非飽和原狀土的結(jié)構(gòu)性與其本構(gòu)模型分析

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1、河海大學(xué)碩士學(xué)位論文這個(gè)過(guò)程中，土體受到膠結(jié)作用、淋溶、時(shí)間效應(yīng)等因素使土體產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)性。因此，土體的前期固結(jié)應(yīng)力由如增加到p，這就是土的結(jié)構(gòu)性。沈珠江院士指出土的結(jié)構(gòu)性研究將是2l世紀(jì)土力學(xué)研究重點(diǎn)“1，雖然重塑土和原狀土具有相同的礦物組成，可以反映原狀土的部分特性，但重塑土的物理力學(xué)性質(zhì)與原狀土相比仍有很大差異“1，如土的剪脹性、壓縮模量、剪切模量不同等。這些差異產(chǎn)生的原因有兩方面：一方面由于原狀土在沉積過(guò)程中，受到膠結(jié)、淋溶、時(shí)間效應(yīng)等因素的影響會(huì)具有一定的結(jié)構(gòu)性。結(jié)構(gòu)性對(duì)巖土材料來(lái)說(shuō)，就是指顆粒、團(tuán)粒和塊體的幾何排列以及相互的力學(xué)作用。另一方面

2、由于原狀土在沉積過(guò)程中，上部土層在自然或人工的力量下產(chǎn)生變化運(yùn)動(dòng)，而造成原狀土的應(yīng)力歷史復(fù)雜。近年來(lái)人們?cè)趯?shí)踐中逐漸認(rèn)識(shí)到原狀土的結(jié)構(gòu)性對(duì)土的各種性質(zhì)都有著重要的影響，從而開展了土體結(jié)構(gòu)性的研究。人們嘗試用結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)定量的描述土的結(jié)構(gòu)性并建立土的結(jié)構(gòu)化模型，這相對(duì)于以往原狀土特性定性的研究，無(wú)疑是一個(gè)顯著的進(jìn)步。目前有著三種典型的研究方法”1：(1)微觀結(jié)構(gòu)研究方法，通過(guò)利用先進(jìn)的微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)技術(shù)將土體的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，建立土體微觀參數(shù)與宏觀力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系。(2)固體力學(xué)研究方法，通過(guò)如損傷力學(xué)、彈塑性力學(xué)的方法建立一種能夠有效描述土

3、體結(jié)構(gòu)性在受力過(guò)程中變形和破壞的力學(xué)模型，由此反映土體的宏觀力學(xué)行為。(3)土力學(xué)試驗(yàn)研究方法，假定重塑土是完全無(wú)結(jié)構(gòu)的土，通過(guò)原狀土和重塑土做對(duì)比試驗(yàn)，得出可以描述結(jié)構(gòu)性破壞的結(jié)構(gòu)參數(shù)。以上三種研究方法從不同角度對(duì)原狀土的結(jié)構(gòu)性進(jìn)行了解釋與描述，分別有各自的適用性與局限性。本文將采用土力學(xué)試驗(yàn)研究方法與固體力學(xué)研究方法相結(jié)合的方式，對(duì)非飽和原狀膨脹土的結(jié)構(gòu)性進(jìn)行研究。本文將通過(guò)不同吸力值下的重塑土與原狀土的等向壓縮試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)對(duì)比，分析土的結(jié)構(gòu)性對(duì)土體應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系的影響，并在此基礎(chǔ)提出非飽和原狀土的本構(gòu)模型。1．2國(guó)內(nèi)外對(duì)非飽和土方面的研究現(xiàn)狀對(duì)

4、非飽和原狀膨脹土的剪切特性研究主要是基于非飽和土理論，所以，學(xué)界對(duì)非飽和土的抗剪強(qiáng)度理論與本構(gòu)模型的研究現(xiàn)狀是本文開展研究的基礎(chǔ)。下文簡(jiǎn)要介紹非飽2第一章緒論和土抗剪強(qiáng)度理論與本構(gòu)模型的研究現(xiàn)狀。1．2，1非飽和土抗剪強(qiáng)度理論土的抗剪強(qiáng)度是土的一個(gè)重要力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，它的準(zhǔn)確確定對(duì)土坡和地基穩(wěn)定分析及土壓力計(jì)算至關(guān)重要。Mohr—Coulomb強(qiáng)度理論可以準(zhǔn)確地確定飽和土的抗剪強(qiáng)度，對(duì)于非飽和土，目前主要有單變量非飽和土強(qiáng)度理論以及雙變量非飽和土強(qiáng)度理論應(yīng)用較廣。第一種是由Bish。p忉提出的，將單變量有效應(yīng)力仃‘=盯一％+z(心一“。)代入Mohr—c

5、oulomb準(zhǔn)則，得到：f=c‘+【(盯一％)+z(‰一“。)】tan礦。=ct+(盯一％)taIl≯’+z眈一“。)tan≯‘(1．1)式中，c’——有效祜聚力；廬’——有效內(nèi)摩擦角；盯——總應(yīng)力；％——孔隙氣壓力；Ⅳ?！牛端畨毫?；z——參數(shù)，取決于飽和度、土類、干濕循環(huán)以及加載和吸力的應(yīng)力路線。陳正漢”1從彈性理論出發(fā)，對(duì)非飽和土的有效應(yīng)力公式以及相應(yīng)的參數(shù)測(cè)定問題加以探討，推導(dǎo)出非飽和土的有效應(yīng)力公式：盯’一”等也飛)(1．2)與Bishop公式相比較可知：z：墨(1．3)z2西‘1·3’式中：K”表示飽和土體的體變模量，K“表示非飽和土體

6、的體變模量。z的值就與土的密度以及飽和度有關(guān)，這樣賦予z明確的物理意義。但同時(shí)也存在兩個(gè)問題：一是五”和足“的比值難測(cè)得；二是它沒有涉及剪脹性和濕化變形問題。Blight塒在利用兩組試驗(yàn)，每組兩個(gè)試樣，一組均為菲飽和試樣另一組為一個(gè)飽和試樣和～個(gè)非飽和試樣，分別從強(qiáng)度方面和體變方面研究了z值的變化特性，得出了兩個(gè)方面的z值各不相同的結(jié)果，從麗證實(shí)了應(yīng)用單應(yīng)力變量有效應(yīng)力理論上的不足。隨著研究的不斷深入，F(xiàn)redlund和Morgenstern的雙變量理論逐漸被人們接受。應(yīng)用的最多的是Fredlun∥1978年根據(jù)雙應(yīng)力變量提出的抗剪強(qiáng)度理論。公式如下：

7、河海大學(xué)碩士學(xué)位論文rr=c’+(盯一“。)tan礦’+(甜。一“。)tan≯5(1．4)式中‰為孔隙水壓力，”。為孔隙氣壓力；c’、廬’分別為飽和土的有效凝聚力與有效內(nèi)摩擦角；礦為與吸力相關(guān)的摩擦角，礦對(duì)于同一種土并非是一個(gè)常數(shù)，而是隨著吸力的改變而變化“?。顯然，對(duì)非飽和土的力學(xué)特性采用雙應(yīng)力變量比較合理““，因?yàn)橛行?yīng)力理論不僅需要能描述應(yīng)力狀態(tài)，而且要表達(dá)土的力學(xué)特性。非飽和土的力學(xué)特性不僅與外部?jī)魬?yīng)力(盯一“．)有關(guān)，同時(shí)也與吸力J密切相關(guān)，若只用一個(gè)應(yīng)力狀態(tài)變量明顯是不夠的“”。1．2．2非飽和土應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系非飽和土的應(yīng)力一應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系研

8、究已有40年以上的歷史，F(xiàn)redlund和Morgenstern?1，Alonso和Gens啪