軟粘土結(jié)構(gòu)性、塑性各向異性及其演化.pdf

1、我國東南沿海地區(qū)廣泛分布著深厚的軟弱粘土層。與其他地區(qū)典型的軟粘土相似，該地區(qū)土層含水量大、壓縮性高且承載力較低，在其上建設(shè)高速公路、機(jī)場等工程難度大、成本高。以往對軟粘土的認(rèn)識以及在工程設(shè)計(jì)時(shí)多是基于重塑土的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，缺乏對天然沉積軟粘土工程性狀的研究。 在所有天然軟粘土的影響因素中，結(jié)構(gòu)性和塑性各向異性是其中重要的兩個(gè)方面。本文從臨界狀態(tài)土力學(xué)的基本原理出發(fā)，回顧了劍橋模型和修正劍橋的建立和求解過程，評價(jià)了該模型對重塑軟

2、粘土的適用情況以及應(yīng)用于天然軟粘土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和不排水強(qiáng)度計(jì)算時(shí)的缺陷。由此，本文首先根據(jù)天然軟粘土的屈服性狀，將修正劍橋模型各向同性的屈服面改進(jìn)為各向異性的橢圓屈服面；然后參考次加載/超加載屈服面本構(gòu)模型，考慮了超固結(jié)和結(jié)構(gòu)性對于土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的影響，建立了適用于各向異性的結(jié)構(gòu)性軟粘土的本構(gòu)模型；最后利用本文模型分析了K<,0>固結(jié)軟粘土的不排水強(qiáng)度，并給出了應(yīng)用于實(shí)際工程的平均不排水抗剪強(qiáng)度推薦值。 綜上所述，本文在分析軟

3、粘土結(jié)構(gòu)性和塑性各向異性的過程中主要完成了以下一些工作： 一、改進(jìn)了修正劍橋模型屈服面。根據(jù)國內(nèi)外典型天然軟粘土試驗(yàn)得到的屈服面，本文在修正劍橋模型各向同性的屈服面的基礎(chǔ)上，考慮了K<,0>固結(jié)誘發(fā)的土體各向異性，采用傾斜橢圓作為本構(gòu)模型的屈服面；同時(shí)研究了K<,0>固結(jié)軟粘上初始屈服面對應(yīng)的NCL的斜率，通過與試驗(yàn)結(jié)果比較，建立了p'～q平面上NCL初始斜率值與臨界狀態(tài)參數(shù)M以及K<,0>系數(shù)的相關(guān)關(guān)系。 二、研究了溫

4、州軟粘土的結(jié)構(gòu)性和各向異性。對照Bothkennar軟粘土的物理力學(xué)性狀，本文主要通過一系列GDS應(yīng)力路徑三軸試驗(yàn)，揭示了溫州軟粘土作為一種典型的結(jié)構(gòu)性軟粘土，其初始屈服面存在明顯的各向異性，呈現(xiàn)出本文模型所描繪的傾斜橢圓的形狀；當(dāng)施加較大的等向應(yīng)力后，溫州軟粘土的結(jié)構(gòu)性逐漸喪失，各向異性也發(fā)生顯著變化，土體呈現(xiàn)出明顯的各向同性的特征。 三、采用了符合熱力學(xué)基本原理的硬化準(zhǔn)則。本文模型基于修正劍橋模型，在引入應(yīng)力誘發(fā)的各向異性時(shí)

5、依據(jù)Collins提出的符合熱力學(xué)耗散原理的本構(gòu)模型，綜合考慮了體積應(yīng)變和剪切應(yīng)變對土體硬化的影響，從而避免了在各向異性模型中采用體積硬化規(guī)則而帶來的不符合熱力學(xué)原理的缺陷。 四、研究了天然軟粘土中結(jié)構(gòu)性的演化規(guī)律。本文模型參考次加載／超加載屈服面模型，模擬了結(jié)構(gòu)性軟粘土屈服前后應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算曲線連續(xù)過渡的性狀，同時(shí)體現(xiàn)了加載過程中軟粘土結(jié)構(gòu)性逐漸衰減的過程。本文在構(gòu)建本構(gòu)模型時(shí)引入了結(jié)構(gòu)性參數(shù)R和R<'*>，并建立了其初始值與結(jié)

6、構(gòu)屈服應(yīng)力比YSR和靈敏度S<,t>的相關(guān)關(guān)系，同時(shí)研究了其演化規(guī)律。通過與試驗(yàn)結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，本文模型能很好的模擬p'～q平面上三軸壓縮應(yīng)力路徑試驗(yàn)的結(jié)果，而其他加載路徑尤其是三軸拉伸情況的模擬則需進(jìn)一步考慮屈服面旋轉(zhuǎn)的影響。 五、研究了天然軟粘土中各向異性的演化規(guī)律。本文模型采用旋轉(zhuǎn)硬化變量α的演化方程描述屈服面的旋轉(zhuǎn)性狀，研究了其初始值的確定方法，并在構(gòu)造演化方程時(shí)考慮了塑性剪切應(yīng)變和塑性體積對屈服面旋轉(zhuǎn)的綜合影響。同時(shí)

7、，根據(jù)軟粘土的基本特性本文引入了旋轉(zhuǎn)極限曲線RLL的概念，闡述了α平衡狀態(tài)漸近值的取值方法。通過與試驗(yàn)結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，對于三軸拉伸情況的加載應(yīng)力路徑而言，不考慮旋轉(zhuǎn)硬化將帶來較大的計(jì)算誤差，而本文模型的模擬結(jié)果更接近試驗(yàn)曲線。 六、研究了結(jié)構(gòu)性軟粘土的破壞準(zhǔn)則。通過搜集對比國內(nèi)外各種軟粘土試驗(yàn)成果和福建寧德軟土試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)等向固結(jié)和K<,0>固結(jié)的M值(或有效內(nèi)摩擦角 )很接近，可近似認(rèn)為臨界狀態(tài)線CSL是與固結(jié)應(yīng)力狀態(tài)無關(guān)

8、的。且在一定范圍內(nèi)，試驗(yàn)證明多數(shù)軟粘土三軸壓縮和拉伸試驗(yàn)得到的M值較為接近，廣義Von Mises破壞準(zhǔn)則適用。本文模型符合上述試驗(yàn)結(jié)果。 七、研究了K<,0>固結(jié)軟粘土的強(qiáng)度特性。本文模型推導(dǎo)了K<,0>固結(jié)軟粘土在三軸和平面應(yīng)變情況下的不排水抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式，并結(jié)合現(xiàn)有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)將其與此前的其他模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比分析，指出了本文模型的合理之處。最后，采用上述方法本文過對正常固結(jié)軟粘土的三軸試驗(yàn)和平面應(yīng)變試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了計(jì)算