淺談軟粘土結(jié)構(gòu)性、塑性各向異性及其演化

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1、浙江大學(xué)博士學(xué)位論文軟粘土結(jié)構(gòu)性、塑性各向異性及其演化姓名：沈愷倫申請學(xué)位級別：博士專業(yè)：巖土工程指導(dǎo)教師：王立忠20061201V101‘i3[J9軟粘土結(jié)構(gòu)性、塑性各向異性及其演化摘要我國東南沿海地區(qū)廣泛分布著深厚的軟弱粘土層。與其他地區(qū)典型的軟機上相似，該地區(qū)上層含水量大、壓縮性商且承載力較低，在其上建設(shè)高速公路、機場等工程難度人、成本高。以往對軟粘土的認識以及在工程設(shè)計時多是基丁J重塑上的室內(nèi)試驗結(jié)果，缺乏對天然沉積軟粘土：j：程性狀的研究。在所有天然軟糕土的影響因素巾，結(jié)構(gòu)性和塑性各向異性是其中重要的兩個方面。本文從臨界狀態(tài)土力學(xué)的基本原理出發(fā)，回顧了劍橋模型和修正劍橋的建

2、立和求解過程，評價了該模型對重塑軟粘上的適用情況以及應(yīng)用于天然軟粘土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和不排水強度計算時的缺陷。由此，本文首先根據(jù)天然軟粘土的屈服性狀，將修正劍橋模型各向同性的屈服面改進為各向異性的橢圓屈服面；然后參考次加載／超加載屈服面本構(gòu)模型，考慮了超固結(jié)和結(jié)構(gòu)性塒于土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的影響，建立了適用于各向異性的結(jié)構(gòu)性軟粘土的本構(gòu)模型；最后利用本文模型分析了硒固結(jié)軟粘土的不排水強度，并給出了應(yīng)用于實際工程的平均不排水抗剪強度推薦值。綜上所述，本文在分析軟粘土結(jié)構(gòu)性和塑性各向異性的過程中主要完成了以下一些工作：一、改進了修『F劍橋模型屈服面。根據(jù)國內(nèi)外典型天然軟粘土試驗得到的屈服面，本文

3、在修正劍橋模型各向同性的屈服面的基礎(chǔ)上，考慮了‰固結(jié)誘發(fā)的土體各向異性，采用傾斜橢圓作為本構(gòu)模型的屈服面；同時研究了硒固結(jié)軟粘上初始屈服面對應(yīng)的NCL的斜率，通過與試驗結(jié)果比較，建立了p'-q平面上NCL初始斜率值與I臨界狀態(tài)參數(shù)M以及凰系數(shù)的相關(guān)關(guān)系。_、研究了溫州軟粘土的結(jié)構(gòu)性和各向異性。對照Bothkennar軟粘十的物理力學(xué)性狀，本文豐要通過一系列GDS應(yīng)力路徑三軸試驗，揭示了溫州軟粘土作為一種典型的結(jié)構(gòu)性軟粘土，其初始屈服面存在明顯的各向異性，呈現(xiàn)出奉文模型所捕繪的傾斜橢圓的形狀；當(dāng)施加較大的等向應(yīng)力后，溫州軟粘土的結(jié)構(gòu)性逐漸喪失，各向異性也發(fā)生顯著變化，上體呈現(xiàn)出明顯的各

4、向同性的特征。三、采用了符合熱力學(xué)基本原理的硬化準(zhǔn)則。本文模型基于修難劍橋模型，在引入應(yīng)力誘發(fā)的各向異性時依據(jù)Collins提出的符合熱力學(xué)耗散原理的本構(gòu)模型，綜合考慮了體積應(yīng)變和剪切應(yīng)變對七體硬化的影響，從而避免了在各向異性模型中采用體積硬化規(guī)則而帶來的不符合熱力學(xué)原理的缺陷。四、研究了天然軟粘十中結(jié)構(gòu)性的演化艦律。本文模型參考次加載／超加載屈服面模犁，模擬了結(jié)構(gòu)性軟粘土屈服前后應(yīng)力應(yīng)變計算曲線連續(xù)過渡的性狀，同時體現(xiàn)了加載過手芏中軟粘土結(jié)構(gòu)性逐漸衰減的過程。本文在構(gòu)建奉構(gòu)模型時引入了結(jié)構(gòu)性參數(shù)尺和R+，并建立了其初始值與結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力比YSR和靈敏度S的相關(guān)關(guān)系，同時研究了其演化規(guī)

5、律。通過與試驗綿果對比發(fā)現(xiàn)，奉文模型Hz,。e．1z艮好的模擬p-q平面上三軸壓縮應(yīng)力路徑試驗的結(jié)果，而其他加載路徑尤其是三軸拉伸情況的模擬則需進一步考慮屈服面旋轉(zhuǎn)的影響。五、研究了天然軟粘土中各向異性的演化規(guī)律。本文模型采用旋轉(zhuǎn)硬化變量a的演化方程描述屈服面的旋轉(zhuǎn)性狀，研究了其初始值的確定方法，并在構(gòu)造演化方程時考慮了塑性剪切應(yīng)變和塑性體積對屈服面旋轉(zhuǎn)的綜合影響。同時，根據(jù)軟粘土的基本特性本文引入了旋轉(zhuǎn)極限曲線融工的概念，闡述了a甲衡狀態(tài)漸近值的取值方法。通過與試驗結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，對于三軸拉伸情況的加載應(yīng)力路徑而言，不考慮旋轉(zhuǎn)硬化將帶來較大的計算誤差，而本文模型的模擬結(jié)果更接近試驗曲

6、線。六、研究了結(jié)構(gòu)性軟粘土的破壞準(zhǔn)則。通過搜集對比國內(nèi)外各種軟粘土試驗成果和福建寧德軟土試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)等向固結(jié)和曬固結(jié)的M值(或有效內(nèi)摩擦角∥)很接近，可近似認為臨界狀態(tài)線CSL是與固結(jié)應(yīng)力狀態(tài)無關(guān)的。且在一定范圍內(nèi)，試驗證明多數(shù)軟粘土三軸壓縮和拉伸試驗得到的M值較為接近，廣義VonMises破壞準(zhǔn)則適用。本文模型符合上述試驗結(jié)果。七、研究了硒固結(jié)軟粘土的強度特性。本文模型推導(dǎo)了‰固結(jié)軟粘土在三軸和平面應(yīng)變情況下的不排水抗剪強度計算公式，并結(jié)合現(xiàn)有的試驗數(shù)據(jù)將其與此前的其他模型計算結(jié)果進行了對比分析，指出了本文模型的合理之處。最后，采用上述方法本文過對正常固結(jié)軟粘土的三軸試驗和平面應(yīng)

7、變試驗結(jié)果進行了計算，結(jié)果表明本文方法在20?！?0。的計算值與實際工程的反演結(jié)果接近，本文計算結(jié)果可作為工程應(yīng)用的推薦值，具有較強的工程指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：軟粘土；結(jié)構(gòu)性；塑性各向異性：Ko固結(jié)；本構(gòu)模型；演化規(guī)律；旋轉(zhuǎn)硬化：三軸試驗；不排水強度lIDegradationofSoilStructureandAnisotropicPlasticityEvolutionofNaturalClayAbstractSoftclaysarewidelydistrib