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吉林省东部地区沼泽草炭土的应力路径本构模型研究

苏占东  
【摘要】:草炭土是一种广泛分布于我国长白山脉、大小兴安岭、青藏高原、川滇西北部、新疆大部山区的特殊土体,特有的气候、地形地貌及水文条件使地表沼泽环境中的植物遗体(包括根、茎、叶、果实等),在氧气和微生物(喜氧细菌)的作用下,转变成一种新的多水的富含腐殖酸的腐殖质土,其物质组分、物理性质、化学性质、水理性质以及力学性质都异常复杂,特殊的外部环境使其形成了不同于其他土类的特有性质,即高有机质、高压缩性、高含水量、高渗透性、大孔隙比、低分解度,同时它还具有一般软土的特性,即:非线性、流变性、弹塑性、压硬性、剪胀性、剪缩性以及各向异性。随着经济建设的快速发展,在这些草炭土分布地区进行大规模工程建设已成发展趋势,这必然会给草炭土地区的岩土工程设计带来诸多难题。一般土体的数值计算应同时考虑平衡条件、物理条件和变形条件,其中只有物理条件(本构关系)取决于材料固有的性质,是数值计算的关键。随着计算机技术的不断发展和数值计算方法的日趋成熟,求解数值方程组已经不再是困扰诸多学者的难题,而如何构建能合理描述土的强度和变形特性的本构模型成为土体工程数值模拟的关键。前期试验研究表明,土体的应力路径、物质组成以及结构等均对其本构关系有着明显的影响。而在诸多土类中,草炭土内含有大量的植物残体和有机质,其成分及结构的复杂性决定了应力路径对其本构模型的影响将更加显著。目前,季冻区草炭土地区的工程设计大多采用一般土体的常规路径本构模型,这和许多草炭土地区的实际工程难以相符,势必会带来理论计算与实际情形的较大偏差,工程问题也会随之产生,对于此类问题的解决亟待草炭土应力路径本构模型的出现,以便为实际的草炭土地区岩土工程设计以及工程问题的解决提供理论依据。基于上述原因,本文依托国家自然科学基金项目“季冻区沼泽草炭土的结构特性及本构关系研究”及吉林省交通运输厅的多个相关课题,针对吉林省东部地区沼泽草炭土的应力路径本构模型进行了深入研究,主要研究内容如下:首先对分解度和有机质含量与草炭土物理、力学指标的相关性进行了分析。其次利用正交设计试验原理对其进行应力路径试验方案设计,对四组原状草炭土进行三种应力路径的固结排水三轴压缩试验:CUAI应力路径(围压不变,轴压增加);CIAI应力路径(围压增加,轴压增加);CDAI应力路径(围压减小,轴压增加),研究不同应力路径下原状草炭土的偏应力-轴向应变或偏应变特性、体应力-体应变特性、强度特性以及加卸载状态下的卸载体缩特性,结合草炭土的分解度、有机质含量及微细观结构对其形成机理进行研究。最后运用非线性增量理论、弹塑性理论以及应力路径等效原理建立考虑应力路径的原状草炭土本构模型。得出主要结论如下:1.对草炭土物质组成与其物理、力学基本指标的相关性进行了探讨,从中发现:(1)随着有机质含量(未含植物残体和植物纤维)的增加,草炭土的天然密度和土粒密度均呈减小趋势,而含水率呈增大趋势,由于草炭土中的有机质多为腐殖质,其比重和密度均小于土颗粒,同时有机质颗粒具有很强的吸附能力,其颗粒表面的结合水较多。分解度愈小,植物残体占有率愈大,其比重和密度小于土颗粒,同时其管状结构可赋存大量水分,使含水率较大。(2)分解度越小,植物残体占有率越高,结构越疏松,土体内部植物根系在竖向荷载的作用下发生弯曲变形的同时产生侧向的拉张应力,回弹变形越大,故草炭土的压缩系数、压缩指数和回弹指数越大;而有机质含量越大,草炭土的亲水性越强,孔隙比越大,压缩性随之增强,同时草炭土中有机质颗粒粒径较小,卸荷后较易产生移位,故压缩系数、压缩指数和回弹指数越大。2.草炭土的CUAI应力路径试验研究得出:(1)当初始固结应力相同时,分解度大且有机质含量低的原状草炭土屈服点之前应变发展缓慢,这与其内含有较多粒径较大的黏性土颗粒有关,颗粒间的咬合作用和摩擦作用抵抗变形的能力更强。分解度大且有机质含量高的草炭土屈服点之前应变发展迅速,这主要是因为其内含有大量的有机质颗粒,吸水能力较强,使孔隙比增大,抵抗变形的能力较弱。(2)在较小的固结应力下,分解度大且有机质含量高的原状草炭土其体积应变随轴向应变的增长率最大,主要是因为较低的固结应力不足以使其内部微孔隙被充分填实,其内有机质颗粒在剪切荷载的作用下可以产生新的相对位移,而固结应力较大时,分解度大且有机质含量低的原状草炭土其体积应变随轴向应变的增长率最大,较大的黏粒组成的“骨架”结构被剪切荷载破坏的同时,原有微孔隙被剪碎的黏粒和有机质颗粒填充。(3)草炭土是一种高压缩性材料,受荷后容易产生较大的变形,因此可以通过分段线性来近似描述草炭土的非线性应力-应变关系,草炭土的弹性参数在每一时段内是常数,但在各个时间段会有差异,取决于当前时段的应力状态。3.草炭土的CIAI应力路径试验研究得出:(1)当固结应力水平较高时,原状草炭土卸载时会出现不同程度的卸载体缩现象。这一方面与草炭土中的位能转换作用以及植物残体和植物纤维的拉张作用有关,另一方面与草炭土成土过程中所形成的水力路径被挤密破坏有关。(2)在同一固结状态下,原状草炭土的屈服球应力和屈服偏应力均受分解度和有机质含量的共同影响:分解度越小,草炭土内大量的未分解植物残体和植物纤维能形成较多的“骨架”根状结构,受剪时提供排水路径的同时阻碍草炭土颗粒的相对错动,表现出较大的屈服应力;有机质含量越小,受剪时须克服的粒径较大黏粒的“咬合”作用力越大,表现出较大的屈服应力。(3)草炭土有着明显的结构性,当所受球应力小于屈服球应力时,原生结构性尚未破坏,体积变形较小,随着球应力的增加,其原生结构被不断破坏,土样的体积变形迅速发展,所以在半对数坐标系中,其球应力-体应变关系曲线和偏应力-偏应变关系曲线皆由幂函数曲线和直线共同组成,由非线性增量理论可得体应变和偏应变增量的数学关系。4.草炭土的CDAI应力路径试验研究得出:(1)CDAI应力路径下草炭土的卸载体缩现象比CIAI应力路径的更加明显。这主要是因为CDAI应力路径下草炭土的微结构胶结状态较容易地由点面接触转换为面面接触,同时,草炭土中植物根茎形成的横向水力路径较难破坏,从而产生更大的体缩量,且卸载体缩量随初始固结应力的增大呈现整体降低的趋势。(2)当同一固结应力下原状草炭土中有机质含量相差不大时,分解度愈小,其原生结构性愈强,偏应力-体应变关系曲线的转折点愈明显。同时,草炭土中植物根茎形成的水力路径将会在剪切过程中阶段性破坏,使偏应力随着体应变的发展出现明显的波动现象。(3)该应力路径下草炭土的偏应力与偏应变呈现双曲线关系,结合非线性增量理论可得偏应变增量的数学关系,而体应变增量皆由偏应力产生,但是其也与初始固结应力有关,结合修正剑桥模型的剪胀方程和增量弹塑性理论,可得出草炭土的塑性体应变增量的数学关系。5.运用应力路径等效原理和加卸载准则建立了能够反映吉林省东部地区原状草炭土的非线性、压硬性、卸载体缩性以及胀缩性的应力路径本构模型,结合常规路径的三轴试验对模型进行了验证,结果表明计算的应力-应变规律与试验结果基本吻合,能够较好地反映原状草炭土的变形和强度特性。


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