验方法26硬填料二元本构模型小结InstituteofMechanics,CAS-27-基于对硬填料应力变形特征及其胶结机理和破坏机理的认识将表征硬填料初始形成状态的堆石体概化为“组构元件”，将胶凝材料的胶结作用概化为“胶结元件”提出了基于应变一致假定的全龄期二元并联本构模型既能描述硬填料应力应变非线性特征又能描述龄期相关性的特征确定参数试验有常规方法（确定全部参数）和简化方法（无损伤参数）硬填料二元本构模型小结InstituteofMech274二元本构模型的应用展望结构性土、胶结砂加筋土钢筋混凝土4二元本构模型的应用展望结构性土、胶结砂28Thankyouforyourattention!Thankyou人工胶结土的二元本构理论及其应用课件3031人工胶结土的二元本构理论

及其应用InstituteofMechanicsCAS~1956~中国科学院力学研究所吴梦喜中国科学院力学研究所2019.8.141人工胶结土的二元本构理论

及其应用31目录人工胶结土及其力学特征胶结土体的二元本构理论二元本构理论在硬填料本构关系研究中的应用二元本构理论应用展望目录人工胶结土及其力学特征321人工胶结土及其力学特征土颗粒之间存在胶结作用的土可以叫做胶结土，具有一定的胶结强度，试样无需橡皮膜支撑便可直立土、砂砾石、堆石中掺入胶凝材料形成的颗粒之间有胶结强度的新材料，统称为人工胶结土。三合土、水泥土、硬填料（hardfill、CSG、CMG）为人工胶结土力学性质介于土和混凝土之间1人工胶结土及其力学特征土颗粒之间存在胶结作用的土可以叫做33假定散粒体三轴试样加高压后注入胶凝浆胶结硬化后，卸载，会发生什么情况？（与高压岩体中开挖卸荷类似）现有的非线性和弹塑性模型不能描述其强度和变形机制2胶结土体的二元本构理论对于泥灰岩（marl）、砂岩（sandstone）、人工胶结土体Gens和Nova（1993）提出在非胶结土体本构模型中考虑胶结作用，由此建立胶结土体的本构模型。Chazallon和Hicher（2019）将胶结土体的应力拆分（seperation）为非胶结部分和胶结部分、应变一致建立并联本构，对于非胶结部分应用了弹塑性模型，对于胶结部分应用了各向同性的弹性损伤模型，建立了适用于胶结土体的二元本构模型。假定散粒体三轴试样加高压后注入胶凝浆胶结硬化后，卸载，会发生34模型概化Vatsala（2019）、Hamidi（2019）、Haeri（2009）

分别对非胶结部分和胶结部分进行本构建模，从而建立了不同形式的二元本构模型。吴（2019）提出硬填料的二元并联本构模型模型概化Vatsala（2019）、Hamidi（201353硬填料的应力变形特征及本构研究硬填料的微结构研究表明，其水化硬化的机理是在“部分”骨料间形成了有胶结作用的水化产物,破坏后的胶结堆石体，主要表现为部分胶结体产生了破坏、部分颗粒之间发生了相对运动以及少部分颗粒产生了破碎

无胶结堆石体已胶结堆石体破坏后的胶结堆石体3硬填料的应力变形特征及本构研究硬填料的微结构研究表明，其36现状:硬填料力学性能的试验研究-37-InstituteofMechanics,CAS新拌硬填料水化硬化硬化后的硬填料时间与堆石料类似与混凝土类似硬化过程(力学性能)三轴试验

龄期相关性等

混凝土特性

非线性、剪胀性等

堆石料特性综合法单轴试验：

配合比设计、影响因素分析单轴抗压/抗拉强度、弹性模量混凝土工程法三轴试验：

应力应变的非线性特征、体变特征摩尔库伦强度参数、模量、泊松比岩土工程法现状:硬填料力学性能的试验研究-7-Institute37现状:硬填料本构模型的研究(1)——线性-38-InstituteofMechanics,CASFujisawa,Hirose,etal.2019按线弹性体设计，弹性极限强度为设计强度单轴压缩和重复加载试验李永新、何蕴龙等,2019针对硬填料坝填筑分层的特征考虑层间薄弱面的影响横观各向同性的等效线弹性模型现状:硬填料本构模型的研究(1)——线性-8-Inst38现状:硬填料本构模型的研究(2)——非线性-39-InstituteofMechanics,CAS李永乐、侯进凯

等,2019与围压有关，峰值之前基本符合双曲线模型常规三轴剪切试验孙明权等,2019虚加刚性弹簧法软化特性Tatsuoka等,2019粘弹塑性三元本构时间效应物理意义不明过于复杂，参数较多现状:硬填料本构模型的研究(2)——非线性-9-Ins39力学性能的试验研究:用料及方法-40-InstituteofMechanics,CAS试验用料堆石料：原料：戈壁滩砂砾料最大粒径60mm干密度2.17g/cm3硬填料：在堆石料的基础上制备425#水泥：二级粉煤灰100kg/m3的粒径<5mm的土料替换为60kg/m3粉煤灰+40kg/m3水泥水胶比0.7，即70kg/m3水试验方法尺寸：ø30cm*70cm分层击实，抽气饱和3组试验：不掺胶凝材料掺胶材7天龄期掺胶材28天龄期4组围压:200/400/600/800kPa相同干密度饱和固结排水0.02mm/s垂直轴向加荷力学性能的试验研究:用料及方法-10-Institute40大型三轴剪切试验结果分析(1)-41-InstituteofMechanics,CAS剪切位移克服颗粒间作用颗粒结构崩解变松粘聚力降低,剪胀破坏大型三轴剪切试验结果分析(1)-11-Instituteo41大型三轴剪切试验结果分析(2)InstituteofMechanics,CAS符合摩尔库伦破坏准则前期线性段强度与围压有关剪胀性28天龄期硬填料试样7天龄期硬填料试样7天龄期硬填料试样7/28天龄期硬填料试样强度增长模量增大残余强度-42-应变软化大型三轴剪切试验结果分析(2)InstituteofMe42大型三轴剪切试验结果分析(3)InstituteofMechanics,CAS-43-强度参数堆石料7天龄期硬填料28天龄期硬填料峰值c(kPa)4.2236.4384.6φ(°)40.437.338.5残余c(kPa)8.767.1136.7φ(°)39.939.538.8不同龄期的胶结作用对粘聚力c值的影响显著，粘聚力c值随龄期而增长龄期对内摩擦角φ的影响不大试样破坏后的内摩擦角没有明显变化，粘聚力显著减小大型三轴剪切试验结果分析(3)InstituteofMe43胶结作用的影响InstituteofMechanics,CAS7天龄期硬填料试样–无胶结试样-44-3组材料不掺胶凝材料掺胶材7天龄期掺胶材28天龄期胶凝材料->胶结作用胶结作用的影响?差异相减:偏差应力体应变前期线性段后期强度下降前期不影响体应变后期剪胀性前期不影响泊松比胶结作用的影响InstituteofMechanics,44硬填料本构的建模思路InstituteofMechanics,CAS-45-硬填料范围的界定：含Hardfill,CSG,CMG非RCC,Soil-Cement水化硬化的机理：部分骨料间存在具有胶结作用的水化产物胶结、破坏过程：粘结-摩擦型材料无胶结堆石体已胶结堆石体破坏后的胶结堆石体若不考虑颗粒破碎和颗粒本身的变形,那么胶结堆石体的宏观力学性质主要受颗粒间的接触情况控制.拆分：非胶结+胶结摩擦滑移、孔隙压缩摩擦型材料组构特征:颗粒/孔隙/密实胶结作用颗粒间连结增强强度、模量增大Chazallon&Hicher,2019:硬填料本构的建模思路InstituteofMechani45基本假定：土颗粒不发生变形和破碎，土颗粒的强度和变形由土颗粒之间的接触关系控制。强度和变形机制：摩擦机制和胶结弹性变形机制硬填料二元本构模型框架概化成二元并联本构关系骨架：组构，弹塑性变形，摩擦机制=>组构元件胶结体：弹性变形与损伤，胶结机制=>胶结元件组构元件：描述颗粒之间的摩擦，颗粒转动错动、孔隙压缩胶结元件：颗粒间胶结体的弹性变形与损伤破坏，强度和模量与龄期有关组合关系：并联（表观应变一致）基本假定：土颗粒不发生变形和破碎，土颗粒的强度和变形由土颗粒46构建硬填料全龄期本构模型InstituteofMechanics,CAS-47-构建硬填料全龄期本构模型InstituteofMecha47硬填料二元本构模型之组构元件(1)InstituteofMechanics,CAS-48-组构元件堆石料构成的常规堆石体反映组构特征颗粒本身的几何特征颗粒在空间的分布密实程度等可以用弹塑性模型，也可用非线性弹性模型，如Duncan-Chang模型、解耦K-G模型等。硬填料二元本构模型之组构元件(1)Instituteof48硬填料二元本构模型之组构元件(2)InstituteofMechanics,CAS-49-Duncan-Chang模型模拟E-v形式E-B形式硬填料二元本构模型之组构元件(2)Instituteof49硬填料二元本构模型之组构元件(3)InstituteofMechanics,CAS-50-非线性解耦K-G模型模拟可以考虑应力路径的影响硬填料二元本构模型之组构元件(3)Instituteof50硬填料二元本构模型之胶结元件(1)InstituteofMechanics,CAS-51-胶结元件—弹性损伤模型强度和模量随龄期发展，反映胶结体水化硬化过程E(τc)-无损伤弹性模量ω—损伤因子损伤起始轴向应变ε1dε1≤ε1d时，无损伤阶段（ω=0）ε1>ε1d时，损伤阶段（0<ω≤1）7天龄期硬填料试样–无胶结试样E(τc)ε1d硬填料二元本构模型之胶结元件(1)Instituteof51指数型关系硬填料二元本构模型之胶结元件(2)InstituteofMechanics,CAS-52-无损伤弹性模量E(τc)参考与硬填料组成和施工方法类似的碾压混凝土损伤起始轴向应变ε1d相关研究较少，未形成统一的表达形式，参考已有研究结果，暂以指数关系式表示：损伤演变过程—损伤因子ω与围压、龄期关系不大指数型关系硬填料二元本构模型之胶结元件(2)Institut52硬填料二元本构模型之泊松比