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饱和软粘土的微结构特性及其微观弹塑性本构模型

孔令荣  
【摘要】: 随着我国沿海地区的高速发展,大型地下及地上建筑不断涌现,这些建筑大都坐落于分布广泛的海积软土之上,而与此有关的软土工程问题愈来愈突出。而海积软土的微结构特性使得一些传统的基于软土体理论的本构模型在计算软土的变形和破坏时与实际情况存在较大差异,这也使得研究考虑微结构的海积软土的本构模型,成为目前针对软土特性研究的热点问题。论文以上海饱和软粘土为研究对象展开研究。开展的主要研究内容及取得成果如下: 1.通过对上海饱和粘土能谱分析试验、扫描电镜(SEM)试验分析了上海饱和软粘土的矿物成分和微观结构组成,揭示了上海饱和软粘土的微结构特征。从颗粒的定向分布、颗粒的平均表面面积及颗粒的形状三个方面,对不同固结压力条件下试样的水平切面和垂直切面(沉积面)的SEM图像进行定量分析,揭示了土体发生变形的宏观机制及土体在受力过程中具有逐渐破损、产生各向异性的特征。 同时对上海淤泥质粘土的重塑土样进行了单轴固结试验,结合扫描电镜试验的图像进行定量分析,并与原状试样的结果进行了对比,得到了上海粘土重塑土样的微结构特性和受力变化规律。 2.运用压汞试验方法对上海淤泥质粘土在不同的固结压力作用下的微观孔隙和相应的土体渗透系数的关系进行了研究。结果表明:上海淤泥质粘土主要孔隙半径多分布在0.2μm-1.2μm之间。但随着固结压力的增大,主要孔隙半径减小,总体积逐渐减小。通过已有的几种渗透系数模型对上海淤泥质粘土的渗透系数与孔隙分布数据拟合,发现水头半径影响模型比较适合表达上海的渗透系数,并给出了渗透系数与孔隙的定量关系。 3.建立了考虑微结构的饱和软粘土的弹塑性本构模型。在Chang Hicher(2005)建立的考虑微结构效应的粒状材料弹塑性本构模型的基础上,建立了一个考虑微结构的粘土微观弹塑性本构模型。模型中假设粘土团粒是由一系列的粒子组成,这些团粒在受力过程中不能发生断裂破损。模型中应力-应变的关系是通过土团粒接触面上各个方向上位移、应力的积分求得。对模型接触面的分析采用了基于Hertz-Mindlin弹性法则和Mohr-Coulomb塑性法则,引入了双屈服面函数反映接触面上的塑性位移变化。并采用大量的不同类型的试验对模型进行了验证,发现该模型可以从微观角度反映出土体的宏观的应力-应变关系,模型预测的结果与大量的试验结果具有较好的一致性;除此之外,该模型还可以模拟出上述不同固结条件下的粘土(正常固结土、超固结土)在不同的试验条件下(三轴排水、不排水试验、单轴固结试验)的剪胀、剪缩的特性。 为了验证该模型对上海饱和软粘土的适用性,运用GDS三轴试验仪器对上海淤泥质粘土进行三轴排水试验,同时搜集到了淤泥质粘土的不排水试验结果及淤泥质粉质粘土的三轴排水和不排水的试验结果,根据上述上海粘土试验结果对考虑微结构的弹塑性本构模型进行了验证,结果表明上海粘土具有加工硬化的特点、应力-应变关系成双曲线形状;本文的微观本构模型可以较好的模拟上海粘土的应力-应变关系和应力路径的特点。同时根据模拟结果对颗粒接触面上不同方向向量的力学特性进行分析,得到接触面上不同的典型方向上剪切应力发展是不同的,其对土体的宏观剪切破坏贡献也不尽相同。所得模型可以从微观的角度定量的反映土体破坏的宏观机制。 4.建立了考虑微结构特性的各向异性本构模型。在上述考虑微结构的饱和软粘土的弹塑性本构模型的基础上将考虑组构的各向异性的二阶组构张量引入接触面上的刚度、硬化参数、剪胀系数等参数中,由此反映材料引起的各向异性和应力引起的各向异性。最后通过San Francisco Bay粘土三轴不排水垂直面和水平面在分别加载情况下的试验结果、上海粘土三轴排水情况下不同取土方向上(0度、90度)的试验结果及典型粘土高岭土的不同K_0固结条件下的试验结果,验证了此模型能够模拟材料各向异性和由应力引起的各向异性。


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