基于损伤理论的软黏土动力变形机理分析

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1、基于损伤理论的软黏土动力变形机理分析AnalysisoftheDynamicDeformationMechanismofSoftClaybasedonDamageTheory学科专业：土木工程研究生：许英刚指导教师：雷华阳教授天津大学建筑工程学院二零一七年十一月摘要随着中国沿海地区经济的发展，大量城市轨道交通工程和基础设施投入建设当中，然而沿海城市地下广泛分布软黏土，由于其具有典型的“三高两低”工程特性，即高孔隙比、高压缩性、高含水率、低渗透和低抗剪强度，因此在实际服役过程中易引发路基沉降过量的问题，为行车的运营带来极大的安全隐患。为此，

2、探究其动载条件下的变形机理，对于预防和控制路基沉降及不均匀沉降，提供灾变应对策略具有重要的意义。本文以天津地区饱和软黏土为研究对象，系统开展循环荷载下的变形特性，同时结合扫描电镜试验（SEM）及压汞试验（MIP），对饱和软黏土循环荷载下的微观结构特征进行了分析，基于损伤理论，建立了考虑微观参数的损伤变量以及损伤演化方程。研究结果表明：（1）利用聚丙烯酰胺可制备结构性软黏土三轴试样，其最优掺加配比为干土质量：聚丙烯酰胺质量=1：1‰；结构性软黏土塑性应变发展呈现三种模式：稳定型、发展型和破坏型。动应力比为0.1时应变发展为稳定型，塑性应变最

3、终稳定；0.2时为发展型，塑性应变随振次呈线性增加；0.3时为破坏型，塑性应变初期随振次呈线性增加，达到一定振次后呈指数型增加；由于结构性的存在，针对发展型应变模式，累积塑性应变随振次发展曲线呈现出跃迁现象。动应力-动应变关系呈现明显的非线性和滞后性，滞回曲线的残余应变随发展模式的不同而不同，稳定性发展模式，残余应变逐渐消失，应变发展逐渐稳定，而破坏型和发展型不消失，塑性应变不断累积增大；随着振次、动应力的增加，针对稳定型和发展型模式，软化指数逐渐下降并趋于稳定，而破坏型模式则急剧下降，应变发展迅速增加。（2）软黏土原状试样主要是团粒堆积

4、、絮凝状架空大孔隙结构。颗粒接触以边-点、边-面为主；循环加载初期，架空大孔隙迅速压缩，塑性应变呈线性增加；随着循环振次的增加，大直径团（集）粒崩解为小直径团粒，中值孔径降低，颗粒接触转为面-面接触为主，塑性应变增长速率下降；针对稳定性应变发展模式，随振次、动应变比的增加，孔隙分布特征趋于稳定，应变发展保持不变；针对发展型和破坏型，孔隙度和中值孔径呈现先减小后增大变化规律，结构不断压密，试样内部逐渐产生损伤区并不断累积，塑性应变不断增加。（3）软黏土在循环荷载下损伤呈现三阶段特征：初始压密阶段，絮凝状架空大空隙迅速被压缩，大直径的团（集）

5、粒间的微弱连接断裂，团（集）粒迅速I压紧，累计塑性应变几乎呈线性增加，损伤值可达50%；孔径重分布阶段。在应力作用下大直径团（集）粒崩解为小颗粒，大孔隙向小孔径转变，累计塑性应变增长速率减小；压密损伤阶段。试样内部产生损伤区并不断累积。随循环振次增加，孔隙含量出现增长趋势，塑性区发展不稳定，软黏土应变发展急剧增大，直至破坏。针对稳定型发展模式，损伤程度维持在第一阶段，并最终达到稳定状态，应变保持不变；发展型和破坏型模型，应变发展进入第二和第三阶段。工程设计要严格控制软黏土变形不能进入第三阶段。关键词：软黏土，循环三轴试验，塑性应变，SEM

6、，压汞试验，损伤理论IIABSTRACTChina'seconomicdevelopmenthasenteredanewlevel,alargenumberofurbanrailtransitprojectsandinfrastructurehavebeenputintoconstruction.Softclayiswidelydistributedundercostalcities,andexhibitshighervoidratio,highercompressibility,andhigherrheology.Poorenginee

7、ringpropertiessuchaslarge,subgradedeformationundertrafficloadscausedbysubgradesettlementandunevensettlement,inducedagreatsecurityriskfortrainoperation.Therefore,understandingthedeformationcharacteristicsofsoftclayundercyclicloadingandthedeformationmechanismundertheconditi

8、onofdynamicloadhasimportantsignificancetothedesignandconstructionofrailtransitprojectsandinfrast