姚仰平黄文熙讲座UH模型系列研究

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日目前一页\总数一百三十三页\编于十九点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目前二页\总数一百三十三页\编于十九点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目前三页\总数一百三十三页\编于十九点绪论εσσyσfO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目前四页\总数一百三十三页\编于十九点相关联流动法则：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目前五页\总数一百三十三页\编于十九点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目前六页\总数一百三十三页\编于十九点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目前七页\总数一百三十三页\编于十九点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、H①等向压缩路径②三轴等p剪切路径目前八页\总数一百三十三页\编于十九点等向压缩等向压缩试验数据0.修正剑桥模型：压硬性目前九页\总数一百三十三页\编于十九点三轴等p剪切qεvε1p=c3p=c2p=c1qpp=c1p=c2p=c3q=Mpelnpp=c1p=c2p=c3CSLNCLCSL摩擦性剪胀性0.修正剑桥模型：摩擦性、剪胀性目前十页\总数一百三十三页\编于十九点剪胀方程剪胀关系试验数据剪胀关系0.修正剑桥模型：剪胀性目前十一页\总数一百三十三页\编于十九点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：基本公式目前十二页\总数一百三十三页\编于十九点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，便于扩展目前十三页\总数一百三十三页\编于十九点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目前十四页\总数一百三十三页\编于十九点1.初级UH模型：建立的背景elnpONCLqpOCSLκ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)241(3)24目前十五页\总数一百三十三页\编于十九点elnpqpOηεvCSLCSLNCLεdO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O123412(3)41(2)3344目前十六页\总数一百三十三页\编于十九点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目前十七页\总数一百三十三页\编于十九点等向压缩路径lnpeλκ超固结土再加载线的斜率大于κ，小于λ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目前十八页\总数一百三十三页\编于十九点超固结土的强度试验数据CSLHvorslev线Roscoe线pqMfMMhqf1.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目前十九页\总数一百三十三页\编于十九点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：剪胀性目前二十页\总数一百三十三页\编于十九点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）：需要新的硬化参数目前二十一页\总数一百三十三页\编于十九点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目前二十二页\总数一百三十三页\编于十九点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。目前二十三页\总数一百三十三页\编于十九点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A→B和A→C的硬化参数相等，推出统一硬化（UnifiedHardening）参数：UH参数目前二十四页\总数一百三十三页\编于十九点剪缩（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dH≥0始终成立εdεvηMfMOAABBUH参数能统一地反映剪胀和剪缩，给出了硬化的边界目前二十五页\总数一百三十三页\编于十九点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:路径无关目前二十六页\总数一百三十三页\编于十九点

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σ3路径（c）等σ1路径塔克拉玛干沙漠砂三轴压缩试验及预测目前二十七页\总数一百三十三页\编于十九点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):240–246.YaoYP,SunDA,MatsuokaH.Aunifiedconstitutivemodelforbothclayandsandwithhardeningparameterindependentonstresspath.ComputersandGeotechnics,2008,35(2):210–222.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):688–693.目前二十八页\总数一百三十三页\编于十九点初级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目前二十九页\总数一百三十三页\编于十九点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H2.考虑颗粒破碎影响的UH模型目前三十页\总数一百三十三页\编于十九点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：压硬性目前三十一页\总数一百三十三页\编于十九点压缩应力应变关系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：压硬性目前三十二页\总数一百三十三页\编于十九点围压增加，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n2.考虑颗粒破碎影响的UH模型：摩擦性峰值强度演化规律：目前三十三页\总数一百三十三页\编于十九点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目前三十四页\总数一百三十三页\编于十九点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，屈服面退化成椭圆目前三十五页\总数一百三十三页\编于十九点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：预测结果目前三十六页\总数一百三十三页\编于十九点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):603–608.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.目前三十七页\总数一百三十三页\编于十九点初级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目前三十八页\总数一百三十三页\编于十九点3.UH模型qpOMMf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目前三十九页\总数一百三十三页\编于十九点3.UH模型由参考屈服面，推出衰变的超固结参数R剪应变εd和超固结参数R的关系目前四十页\总数一百三十三页\编于十九点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参数等向压缩路径lnpeλκ再加载线回弹线NCL目前四十一页\总数一百三十三页\编于十九点超固结参数R

、潜在强度Mf和硬化参数H的相互关系3.UH模型目前四十二页\总数一百三十三页\编于十九点3.UH模型：与修正剑桥模型对比elnpqpOηεvCSLCSLNCLεdOO123412(3)41(2)3344超固结土三轴等p剪切路径修正Cam-clay模型目前四十三页\总数一百三十三页\编于十九点3.UH模型：与修正剑桥模型对比elnpqpOCSLCSLNCLO1243(5)125超固结土三轴等p剪切路径UH模型34MfMηεvεdO1(2)335445UH模型能反映超固结土的剪缩与剪胀、硬化与软化特性目前四十四页\总数一百三十三页\编于十九点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线其中目前四十五页\总数一百三十三页\编于十九点4.修正UH模型参数对比修正剑桥模型初级UH模型UH模型修正UH模型材料参数MMMMκκκκννννNNNλλλMfMh参数个数5565参数完全一致目前四十六页\总数一百三十三页\编于十九点4.修正UH模型：模型预测初始孔隙比的影响目前四十七页\总数一百三十三页\编于十九点4.修正UH模型：模型预测超固结度的影响目前四十八页\总数一百三十三页\编于十九点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目前四十九页\总数一百三十三页\编于十九点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）目前五十页\总数一百三十三页\编于十九点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）目前五十一页\总数一百三十三页\编于十九点4.修正UH模型：模型验证Fujinomori粘土三轴拉伸排水试验数据与预测曲线比较（NakaiandHinokio,2004）目前五十二页\总数一百三十三页\编于十九点4.修正UH模型：模型验证Fujinomori粘土排水循环加载数据与预测曲线比较（NakaiandHinokio,2004）目前五十三页\总数一百三十三页\编于十九点4.修正UH模型小结修正UH模型采用变化的潜在强度势，能反映超固结的衰化和应变软化能合理反映复杂应力历史影响下土的基本特性，易于引入描述复杂外部因素和加载方式的物理量，进行扩展YaoYP,HouW,ZhouAN.UHmodel:three-dimensionalunifiedhardeningmodelforoverconsolidatedclays.Geotechnique,2009,59(5):451–469.YAOYP,GAOZW,ZHAOJD,etal.ModifiedUHmodel:constitutivemodelingofoverconsolidatedclaysbasedonaparabolicHvorslevenvelope[J].JournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering,2012,138(7):860–868.姚仰平,李自强,侯伟.基于改进伏斯列夫面的超固结土模型.水利学报.2008,39(11):1244-1250.目前五十四页\总数一百三十三页\编于十九点初级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目前五十五页\总数一百三十三页\编于十九点在核废料处理、地热利用等工程中，需考虑温度对土的力学特性的影响5.考虑温度影响的UH模型：问题的提出升温导致土样破坏（Hueckeletal.,2009)核废料处置模型图目前五十六页\总数一百三十三页\编于十九点5.考虑温度影响的UH模型：温度效应温度对压缩性的影响（CampanellaandMitchell,1968)压缩规律：温度升高，压缩线平行下移，λ、κ取值不变。目前五十七页\总数一百三十三页\编于十九点5.考虑温度影响的UH模型：温度效应温度对屈服应力的影响（Eriksson,1989)温度与屈服应力的关系：温度升高，屈服应力减小其中，T—当前温度T0—参考温度目前五十八页\总数一百三十三页\编于十九点5.考虑温度影响的UH模型：温度效应温度对应力应变的影响（Hueckeletal.,2009)温度与临界状态应力比的关系：温度升高，土的密度增加，临界状态应力比提高。升温路径AB和加卸载路径ACB土的最终密度相同，依据超固结的概念得临界状态应力比：B升温卸载ANCL(T0)CNCL(T)ee0e1e2OpxTpxlnp目前五十九页\总数一百三十三页\编于十九点5.考虑温度影响的UH模型：屈服函数当前屈服面参考屈服面把随温度变化的屈服应力和临界状态应力比关系式引入UH模型目前六十页\总数一百三十三页\编于十九点5.考虑温度影响的UH模型：模型预测(a)OCR=1.0(b)OCR=3.0Kaolin粘土不同温度下的三轴排水剪切试验预测（Hueckeletal.,2009)目前六十一页\总数一百三十三页\编于十九点5.考虑温度影响的UH模型：模型预测升温对正常固结饱和黏土的影响(Hueckeletal.,

1993)目前六十二页\总数一百三十三页\编于十九点5.考虑温度影响的UH模型小结温度的改变不影响土的压硬性（λ、κ不变）温度的改变不影响土的剪胀规律（剪胀性）温度改变了土的屈服应力和临界状态应力比（摩擦性）根据以上规律将UH模型扩展到能考虑温度的影响YaoYP,ZhouAN.Non-isothermalunifiedhardeningmodel:athermo-elasto-plasticmodelforclays[J].Géotechnique,2013,63(15):1328-1345.YaoYP,YangYF,NiuL.UHModelconsideringtemperatureeffects.ScienceChina-TechnologicalSciences,2011.54(1):190-202.姚仰平,杨一帆,牛雷.考虑温度影响的UH模型.中国科学:技术科学,2011,41(2):158-169.姚仰平,万征,杨一帆等.饱和黏土不排水剪切的热破坏.岩土力学,2011,32(9):2561-2569.目前六十三页\总数一百三十三页\编于十九点初级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目前六十四页\总数一百三十三页\编于十九点加载速率会影响土的应力应变规律，慢速加载可能会产生更大的变形长期持荷会产生比较大的蠕变变形（例如比萨斜塔）比萨斜塔6.考虑时间效应的UH模型：问题的提出目前六十五页\总数一百三十三页\编于十九点6.考虑时间效应的UH模型：建模思想规律：常速率下的压缩线趋向于平行等向压缩的速率特性OlnpeB目前六十六页\总数一百三十三页\编于十九点OlnpeNCL蠕变EFt1t1

+10

天

t1

+100

天0INCLOCR=1，t=0CD等向压缩的蠕变特性假定：存在瞬时压缩线INCL6.考虑时间效应的UH模型：建模思想目前六十七页\总数一百三十三页\编于十九点正常固结状态瞬时压缩（AB段）延时压缩（BD段）一维弹粘塑性应力应变关系INCL6.考虑时间效应的UH模型：建模思想目前六十八页\总数一百三十三页\编于十九点超固结状态瞬时压缩延时压缩INCL一维弹粘塑性应力应变关系6.考虑时间效应的UH模型：建模思想目前六十九页\总数一百三十三页\编于十九点总变形公式应变率-应力率关系一维弹粘塑性应力应变关系6.考虑时间效应的UH模型：建模思想目前七十页\总数一百三十三页\编于十九点三维弹粘塑性屈服函数考虑时间影响的屈服面仿照一维的蠕变规律，构造时间参量并引入UH模型中当前屈服面参考屈服面6.考虑时间效应的UH模型：建模思想目前七十一页\总数一百三十三页\编于十九点6.考虑时间效应的UH模型：模型预测与验证(a)在η<M

时剪切持荷(b)在η>M

时剪切持荷不排水剪切蠕变考虑超固结度的影响目前七十二页\总数一百三十三页\编于十九点6.考虑时间效应的UH模型：模型预测与验证(a)应力路径(b)剪应变-时间曲线考虑应力水平的影响不排水剪切蠕变(c)孔压-时间曲线目前七十三页\总数一百三十三页\编于十九点6.考虑时间效应的UH模型：模型预测与验证(c)孔压-剪应变曲线(a)应力比-剪应变曲线等速率剪切(b)应力路径曲线考虑加载速率的影响目前七十四页\总数一百三十三页\编于十九点6.考虑时间效应的UH模型：模型预测与验证(a)应力-应变曲线(b)应力路径三轴压缩不排水剪切相同初始OCR，不同剪应变率目前七十五页\总数一百三十三页\编于十九点6.考虑时间效应的UH模型：模型预测与验证三轴压缩不排水剪切不同初始OCR，相同剪应变率(a)应力-应变曲线(b)应力路径目前七十六页\总数一百三十三页\编于十九点6.考虑时间效应的UH模型小结提出INCL的概念，以它为参考线，建立了一维的时间—应力—变形关系仿照一维的蠕变规律，建立了p-q-t坐标系下的屈服函数，从而得到考虑时间效应的UH模型YaoYP,KongLM,HuJ.Anelastic-viscous-plasticmodelforoverconsolidatedclays[J].ScienceChinaTechnologicalSciences,2013,56(2):441-457.姚仰平,孔令明,胡晶.考虑时间效应的UH模型[J].中国科学:技术科学,2013(3):298-314.YAOYP,KONGLM,ZHOUAN,etal.Time-dependentunifiedhardeningmodel:three-dimensionalelastoviscoplasticconstitutivemodelforclays[J].JournalofEngineeringMechanics,2014,doi:10.1061/(ASCE)EM.1943-7889.0000885.孔令明,姚仰平.考虑时间效应的K0各向异性UH模型[J].岩土工程学报（录用）目前七十七页\总数一百三十三页\编于十九点初级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目前七十八页\总数一百三十三页\编于十九点工程中遇到的土大多数处于非饱和状态。路面

回填

边坡

7.考虑非饱和影响的UH模型：问题的提出实际中，非饱和土又往往处于超压密和三维受力状态。无论从工程实际应用上，还是从理论的完备上，都有必要研究超固结非饱和土本构模型。目前七十九页\总数一百三十三页\编于十九点7.考虑非饱和影响的UH模型：试验研究超固结非饱和土湿化试验结果(s=200kPa)(姚仰平,牛雷,等.2011)？超固结非饱和土湿化分析超固结非饱和土的湿化曲线光滑？折线？目前八十页\总数一百三十三页\编于十九点7.考虑非饱和影响的UH模型：建模思路非饱和土UH模型UH模型巴塞罗那模型Cam-clay模型考虑屈服面与p轴交点随吸力的动态变化，建立LC屈服线采用UH参数考虑当前和参考屈服面与p轴交点随吸力的动态变化，建立LC屈服线正常固结饱和土模型超固结饱和土模型正常固结非饱和土模型超固结非饱和土模型交点交点交点目前八十一页\总数一百三十三页\编于十九点7.考虑非饱和影响的UH模型：模型预测超固结非饱和土湿化试验预测(姚仰平,牛雷,等.2011)湿化试验目前八十二页\总数一百三十三页\编于十九点7.考虑非饱和影响的UH模型：模型验证超固结非饱和土三轴压缩试验与模型预测

(姚仰平,牛雷,等.2011)三轴压缩试验目前八十三页\总数一百三十三页\编于十九点7.考虑非饱和影响的UH模型：模型验证超固结非饱和土三轴压缩试验与模型预测

(CelestinoRampino,etal.,2011)三轴压缩试验目前八十四页\总数一百三十三页\编于十九点7.考虑非饱和影响的UH模型：模型验证超固结非饱和土的真三轴模型预测与试验数据对比(牛雷,姚仰平,等.2011)真三轴试验θ=0°θ=7.5°θ=15°θ=22.5θ=60°θ=30°牛雷,姚仰平,崔文杰等.超固结非饱和土本构关系的三维化方法.岩土力学,2011,32(8):2341-2345.姚仰平,牛雷,韩黎明等.超固结非饱和土的试验研究.岩土力学,2011,32(6):1601-1606.姚仰平,牛雷,杨一帆等.考虑温度影响的非饱和土本构模型.岩土力学,2011,32(10):2881-2888.姚仰平,牛雷,崔文杰等.超固结非饱和土的本构关系.岩土工程学报,2011,33(6):834-839.YaoYP,NiuL,CuiWJ.Unifiedhardening(UH)modelforoverconsolidatedunsaturatedsoils[J].CanadianGeotechnicalJournal,2014,51(7):810-821.目前八十五页\总数一百三十三页\编于十九点初级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目前八十六页\总数一百三十三页\编于十九点岩土材料的强度特性摩擦效应静水压力效应中主应力效应8.UH模型三维化：广义非线性强度准则一般的强度包线应当具有如下特点：内聚力效应子午面上非线性偏平面上非圆目前八十七页\总数一百三十三页\编于十九点引入过渡应力空间压缩子午面——建立幂函数公式考虑材料摩擦效应考虑材料内聚力效应考虑材料静水压力效应8.UH模型三维化：广义非线性强度准则子午面强度包线非线性子午面破坏线三维破坏面目前八十八页\总数一百三十三页\编于十九点SMP准则偏平面上强度包线非圆偏平面破坏线三维破坏面8.UH模型三维化：广义非线性强度准则目前八十九页\总数一百三十三页\编于十九点广义MisesSMP偏平面破坏线三维破坏面8.UH模型三维化：广义非线性强度准则建立广义Mises与SMP准则的插值函数目前九十页\总数一百三十三页\编于十九点Tayoura砂(NakaiandMatsuoka1983)Monterey砂(ReddyandSaxena1993)预测结果:砂土8.UH模型三维化：广义非线性强度准则Parametersn=1σ0=0kPaMf=1.50α=0.5Parametersn=1σ0=0kPaMf=1.68α=0目前九十一页\总数一百三十三页\编于十九点Fujinomori黏土(NakaiandMatsuoka1986)预测结果:饱和黏土8.UH模型三维化：广义非线性强度准则Parametersn=1σ0=0kPaMf=1.36α=0目前九十二页\总数一百三十三页\编于十九点非饱和粉土(Matsuokaetal.2002)非饱和SP-SC土(Hoyosetal.2012)预测结果:非饱和土8.UH模型三维化：广义非线性强度准则Parametersn=1σ0=32kPaMf=1.33α=0Parametersn=1Mf=0.967α=0.4σ0=87.2,108.6,146.3kPa目前九十三页\总数一百三十三页\编于十九点Tayoura水泥砂(MatsuokaandSun1995)Monterey水泥砂(ReddyandSaxena1993)预测结果:水泥砂8.UH模型三维化：广义非线性强度准则Parametersn=1σ0=350kPaMf=1.46α=0Parametersn=1σ0=31.9kPaMf=1.54α=0.5目前九十四页\总数一百三十三页\编于十九点碎石(Shi2008)预测结果:碎石8.UH模型三维化：广义非线性强度准则Parametersn=0.79σ0=0kPaMf=2.49α=0.2pr=350kPa目前九十五页\总数一百三十三页\编于十九点红砂岩(Yuetal.2002)泥岩(Leeetal.2002)预测结果:岩石8.UH模型三维化：广义非线性强度准则pr=100MPaParametersn=0.92σ0=8MPaMf=1.91α=0pr=10MPaParametersn=0.68σ0=15MPaMf=2.2α=0.2目前九十六页\总数一百三十三页\编于十九点花岗岩(Yuetal.2002)大理石(TakahashiandKoide1989)预测结果:岩石8.UH模型三维化：广义非线性强度准则pr=100MPaParametersn=0.68σ0=15MPaMf=2.2α=0.53pr=50MPaParametersn=0.74σ0=0.12MPaMf=2.23α=0.7目前九十七页\总数一百三十三页\编于十九点混凝土(LaunayandGachon1970)预测结果:混凝土8.UH模型三维化：广义非线性强度准则pr=fcParametersn=0.89σ0=0.09fcMf=1.86α=0.2姚仰平,路德春,周安楠,邹博.广义非线性强度理论及其变换应力空间.中国科学(E辑),2004,34(11):1283–1299.YaoYP,LuDC,ZhouAN,etal.Generalizednon-linearstrengththeoryandtransformedstressspace.ScienceinChina(SerE),2004,47(6):691-709.目前九十八页\总数一百三十三页\编于十九点思路：通过应力的映射关系，将非圆的强度包线或屈服面变成圆8.UH模型三维化：变换应力方法本构模型应能反映土的三维强度和应力应变特性土的强度包线或屈服面在偏平面上非圆，不便于本构模型的三维化映射满足目前九十九页\总数一百三十三页\编于十九点变换应力公式8.UH模型三维化：变换应力方法根据SMP准则算得：目前一百页\总数一百三十三页\编于十九点根据Lade准则算得：根据广义非线性准则算得：8.UH模型三维化：变换应力方法目前一百零一页\总数一百三十三页\编于十九点变换应力与真实应力空间下的剑桥屈服面8.UH模型三维化：变换应力方法变换应力空间真实应力空间目前一百零二页\总数一百三十三页\编于十九点反映了应力水平对屈服面形状的影响变换应力方法g(θ)方法8.UH模型三维化：变换应力方法目前一百零三页\总数一百三十三页\编于十九点变换应力修正后的K0Cam-clay屈服面光滑变换应力方法g(θ)方法8.UH模型三维化：变换应力方法目前一百零四页\总数一百三十三页\编于十九点变换应力修正后的K0Cam-clay屈服面光滑变换应力方法g(θ)方法8.UH模型三维化：变换应力方法目前一百零五页\总数一百三十三页\编于十九点变换应力修正后的K0Cam-clay屈服面光滑变换应力方法g(θ)方法8.UH模型三维化：变换应力方法目前一百零六页\总数一百三十三页\编于十九点变换应力方法可以实现模型的三维化8.UH模型三维化MatsuokaH,YaoYP,SunDA.TheCam-claymodelsrevisedbytheSMPcriterion.SoilsandFoundations,1999,39(1):81–95.YaoYP,SunDA.ApplicationofLade’scriteriontoCam-claymodel.JournalofEngineeringMechanics,2000,126(1):112–119.姚仰平,路德春,周安楠.岩土材料的变换应力空间及其应用.岩土工程学报,2005,27(1):24–29.YaoYP,ZhouAN,LuDC.Extendedtransformedstressspaceforgeomaterialsanditsapplication.JournalofEngineeringMechanics,2007,133(10):1115–1123.YaoYP,WangND.Transformedstressmethodforgeneralizingsoilconstitutivemodels[J].JournalofEngineeringMechanics,2013,140(3):614-629.目前一百零七页\总数一百三十三页\编于十九点自由能函数耗散能增量函数：非负耗散应力迁移应力热力学基本理论8.UH模型三维化：变换应力的热力学基础目前一百零八页\总数一百三十三页\编于十九点基于热力学理论的三维化方法岩土材料偏平面屈服特性的热力学表达方式迁移应力耗散应力耗散应力空间与真实应力空间的应力变换耗散应力空间屈服面真实应力空间屈服面（修正剑桥模型）8.UH模型三维化：变换应力的热力学基础目前一百零九页\总数一百三十三页\编于十九点基于热力学理论的三维化方法考虑偏平面屈服特性的三维耗散空间偏平面上的应力变换中主应力在不同空间保持一致真实应力空间到耗散应力空间的转换关系8.UH模型三维化：变换应力的热力学基础目前一百一十页\总数一百三十三页\编于十九点基于热力学理论的三维化方法真实应力空间偏平面屈服面耗散应力空间偏平面屈服面8.UH模型三维化：变换应力的热力学基础目前一百一十一页\总数一百三十三页\编于十九点常见三维化方法的热力学对比直接引入强度准则的方法g(θ)方法不能保证耗散能的非负性TS方法真实应力空间到变换应力空间变换应力空间到耗散应力空间变换应力空间与耗散应力空间的一致性8.UH模型三维化：变换应力的热力学基础YaoYP,CuiWJ,WangND.Three-dimensionaldissipativestressspaceconsideringyieldbehaviorindeviatoricplane[J].ScienceChinaTechnologicalSciences,2013,56(8):1999-2009.目前一百一十二页\总数一百三十三页\编于十九点小结提出的广义非线性强度准则能够统一描述粘土、砂土、碎石、岩石、混凝土等材料的破坏特性提出了变换应力方法，满足热力学定理，能够反映复杂应力状态（中主应力）的影响，实现UH模型系列的三维化8.UH模型三维化目前一百一十三页\总数一百三十三页\编于十九点TS方法采用了非关联流动法则，应用于UH模型时，其弹塑性刚度矩阵是非对称的