考虑土非连续性的强度和变形理论研究项目摘要

现有土力学的许多理论大都是以连续介质为对象的研究成果，应用到像土这样的非连续、结构性强的介质中，没有达到真正解决实际工程问题的目的。如大部分土体本构模型的模型参数取值不确定性太大，造成应力应变计算结果波动过大，在工程应用中存在明显缺陷。项目研究拟基于土非连续介质和结构性强的特点，采用现代测试新技术（如超声波法、CT法和电阻率法等），通过土体微观结构分析试验与宏观力学特性试验相结合,探索土体结构描述新方法。建立土的应力状态方程，提出新的土体破坏准则，创立新的极限平衡方程，建立土的物理力学本构模型。通过室内大型模型试验和离心机模型试验验证提出的新理论，并通过数值分析和工程应用研究，进一步完善理论成果。项目研究对阐明结构性土的应力状态、强度和变形规律具有重要理论意义和工程应用价值。

根据项目研究目标，通过室内试验、室外试验和微观结构试验，以及理论研究、数值分析，工程应用研究，取得了一系列有重要理论意义的成果。主要成果有： 土的应力状态方程 针对土三相体特点，考虑土孔隙面积比，根据应力平衡条件，建立了土应力状态方程。 修正莫尔−库伦准则 针对不同级配的标准干砂，在不同固结压力下进行常规三轴试验，探讨了不同初始相对密实度对砂土抗剪强度的影响。结合试验结果建立了砂土抗剪强度指标与初始相对密实度之间的关系，进而考虑初始相对密实度对莫尔−库伦准则进行修正。 提出了两相非连续介质固结理论 非连续、两相耦合是饱和软土的重要特征。项目研究建立了非连续两相耦合的固结理论，考虑水、土作用面积的独立性，改进了有效应力的计算理论，该理论可以解释阿基米德无法解释的浮力问题。 Ÿ 建立了适用于软黏土的本构模型 针对软黏土的工程特性，以及低应力和高应力状态下Mohr-Coulomb屈服准则和椭圆屈服准则的不足。建立了以蛋形屈服面的弹塑性本构模型，建立了模型参数与土体物理参数之间的关系，可以更好地反映土体实际情况。 Ÿ 建立了土的微观结构与宏观力学的联系 以浙大紫金港软黏土为研究对象，采用SEM电镜研究黏土微观结构，对微观结构进行定性分析，描述微观形貌特征。基于Image Pro-Plus软件对SEM图像作定量分析，提出基于实测孔隙率的灰度阈值分割方法处理图像技术，重点测定了接触面积，并得到孔隙面积比与孔隙率的定量关系。 考虑颗粒接触面积的土压力计算理论 为了寻求更加合理的土压力计算理论，对杭州、宁波及奉化软土进行了大量的SEM图像扫描，从土体的微观结构出发，通过图像分析软件统计了软土孔隙率与接触面积率的关系，结合土体侧向应力传递的原理，建立了考虑接触面积的土压力计算理论。 共发表论文22篇，其中SCI收录4篇，EI收录17篇，ISTP收录2篇。培养博士3名，硕士3名，博士后1名。申请发明专利1项，完成专著书稿1本，完成项目鉴定1项。 该项目圆满完成了规定的内容，研究成果有力推动了非连续介质力学的发展，并为宏微观两方面建起桥梁。 2100433B

目录

前言

概述

上篇 基本强度和变形

1 混凝土材料的特点

1.1 非匀质、非等向的多相混合材料

1.2 复杂的微观内应力（变形）状态

1.3 变形的多元组成

1.4 应力状态和途径对力学性能的巨大影响

1.5 时间和环境条件对力学性能的影响

2 中心抗压强度

2.1 立方体和棱柱体抗压强度

2.1.1 立方体抗压强度（fcu）

2.1.2 棱柱体抗压强度（fpr）

2.2 受力变形和破坏过程

2.3 主要因素的影响

2.3.1 强度等级（fcu）的影响

2.3.2 水灰比和水泥用量的影响

2.3.3 粗骨料的影响

2.3.4 应变速度的影响

2.3.5 试件高度的影响

3 受压应力―应变全曲线

3.1 试验方法

3.1.1 实现稳定下降段曲线的条件

3.1.2 两类试验方法

3.1.3 液压千斤顶作为刚性元件的试验方法

3.1.4 试件应变速度分析

3.2 受压全曲线方程

3.2.1 全曲线的几何特点

3.2.2 分段的曲线方程

3.2.3 参数值

3.2.4 泊松比

3.3 受压曲线方程的比较和分析

4 不同混凝土的受压

4.1 高强混凝土的受压

4.2 轻骨料混凝土的受压

4.3 加气混凝土的受压

5 重复荷载作用

5.1 试验的重复荷载过程

5.2 强度和变形性能的比较

5.3 包络线和共同点、稳定点的轨迹线

5.3.1 包络线（EV）

5.3.2 共同点轨迹线（CM）

5.3.3 稳定点轨迹线（ST）

5.4 卸载和再加载曲线的形状及其计算式

5.4.1 曲线的一般形状及其机理

5.4.2 卸载曲线

5.4.3 再加载曲线

6 偏心受压

6.1 试验方法和一般受力规律

6.1.1 试验方法

6.1.2 一般受力规律

6.2 计算偏心受压应力－应变全曲线的方法

6.2.1 增量方程计算

6.2.2 给定方程，拟合参数

6.3 偏心受压应力－应变全曲线方程

7 受拉

7.1 试验方法和主要结果

7.1.1 受拉全曲线的试验方法

7.1.2 主要试验结果

7.2 受拉破坏过程和应力－应变全曲线

7.2.1 典型曲线和受力过程

7.2.2 破坏特征一一与受压破坏的区别

7.2.3 受拉全曲线方程

7.3 偏心受拉

7.3.1 主要试验结果

7.3.2 偏心受拉应力－应变全曲线及其方程

8 剪切

8.1 合理的试验方法

8.1.1 已有试验方法的分析

8.1.2 等高梁四点受力试验

8.2 抗剪强度

8.2.1 变形和破坏过程

8.2.2 抗剪强度分析

8.3 剪应力－应变曲线和剪切模量

8.3.1 剪应力－应变曲线和峰值剪应变

8.3.2 受剪曲线方程和剪切模量

下篇 多轴强度和本构关系

9 多轴试验的设备和技术

9.1 真三轴试验设备

9.1.1 常规三轴试验

9.1.2 真三轴试验

9.2 试验技术措施

9.2.1 优化承力系统的构造

9.2.2 试件居中

9.2.3 施加拉力

9.2.4 消减试件表面摩擦

9.2.5 量测应力和应变

9.2.6 控制应力（变）试验途径

9.2.7 标定单轴压、拉强度

10 多轴强度和变形的一般规律

10.1 二轴应力状态

10.1.1 二轴压/压

10.1.2 二轴拉/压

10.1.3 二轴拉/拉

10.2三轴应力状态

10.2.1 常规三轴受压

10.2.2 真三轴受压

10.2.3 三轴拉/压

10.2.4 三轴受拉

10.3 不同种类和强度等级的混凝土

10.3.1不同强度等级的混凝土

10.3.2加气混凝土

11 破坏机理和形态

11.1 典型破坏形态

11.1.1 拉断

11.1.2 柱状压坏

11.1.3 片状劈裂

11.1.4 斜剪破坏

11.1.5 挤压流动

11.1.6 两种基本破坏形态

11.2 不同破坏形态的应力范围

12 破坏准则

12.1 破坏包络面的特点和表达

12.2 五参数幂函数准则

12.2.1 基本公式

12.2.2 参数值的确定

12.2.3 与试验结果的比较

12.3 多轴强度设计值

12.3.1 按准则式的计算方法

12.3.2 三轴抗压强度

12.3.3 三轴拉/压和抗拉强度

12.3.4 二轴包络线

13 对已有破坏准则的评介

13.1 古典强度理论简介

13.1.1 最大拉应力理论

13.1.2 最大拉应变理论

13.1.3 最大剪应力理论

13.1.4 统计平均剪应力理论

13.1.5 Mohr－Coulomb理论

13.1.6 Drucker－Prager理论

13.2 混凝土破坏准则

13.2.1 Bresler－Pister

13.2.2 Willam－Warnke

13.2.3 Ottosen

13.2.4 Hsieh－Ting－Chen

13.2.5 Kots0v0s

13.2.6 Podgorski

13.3 准则表达式的统一和基本形式

13.4 各破坏准则的比较

14 各类本构关系简介

14.1 线弹性本构模型

14.1.1 各向异性材料的本构模型

14.1.2 正交异性材料的本构模型

14.1.3 各向同性材料的本构模型

14.2 非线弹性本构模型

14.2.1 Ott08en本构模型

14.2.2 Darwin－Pecknold本构模型

14.2.3 Gerstle－Stank0wski耦合本构模型

14.3 塑性理论模型

14.4 其它力学理论模型

15 非线弹性的正交异性本构模型

15.1 已有本构模型的验算

15.2 破坏形态和等效单轴应力－应变关系

15.2.1 拉应力指标α和破坏形态的界分

15.2.2 应力水平指标β

15.2.3 等效单轴应力－应变关系

15.3 基本方程和计算式

15.3.1 正交异性材料的基本方程

15.3.2 全量式本构模型

15.3.3 增量式本构模型

15.4 计算程序和结果

15.4.1 计算框图

15.4.2 多轴应力－应变的理论曲线

16 非单调比例加载时的性能

16.1 变应力途径的多轴受压强度

16.1.1 变途径二轴受压

16.1.2 定侧压三轴受压

16.2 定侧压二轴受压的变形

16.3 二轴受压应力重复作用

16.3.1 比例加卸载

16.3.2 定侧压加卸载

参考文献

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变形的性质和大小，既决定于荷载的大小、性质（静或动荷载）和持续的时间，也决定于土的性质、初始固结情况和应力历史等因素。土体的变形包括体积改变的压缩变形及颗粒和颗粒组成的结构单元相互滑移的剪切变形。当荷载不超过土的屈服强度时，以体积变形为主；当荷载超过屈服强度时，剪切变形成为主要部分。土体受力后，立即产生的变形，称瞬时变形。粘性土，尤其当水饱和时，大部分变形是随着土中孔隙水被缓慢挤出而产生固结变形。粘性土在应力不变的条件下可产生持续而缓慢的蠕变。受力变形后的土体，当外力移去时，一般情况下，部分可以恢复的变形称弹性变形；相当一部分不能恢复的变形称塑性变形。土的压缩变形　无侧向变形条件下的压缩　早期研究土的压缩性试验，土样装在厚壁金属环中，不能产生侧向变形，试验时分级施加竖向压力。当每级压力下土样变形停止后，再加下一级压力，由测微表量出土样在各级压力下的竖向应变。为应用方便常用孔隙比代替应变，可绘出图1所示孔隙比-压力曲线，称压缩曲线。在某一压力段(P1～P2)内可近似地把曲线当作直线，其斜率称压缩系数，反映了土在无侧向变形条件下的压缩性。轴对称应力状态下的压缩　通过圆柱形土样和三轴压缩仪试验装置，土样的轴向变形由测压杆的位移求得；侧向变形因沿土样高度不一致，不易求得，多根据土样的体积变化和轴向变形计算出其平均值。孔隙水压多用压力传感器量测。根据三轴试验中量得的主应力和相应的主应变的增量，可以用公式算出相应的割线模量及泊松比。三向应力状态下的压缩　为了研究土中主应力对土的变形和强度的影响，近十多年来国外已研制成不同型式的真三轴仪。土样用六个可以一起调整和相对滑动的刚性板包围，每对刚性板可以单独加压，这样土样承受三个互相独立、大小不同的主应力，即一般的三向应力。但仪器构造复杂，刚性板对土样表面摩擦的影响大，试验费时，正在不断改进中。土的剪切变形　土样剪切面上正应力保持不变时，其剪位移随剪应力增大，并呈曲线关系。密实砂土的剪应力-剪位移曲线有一峰值，即当剪应力达峰值后，随剪位移的继续发展，剪应力下降而趋于一定值；土体积发生膨胀。松砂的剪应力-剪位移曲线达峰值后，剪应力不变；其体积先发生压缩，后又趋向膨胀。如上所述，砂土在密实状态下剪切时体积膨胀，在松散状态下剪切时体积压缩，所以有一“临界孔隙比”，砂土在此孔隙比剪切时，体积变化为零。通过三轴排水剪试验研究，发现临界孔隙比受侧限压力的影响，随侧限压力的增大而减小。正常固结粘性土的剪应力和剪位移关系和松砂相似，超固结粘性土和密实砂土相似。蠕变　粘性土在不变的剪应力下，应变随时间而增长的现象，称为土的蠕变，也称徐变。应力较小时，应变随时间增加，但速率渐减而趋向一极限，如曲线A（图2）；应力较大时，应变随时间增长，但蠕变速率渐减，如曲线B；当应力大时（但仍低于通常试验所定强度），开始应变率随时间渐减，但随后又大增，从而导致土的破坏，如曲线C。蠕变的影响随粘性土的塑性指数和含水量的增大而增大。 2100433B

内容简介

本书是作者与其合作者，以及他们所指导的研究生们多年来在混凝土强度和变形方面的试验和理

论研究成果的汇集和总结。

全书分作上、下两篇，共16章。主要内容在上篇有：混凝土力学性能的基本特点，单轴受压、受拉和

剪切作用下的强度和变形规律，不同强度等级、应变（力）梯度、重复加卸载等情况下的性能；下篇有：混

凝土的多轴试验技术，多轴强度和变形的一般规律，破坏形态和机理、破坏包络面和准则表达式，非线弹

性本构模型，以及非单调比例加载时的性能等。

本书着重总结有关试验研究结果，分析混凝土受力性能的机理和一般规律，最终表达为适当的本构

模型，以便在理论分析和处理实际工程问题中应用。可供高等院校有关专业的师生，以及从事结构工程

的科研、设计和施工工作的技术人员使用。‘