《饱和与非饱和土的三维弹塑性本构模型》

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项目所属科学技术领域为岩土工程学科中的土力学范畴。

所有建筑物和构筑物都建在地表上,而地表土处于饱和或非饱和状态。该项目对饱和与非饱和土的工程性质和本构模型进行了十余年的研究,主要取得以下创新性成果:

(1)提出土体的本构模型三维化方法-变换应力法。应用该方法,把Lade和松岗-中井等著名的三维屈服破坏准则结合到剑桥模型,改进该经典本构模型的三维性能。基于该项目提出的变换应力法和统一硬化参数,提出和验证了粘土和砂土的统一三维应力弹塑性本构模型。

(2)提出一个可统一预测三维应力下非饱和土的力学性质和持水特性耦合的弹塑性本构模型。该模型不仅考虑了吸力对非饱和土的应力应变关系、强度和饱和度的影响,而且还考虑了饱和度对非饱和土的应力应变关系和强度的影响以及变形对持水特性的影响。模型进一步发展成能统一考虑非饱和压实土初始密度的影响。

(3)开发了非饱和土三轴试验的侧向应变量测系统,用该三轴试验系统进行了一系列试验研究,取得了国际上屈指可数的三轴压缩应力和三轴伸长应力条件下非饱和土的试验结果,揭示了三维复杂应力下非饱和土的湿化变形和持水特性,得出非饱和土的土水特征曲线与所受应力状态无直接关系,而取决于土体孔隙结构的重要结论,给出了非饱和土的土水特征曲线随孔隙比变化规律,为建立持水-力学特性耦合的本构模型奠定了基础。

英国皇家工程院Antoni Gens院士作的第47届Rankine讲座(该讲座是英国岩土工程学会每年邀请一位世界上最有学术成就的学者作学术报告,并把报告内容刊登在Geotechnique上作为讲座论文,是国际岩土工程学术界的最高荣誉)中详细介绍该项目成果(3);而在该讲座论文中把成果(2)列为国际上代表性非饱和土本构模型之一。成果(3)的非饱和土三轴试验数据是国际上仅有几组典型实验数据之一,被国外学者(如俄克拉荷马大学、捷克布拉格查尔斯大学、米兰理工大学、卡尔斯鲁厄理工学院、波城大学、皇家墨尔本理工大学、克雷塔罗自治大学、德黑兰大学和KN图什理工大学等)以及国内学者(如中科院武汉岩土所、大连理工和北京交大等)广泛使用,用于验证各自提出的本构模型。

第一完成人受邀在第4届亚太地区非饱和土会议(2009年,澳大利亚纽卡)上作Keynote报告、第6届国际非饱和土会议(2014年,悉尼)和第7届国际非饱和土会议(2018年,香港)上作邀请报告,介绍该项目成果(2)和(3)。第二完成人被遴选为第18届黄文熙讲座主讲人和在第15届国际岩土力学计算方法与进展大会上等多次做特邀报告,介绍该项目成果(1)。

八篇代表性论文均发表在国际著名学术刊物上,他引456次,其中SCI他引298次;引用论文的作者主要来自欧美各国。部分成果编入研究生教材,用于国家基金委重大研究计划集成项目的研究等,也直接应用于贵阳龙洞堡新机场高填方工程的分析预测等。

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