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天然软粘土的流变特性

但汉波  
【摘要】: 我国东南沿海地区广泛分布着深厚的软弱粘土层,随着经济社会的迅猛发展,越来越多大型的建(构)物选择修建于其上,这也为岩土工程界的设计和研究人员提出了更高地要求和挑战。天然软粘土的流变特性和循环剪切特性是决定软弱地基及其上部结构工后沉降和稳定性的主要因素,对其进行系统的研究将具有重要的工程实际意义,本文的研究和讨论也是围绕这一主题而展开的。 论文首先总结了前人的工作,并采用室内土工试验的手段,对K_0固结原状温州粘土的流变性状展开研究,以期对天然软土的流变性状及机理有更为全面的认识。在此基础上,建立了一个能反映K_0固结软粘土流变性状的弹粘塑性本构模型,通过进一步细化分析粘塑性软土各向异性的演化,引入了与模型相匹配的旋转硬化规律,提高了模型的适用性。然后采用此流变模型,分析了粘土屈服性状和强度的应变率效应,给出了相关应变率效应参数的解析表达。最后对K_0固结原状温州粘土进行了不排水的循环剪切试验,考察了粘土的循环累积性状和强度弱化效应,并采用本文流变模型对其循环剪切性状进行了模拟。 综上所述,本文在分析天然软粘土的流变性状的过程中,主要完成了以下一些工作: 1.开展了针对原状软粘土流变性的试验研究。通过一系列针对性的一维和三轴室内试验,对原状温州粘土的蠕变性状以及压缩性和剪切性状的率相关性进行了系统的考察,补充完善了温州粘土工程性状的试验成果,同时为本文建立的弹粘塑性本构模型提供必要的计算参数。 2.建立了K_0固结软粘土的弹粘塑性本构模型。借鉴过应力理论的建模思想,引入了对应于土体正常固结状态的参考面(f),在此基础上构建了一般应力条件下的弹粘塑性本构模型。考虑原位土体K_0固结历史诱发的各向异性影响,模型的加载面和参考面均为倾斜椭圆。通过与试验结果对比,验证了模型的有效性。 3.研究了K_0固结粘塑性软土的旋转硬化规律。考虑到土体粘性的影响,在本文流变模型的基础上引入了与之相匹配的旋转硬化规律,并通过考察等向固结过程中土体的体积变形,推求了旋转硬化参数b的解析表达式。通过计算对比和参数b的敏感性分析,探讨了引入旋转硬化规律的必要性。 4.分析了K_0固结软粘土的应变率效应。利用本文建立的弹粘塑性本构模型,定量考察了表观先期固结压力和三轴不排水强度的应变率效应,得到了各自的应变率效应参数的解析表达式。采用不同的强度取值标准,由本文模型分别获得了K_0固结软粘土的不排水压缩和拉伸强度的解析解。本文关系的计算结果与现有多数应变率效应试验结果均吻合较好。 5.开展了针对原状软土循环剪切性状的试验研究。通过对K_0固结原状温州粘土进行不同幅值、不同频率条件下的三轴不排水循环剪切试验,系统分析了土体在循环剪切过程中的应变累积、残余孔压和动强度等特性,详细探讨了荷载频率对土体循环剪切性状的影响。同时对粘土在循环加载后的静力抗剪强度弱化进行了定量的试验研究,得到规律性的结论。 6.对天然软土的循环剪切性状进行了流变学模拟。详细讨论了粘土不排水循环剪切的累积效应与静力蠕变特性的相似性,采用流变学思路,将其应力等效为蠕变过程来求解。利用反分析,得到了等效次固结系数(?)_α的计算式,并与本文弹粘塑性模型相结合,模拟分析了K_0固结原状温州粘土的不排水循环剪切的破坏性状和强度弱化,验证了本文流变等效计算方法的适用性。


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