非饱和土双孔隙结构本构模型简析.pdf

《非饱和土双孔隙结构本构模型简析.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、垫墼』塑堑』坠塞篁兰堕堡丛——————————————』墅墅墅查—一廑旦班窒非饱和土双孔隙结构本构模型简析●石朗晶一同济大学地下建筑与工程系。上海200092摘要：非饱和土在自然界普遍存在，性质与饱和土不同。传统描述饱和土的本构模型不能很好描述，膨胀性粘土更为特殊，传统的非饱和土BBM模型也不能完全适用，其孔隙结构可以被区分为两个孔隙结构，微观和宏观孔隙。前人提出双孔结构的理论来对非饱和膨胀性土体的性质进行解释不断发展完善，UPC提出了巴塞罗那膨胀本构模型(BExM)，并植入软件CODE—BRIHGT中。本文介绍了此非饱和土本构模型巴塞罗那膨胀模型，并简析了双孔隙方法的应用。关键词：非

2、饱和土双孔结构本构BExM模型非饱和土为水分不饱和的土体，大部分在地下水位以上的地表土都是非饱和土，如路基土，压实土，甚至离岸工程中海相沉积土(含生物气)。非饱和土是工程实践中最常遇到的土。传统饱和土理论在非饱和土领域的应用有较大局限，因而非饱和土力学理论应运而生。而非饱和土本构模型理论也不断发展。巴塞罗那基本模型(BBM)为公认的非饱和土弹塑性本构模型，被广泛用于非饱和土性质模拟研究，但对于膨胀性非饱和土体，在水化过程中孔隙结构发生变化，BBM模型无法模拟土体膨胀特性，并且无法考虑结构变化的影响。因而后来学者根据观察到的土体双重孑L隙结构提出了不同的非饱和土双重孔隙结构本构模型，本文

3、详细介绍巴塞罗那膨胀土模型(BExM)。1非饱和土体双重孔隙结构膨胀土的结构已被研究多时，一般利用压汞法MIP试验研究膨胀性土体材料的孔隙分布，其他技术也被利用，如电镜扫描SEM。在试验中双孑L分布被认为膨胀土的主要特点，双孑L隙结构框架得到广泛认同。膨润土孔隙可以分为晶层间孔隙、集聚体内iL隙与集聚体间孔隙三种。主要的孔隙可以被划分在两个基础的结构层次：宏观结构和微观结构。宏观结构由土颗粒聚集体和其间的大孑L隙组成。而微观结构由土体矿物和其附近空隙组成。双重孑L隙结构理论框架在必要的情况下同样可以拓展为多重孔隙结构方法。(Sdnchez2004)如图1。ClayAggregates≯

4、图l非饱和土双重孔隙结构示意图(Sdnchez2004)非饱和膨胀土的本构模型是非常复杂的问题，Sanchez将双孔隙模型为框架，提出了通用的本构模型BExM，特别考虑了土体结构变化和如何将膨胀土的不同结构在本构模型中进行整合考虑。2非饱和土双孔隙本构模型BExM学者们在上世纪90年代初提出Gens和Alonso提出描述非饱和膨胀土特性的通用双孔隙结构框架概念(Gens＆Alonso，1992)。后来数学模型也被提出。膨胀土概念模型框架(Barcelonaexpansivemodel．或者BExM巴塞罗那膨胀模型)已被广泛用于分析膨胀性材料并且用于数值分析。BExM模型在一个全新概念框

5、架中提出，考虑了膨胀性材料的微观结构和宏观结构的特性。描述进水条件下膨胀性材料产生的不可恢复的变形(Gens＆Alonso，1992；Sdnchez，2004)。下文通过三部分来介绍巴塞罗那膨胀BExM模型包括宏观结构模型、微观结构模型和双重结构之间的相互作用方程。2。1宏观孔隙结构模型为了考虑膨胀性土体宏观结构的变化，如土体骨架的变化，宏观孑L隙的崩塌等现象，采用了基于非饱和土本构模型BBM模型。BBM模型适合模拟膨胀土体的宏观特性，但只能模拟在弹性区域内的微小可逆膨胀，无法描述膨胀土中观察到的大变形和无法恢复的变形。屈服面(F￡c)表达式为：F比2。2一[；i!；；南】2M2cp+

6、p。，cp。一p，硬化准则：通过体积塑性应变和饱和各项前期固结压力P0+表示：却孑”，。i2丽ri州’d或=d(s。)￡c+d(s。)5流动法则d《M2(2p+P。一P)d矿2qa塑性势方程为：G=a3J2一[≠务pcp地)(p。-p)=02．2微观孔隙结构模型在微观孔隙结构层面产生的物理化学现象假定是可逆的，微观孔隙结构排列没有偏向性。微观结构引起的变形为弹性和体积变形，通过微观结构平均应力的非线性弹性模型定义。微观结构的平均有效应力为五=P+s。，其中五为平均净应力，s。为微观结构吸力。微观结构的弹性应变用微观结构平均应力的增量方程表示：s二=是；k=墨竽在P一5平面中，定义中性加

7、载线。中性加载线(NL)划分P—s平面为两部分，区分应力加载引起的体积膨胀和压缩，有2种微观结构应力路径：微观结构收缩路径(MC)和微观结构膨胀路径(MS)。如图2。2．3双重孔隙结构之间的相互作用●CurrentstressstateC湖蟪o％Elastic百此理论的一个基础假设为，微观孔隙结构行为不受宏观孔隙状态影响，仅受图微观结构主要变量的影响，P2BExM模型宏观一微观孔隙相互作用方程示意圈如应力状态和吸力。反之宏观孔隙却极大程度受到微