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水力—力学耦合的非饱和土本构关系及其数值算法研究

李吴刚  
【摘要】:非饱和土广泛分布于地球表层,大量的基础设施,如铁路、公路和机场跑道等,修建于非饱和土层之上,基础设施的使用性能与非饱和土的力学性质密切相关。非饱和土是由土颗粒、孔隙水和孔隙气组成的三相混合物,性质复杂多变,对非饱和土的研究仍处于探索阶段,理论尚未完善。研究非饱和土的本构关系无疑对设计新的土工结构、指导工程施工和评价原有设施的安全性都具有重大的意义。本文对非饱和土、非饱和膨胀土和超固结非饱和土的力学性质进行了详细的研究,建立了相应的本构关系,并将本构关系和有限单元法结合,用于工程问题的计算分析,本文主要的研究成果如下:(1)对非饱和膨胀土的膨胀机理进行了分析,指出以非饱和膨胀土的宏观性质为基础建立宏观尺度的非饱和膨胀土的本构关系是可行的。提出了非饱和膨胀土的宏观结构中性加载屈服面假设,推导了宏观结构中性加载屈服面方程和非饱和膨胀土发生塑性膨胀变形时的体变方程,建立了宏观尺度的非饱和膨胀土的本构关系,该模型与原模型相比只引入一个新的参数。采用宏观结构中性加载屈服面概念建立的非饱和膨胀土本构关系不需要分析膨胀土的微观尺度变形,也不需要通过耦合方程计算宏观尺度的塑性膨胀变形,和双尺度的非饱和膨胀土的本构关系相比,具有参数少,参数容易确定,模型框架简单等特点。最后采用文献中的试验数据对宏观尺度的非饱和膨胀土的本构关系进行了验证,证明了该模型的正确性。(2)非饱和土的复杂性质是水力-力学耦合作用的结果,对非饱和土的体变特性进行了详细的分析,提出了非饱和土硬化效应的概念,建立了饱和度与硬化效应之间了关系。采用饱和度和骨架应力作为基本的本构变量,推导了非饱和土的体变方程,结合临界状态土力学,建立了水力-力学耦合的非饱和土的本构模型。该模型对非饱和土的体变特性从饱和度对非饱和土硬化效应影响的角度进行了解释,非饱和土的硬化效应由饱和度控制,饱和度发生变化时,非饱和土的硬化效应随之改变,从而影响非饱和土的体变特性,若饱和度保持恒定,则非饱和土的压缩曲线与饱和土的压缩曲线平行。结合孔隙介质理论,最后通过排水条件和不排水条件下的非饱和土的压缩试验数据和三轴剪切试验数据验证了该模型的正确性。(3)引入下负荷面的概念,将水力-力学耦合的非饱和土本构模型推广至超固结非饱和土的本构模型,并给出了该模型的隐式积分算法,与初始模型相比,该模型只增加了一个参数。该模型能够较好地考虑超固结对非饱和土力学性质的影响,能够预测超固结非饱和土的许多力学特性,如:超固结非饱和土的应变硬化和应变软化现象,剪胀和剪缩特性,同时也能够预测饱和度对超固结非饱和土力学性质的影响。通过模型预测结果与文献中试验数据的对比,证明了该模型的正确性。(4)对饱和度恒定条件下的非饱和土的力学性质进行了探索,通过同时控制非饱和土试样的孔隙比和基质吸力,达到了控制非饱和土试样饱和度的目的,并对非饱和土进行了饱和度恒定的一维压缩试验。试验结果表明在饱和度恒定的条件下非饱和土的压缩曲线与饱和土的压缩曲线平行,该试验结果验证了从饱和度对硬化效应影响的角度对非饱和土体变特性的解释。(5)基于孔隙介质理论,推导了非饱和土固-液-气耦合的控制方程,并结合本文提出的水力-力学耦合的非饱和土的本构关系,给出了非饱和土固-液-气耦合的有限元算法,通过数值模拟结果与土柱渗流试验结果的对比验证了该算法的有效性,最后对非饱和土相关的工程问题进行了有限元分析,数值计算结果表明地下水位上升对条形基础的承载力和土质边坡的稳定性均会产生不利影响。


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