非饱和原状土的结构性与其本构模型分析

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1、河海大学硕士学位论文这个过程中，土体受到胶结作用、淋溶、时间效应等因素使土体产生了结构性。因此，土体的前期固结应力由如增加到p，这就是土的结构性。沈珠江院士指出土的结构性研究将是2l世纪土力学研究重点“1，虽然重塑土和原状土具有相同的矿物组成，可以反映原状土的部分特性，但重塑土的物理力学性质与原状土相比仍有很大差异“1，如土的剪胀性、压缩模量、剪切模量不同等。这些差异产生的原因有两方面：一方面由于原状土在沉积过程中，受到胶结、淋溶、时间效应等因素的影响会具有一定的结构性。结构性对岩土材料来说，就是指颗粒、团粒和块体的几何排列以及相互的力学作用。另一方面

2、由于原状土在沉积过程中，上部土层在自然或人工的力量下产生变化运动，而造成原状土的应力历史复杂。近年来人们在实践中逐渐认识到原状土的结构性对土的各种性质都有着重要的影响，从而开展了土体结构性的研究。人们尝试用结构参数来定量的描述土的结构性并建立土的结构化模型，这相对于以往原状土特性定性的研究，无疑是一个显著的进步。目前有着三种典型的研究方法”1：(1)微观结构研究方法，通过利用先进的微观结构观测技术将土体的微观结构与宏观力学实验相结合，建立土体微观参数与宏观力学参数之间的关系。(2)固体力学研究方法，通过如损伤力学、弹塑性力学的方法建立一种能够有效描述土

3、体结构性在受力过程中变形和破坏的力学模型，由此反映土体的宏观力学行为。(3)土力学试验研究方法，假定重塑土是完全无结构的土，通过原状土和重塑土做对比试验，得出可以描述结构性破坏的结构参数。以上三种研究方法从不同角度对原状土的结构性进行了解释与描述，分别有各自的适用性与局限性。本文将采用土力学试验研究方法与固体力学研究方法相结合的方式，对非饱和原状膨胀土的结构性进行研究。本文将通过不同吸力值下的重塑土与原状土的等向压缩试验和剪切试验对比，分析土的结构性对土体应力一应变关系的影响，并在此基础提出非饱和原状土的本构模型。1．2国内外对非饱和土方面的研究现状对

4、非饱和原状膨胀土的剪切特性研究主要是基于非饱和土理论，所以，学界对非饱和土的抗剪强度理论与本构模型的研究现状是本文开展研究的基础。下文简要介绍非饱2第一章绪论和土抗剪强度理论与本构模型的研究现状。1．2，1非饱和土抗剪强度理论土的抗剪强度是土的一个重要力学性质指标，它的准确确定对土坡和地基稳定分析及土压力计算至关重要。Mohr—Coulomb强度理论可以准确地确定饱和土的抗剪强度，对于非饱和土，目前主要有单变量非饱和土强度理论以及双变量非饱和土强度理论应用较广。第一种是由Bish。p忉提出的，将单变量有效应力仃‘=盯一％+z(心一“。)代入Mohr—c

5、oulomb准则，得到：f=c‘+【(盯一％)+z(‰一“。)】tan矿。=ct+(盯一％)taIl≯’+z眈一“。)tan≯‘(1．1)式中，c’——有效祜聚力；庐’——有效内摩擦角；盯——总应力；％——孔隙气压力；Ⅳ。——吲．隙水压力；z——参数，取决于饱和度、土类、干湿循环以及加载和吸力的应力路线。陈正汉”1从弹性理论出发，对非饱和土的有效应力公式以及相应的参数测定问题加以探讨，推导出非饱和土的有效应力公式：盯’一”等也飞)(1．2)与Bishop公式相比较可知：z：墨(1．3)z2西‘1·3’式中：K”表示饱和土体的体变模量，K“表示非饱和土体

6、的体变模量。z的值就与土的密度以及饱和度有关，这样赋予z明确的物理意义。但同时也存在两个问题：一是五”和足“的比值难测得；二是它没有涉及剪胀性和湿化变形问题。Blight埘在利用两组试验，每组两个试样，一组均为菲饱和试样另一组为一个饱和试样和～个非饱和试样，分别从强度方面和体变方面研究了z值的变化特性，得出了两个方面的z值各不相同的结果，从丽证实了应用单应力变量有效应力理论上的不足。随着研究的不断深入，Fredlund和Morgenstern的双变量理论逐渐被人们接受。应用的最多的是Fredlun∥1978年根据双应力变量提出的抗剪强度理论。公式如下：

7、河海大学硕士学位论文rr=c’+(盯一“。)tan矿’+(甜。一“。)tan≯5(1．4)式中‰为孔隙水压力，”。为孔隙气压力；c’、庐’分别为饱和土的有效凝聚力与有效内摩擦角；矿为与吸力相关的摩擦角，矿对于同一种土并非是一个常数，而是随着吸力的改变而变化“⋯。显然，对非饱和土的力学特性采用双应力变量比较合理““，因为有效应力理论不仅需要能描述应力状态，而且要表达土的力学特性。非饱和土的力学特性不仅与外部净应力(盯一“．)有关，同时也与吸力J密切相关，若只用一个应力状态变量明显是不够的“”。1．2．2非饱和土应力一应变关系非饱和土的应力一应变本构关系研

8、究已有40年以上的历史，Fredlund和Morgenstern⋯1，Alonso和Gens啪