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《北京交通大学》 2010年 博士论文
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非饱和原状土土—水特征曲线及本构模型的研究

金旭  
【摘要】: 原状土具有一定的结构性,主要以非饱和状态存在于自然界中。与饱和土不同,非饱和土是由土粒(固相)、孔隙水(液相)、孔隙气(气相)和液-气交界面四相体系构成的。这四相体系的变化是影响土结构性的内因,外因(如外力或吸湿)则是通过影响内因起作用的。因此,原状土的力学性能要比室内重塑土的复杂得多。若采用室内重塑土的试验结果去解决实际工程问题,则可能会造成安全隐患或不必要的经济浪费。因此,在建立非饱和土本构模型中考虑土结构性的影响具有重要的理论意义和应用价值。 本文针对非饱和原状土开展了室内试验研究和理论研究工作,并取得了以下研究成果: (1)利用Fredlund SWCC压力仪对北京市平谷新城区不同深度处的原状粉质粘土进行了室内的土水特征曲线(Soil-Water Characteristic Curve, SWCC)试验研究,并考察了土体初始孔隙比对土水特征曲线的影响。最后采用BrooksCorey给出的土水特征曲线方程对实验结果进行了拟合和分析。分析结果表明:孔隙比对这种原状粉质粘土土水特征曲线的进气值sα和孔隙分布指数δ的影响比较大,而对残余含水量θr的影响相对较小; (2)分别给出了Assouline土水特征曲线方程中参数ζ和υ与土体孔隙率n之间的关系式,并利用已有实测数据对所提出的关系式进行了验证,结果表明:该关系式能够较好的反映参数随孔隙率增加或减少的变化规律;将所给出的关系式与Assouline (1998)所给出的土水特征曲线方程相结合,给出了七种不同土(包括原状粉质粘土)的预测结果和实测结果的对比,结果表明:本文所给出的方法对这七种土都能给出比较好的预测结果; (3)在Desai提出的扰动变量的基础上提出了适用于描述非饱和土结构性劣化的耦合扰动状态变量的概念,该扰动变量可表示为吸湿扰动变量和外力扰动变量的函数。给出了耦合扰动变量的演化方程,方程中定义了新的结构性参数衰减指数α和峰值强度因子β。在复合材料均匀理论以及Alonso (1990)提出的BBM模型的基础上建立了适用于非饱和原状黄土的结构性本构模型。通过将新模型、BBM模型的预测结果与试验结果进行对比以及对结构性参数进行分析说明,新模型能够更好的描述原状土体的力学特性,所提出的耦合扰动状态变量的概念及其演化方程也是合理和可靠的; (4)应用上述研究成果,并采用复合体均匀化理论的思想,建立了考虑水的滞后性与土骨架变形耦合的非饱和原状土本构模型。模型中采用了非饱和土骨架有效应力σ和基质吸力s作为应力状态变量。其中,相对完整状态土和完全调整状态土的固相变形特性分别采用弹性和弹塑性本构模型描述;根据上述(2)的理论研究内容以及Wei提出的边界面模型,建立了可以考虑土体变形影响的液相本构模型。在已有膨胀土实验数据的基础上,对结构性参数α、β和ξ对土体剪切性的影响进行了分析。模型预测结果与三轴排水剪切试验结果的对比表明:新模型基本上能够较好地模拟原状土剪切应力-应变特性,尤其是描述原状土的软化现象。


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