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真三轴条件下黄土的结构性参数及结构性本构关系研究

邓国华  
【摘要】: 结构性是天然岩土材料的基本属性,其定性和定量上的复杂性致使土结构性的研究仍处于一个“百花齐放”的探索阶段。本文在总结土结构性及其力学效应研究成果的基础上,借助新开发的真三轴仪,在综合结构势理论的框架内,进一步深入认识了土结构性的变化规律,并探讨分析了结构性土的强度变形本构关系。主要的研究成果有: 第一,调试和完善了西安理工大学自主研发的新型真三轴仪。解决了该仪器系统存在的几个关键技术问题,如液压囊漏水问题、排水控制问题、仪器系统误差分析、附属设备的设计等。同时,对试验方法进行翔实的总结,并提出了仪器系统尚存在的问题。 第二,通过真三轴仪,研究了原状黄土、重塑黄土和饱和黄土的应力应变和体变特性。提出了一个可全面反映剪应力和球应力共同作用的结构性参数——应力比结构性参数,实现了应力空间内任意应力路径下对土结构性的描述。通过常规三轴试验和真三轴试验,系统地认识了土结构性的变化规律以及它与剪切变形、含水量、固结压力和应力路径之间的关系,建立了描述结构性变化规律的数学表达式,并揭示了真三轴条件下土样的四种破坏形式。 第三,建立了土的强度与结构性之间的关系,提出了一个可考虑结构性的抗剪强度公式,分析了强度参数粘聚力和内摩擦角与结构性参数之间的关系。认为结构性参数比与强度比成正比关系,粘聚力与结构性参数符合近似的双曲线关系,当土的结构性遭到彻底破坏时,其粘聚力为0。摩擦角在结构性变化过程中基本不变。 第四,分析了应力空间内土的强度破坏面,探讨了强度破坏面的大小和形状与结构性之间的关系。认为结构性较强时,粘聚分量对土强度的贡献较大,三轴压缩与三轴挤伸状态时土的强度变化不大,其破坏面可以用Mises准则描述;结构性较弱时,粘聚力贡献较小或近于丧失,土的强度主要受颗粒摩擦特性的控制,其强度破坏面可以用Mohr-coulomb准则描述。随着结构性的增大,强度破坏面逐渐向外扩展。 第五,分析了结构性土准先期固结压力、压缩曲线直线段斜率和回弹段斜率与结构性参数之间的关系。在剖析等结构性条件下土的临界状态力学特性和剑桥模型的基础上,结合土结构性的变化规律和结构性土的强度变形规律,建立了结构性土的弹塑性模型。模型引入了随结构性变化的压缩特性和临界状态线,能够合理的反映结构性土的变形特性。由分析可知,剑桥模型只是该模型在结构性参数等于1时的特殊情况。


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