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黏土本构建模理论与试验研究

周葆春  
【摘要】: 土体是一类地质材料,它包含大量的空隙,因此在较低的压力下土体塑性体积变形就可以发生。根据岩土塑性体应变与塑性剪应变的相互作用原理,土体塑性体应变的出现将引发塑性体应变与塑性剪应变之间的相互作用,从而导致土体复杂的变形性状。然而,在金属中,塑性体应变近似为零,故不存在这种相互作用;因此,金属的塑性变形是一个纯粹剪切变形过程。传统的土体本构建模方法来源于金属塑性势理论,本构建模的基本途径是寻找塑性势的解析表达式。显然,如上所述,金属塑性变形是一个纯粹剪切变形,容易找到塑性势的解析表达式,而对土体这是非常困难的。 基于反问题理论,反其道行之,在一定的理论框架内,直接从试验结果提取本构规律。这样一来,所获得的本构模型能够准确地反映出土体基本的力学响应特征。另外,借助于计算机,这种数值本构建模也容易实现。 本文在进行了大量黏土力学性质试验的基础上,将岩土本构关系的数值建模方法拓展到黏性土领域,在弹塑性理论的框架内,探讨黏土本构建模、本构关系和强度特性问题,主要包括3方面的工作:黏土本构关系的数值建模研究,应力历史与应力路径对黏土本构关系与强度特性的影响研究,黏土经典本构模型的参数研究与模型评价,取得了以下主要成果: (1)将岩土本构关系的数值建模方法拓展到黏性土领域,进行了增p排水剪切、等p排水剪切、常规三轴不排水剪切和减p排水剪切应力路径下正常固结土的三轴压缩试验,建立了这4种应力路径下黏土的弹塑性本构模型,给出了整个应力场中的应力应变关系,通过可视化显示为应力场中的空间应变曲面。特别是建立了减p路径和不排水条件下黏土的弹塑性本构模型,为土体挖方工程和不排水条件下的相应土体工程提供了符合实际的本构模型。通过应力应变关系可视化和数值模拟,表明数值建模方法能够比较全面地描述不同应力路径下的土体变形特征。此外,从模型的理论基础、基本框架和预测结果等方面将数值建模方法与传统方法进行对比,显示出数值建模方法优越于传统建模方法。 (2)对比4种应力路径下正常固结土的变形结果发现,无论在应力范围、应变峰值、应变曲面的形状和体积屈服轨迹的变化趋势上都存在显著差别,而剪切屈服轨迹相似,这些差别都是由应力路径相关性造成的。同时说明,土体本构关系中应力路径相关性不可忽视;而数值建模方法是描述土体应力路径相关性的有效方法。 (3)由不同应力路径下正常固结土的剪切与体积屈服轨迹的对比,表明应力路径对黏土应变硬化的演变过程有显著影响;同时说明,在土体弹塑性本构模型的传统建模方法中,通过假设屈服面的固定形式来描述土体应力应变关系是不准确的。 (4)基于正常固结土和超固结土的三轴压缩试验,根据塑性体应变与塑性剪应变的相互作用原理阐明,土体变形过程中,塑性体应变的变化控制了剪切抗力的升降,从而决定了土体应力应变关系曲线的类型;临界状态实际上是一个纯粹剪切变形过程,其中不发生塑性体应变与塑性剪应变之间的相互作用,压硬性、剪胀性、应力路径相关性统统消失,因此它与以前所经历的应力历史无关。 (5)基于不同应力路径下黏土的三轴压缩试验,根据塑性体应变与塑性剪应变的相互作用原理证明,土体塑性变形过程与应力路径相关和这种相关性是塑性体应变与塑性剪应变相互作用的综合表现,旋转硬化实际上是应力路径相关性在屈服面上的反映。 (6)为探讨应力路径对黏土有效抗剪强度参数的影响,在确保试样的初始状态、应力历史、排水条件、加荷速率、试验仪器、破坏取值标准均一致的前提下,进行了不同应力路径下同种重塑黏土的排水剪切三轴压缩试验,试验结果证实不同应力路径下重塑黏土有效抗剪强度参数有较大差异,并对此进行了定性分析。 (7)针对Duncan E-μ模型基于轴向应变与侧向应变关系为双曲线关系假设,而实际试验曲线常常偏离理想的双曲线关系,造成泊松比参数拟合的困难,提出利用通过应力水平为70 %与95 %对应点的直线拟合轴向应变与侧向应变之间关系,从而确定泊松比参数的改进方法,通过数值模拟体现出该方法与试验结果有更好的一致性。 (8)为解决《土工试验规程》建议的K-G模型未考虑土体剪缩性的问题,建议了一个3模量7参数K-G-D模型,给出了完整的应力应变关系式,该模型并未在规程模型的基础上增加试验工作,概念清晰、形式简单、便于实际应用;通过试验和数值模拟验证了模型的合理性与有效性,并对模型的适用范围进行了探讨。 (9)为解决修正剑桥模型应用中正常固结线与临界状态线拟合出的对数硬化模量不一致问题,基于修正剑桥模型的基本框架,从正常固结线与临界状态线的概念出发,推导出对数硬化模量与平均正应力之间的关系表达式,从而将两者统一起来,并通过数值模拟体现出该方法的合理性与有效性。


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