周期加卸載作用下超固結(jié)土的本構(gòu)模型研究.pdf

1、目前國內(nèi)外已建有眾多水庫，且有研究發(fā)現(xiàn)，水庫的運(yùn)行會(huì)誘發(fā)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至是造成人員傷亡，因此，研究分析水庫運(yùn)行與庫岸邊坡變形之間的關(guān)系是非常有必要的。
　　通過研究分析發(fā)現(xiàn)，庫水位的變化呈現(xiàn)周期性的變化。庫水位的周期性變化，對(duì)于庫岸邊坡土體而言，則是相當(dāng)于周期加卸載作用。對(duì)于庫岸邊坡飽和土體，庫水位上升時(shí)，土體內(nèi)孔隙水壓力上升，從而土體所受的有效應(yīng)力減?。粠焖幌陆禃r(shí)，則與之相反，因此可將其描述為等偏應(yīng)力q

2、條件下p循環(huán)應(yīng)力路徑。且從應(yīng)力歷史角度來分析的話，該部分土體表現(xiàn)為超固結(jié)性。并且?guī)焖蛔兓瘜?duì)邊坡土體的影響主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面：一是不同應(yīng)力狀態(tài)，庫岸邊坡常年處于非等向受力狀態(tài)，而位于不同深度的土體所受應(yīng)力狀態(tài)有所不同；二是周期加卸載循環(huán)的次數(shù)，即庫水位變化的次數(shù)。因此，本文將充分考慮上述幾個(gè)因素，并對(duì)土體進(jìn)行相關(guān)的室內(nèi)試驗(yàn)，從而研究分析庫水位變化如何影響庫岸邊坡的力學(xué)特性。土體的力學(xué)特性，通常為應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，而本構(gòu)模型則可以很好的描

3、述這種關(guān)系。故而本文將結(jié)合試驗(yàn)分析結(jié)果，再與本構(gòu)模型相結(jié)合，進(jìn)而描述土體的力學(xué)特性規(guī)律。本文主要研究內(nèi)容與結(jié)果描述如下：
　　1)劍橋模型是運(yùn)用的最為廣泛的彈塑性本構(gòu)模型，該模型的物理參數(shù)少，且其物理意義明確。本文通過室內(nèi)固結(jié)排水三軸試驗(yàn)，求解出劍橋模型的三個(gè)基本參數(shù)的值，即參數(shù)λ、κ、M對(duì)應(yīng)的數(shù)值。并且通過庫倫定律求解得到土的強(qiáng)度指標(biāo)c、ψ，進(jìn)而對(duì)值進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證了此試驗(yàn)結(jié)果的正確性。
　　2)超固結(jié)統(tǒng)一硬化模型是在劍橋

4、模型的基礎(chǔ)上建立的本構(gòu)模型，該模型能夠描述土體的超固結(jié)性。本文將運(yùn)用該模型對(duì)復(fù)雜應(yīng)力路徑下的土體力學(xué)特性進(jìn)行分析預(yù)測，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。
　　3)通過研究分析發(fā)現(xiàn)，庫水位的變化對(duì)土體的力學(xué)特性有很大的影響。當(dāng)循環(huán)加卸載作用次數(shù)一定時(shí)，隨著循環(huán)加卸載的作用，土體的累積剪應(yīng)變呈現(xiàn)臺(tái)階式變化，即整體上呈現(xiàn)上升的趨勢，且剪應(yīng)變增量在第一次循環(huán)過程中為最大，之后則是穩(wěn)步增長；土體的累積體應(yīng)變呈現(xiàn)波浪形的變化，且其變化趨勢與有效球應(yīng)力的增

5、減路徑呈現(xiàn)相反趨勢。分析破壞階段對(duì)應(yīng)的相關(guān)曲線可以得知，當(dāng)達(dá)到某一臨界點(diǎn)時(shí)，土樣的剪應(yīng)變迅速增大，孔隙水壓力驟降，此時(shí)土樣發(fā)生破壞。將普通三軸固結(jié)排水試驗(yàn)的結(jié)果與循環(huán)加卸載作用試驗(yàn)的破壞階段的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)三軸固結(jié)排水試驗(yàn)破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)變?yōu)?5％，而循環(huán)加卸載作用下的試驗(yàn)破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)變?yōu)?%-8%之間，相對(duì)而言，后者的剪應(yīng)變要小得多。再從破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力比這一因素進(jìn)行分析，三軸固結(jié)排水試驗(yàn)得出的臨界破壞應(yīng)力比 M=0.

6、9159，后者則對(duì)應(yīng)的臨界破壞應(yīng)力比遠(yuǎn)大于1.1。即后者土體的強(qiáng)度大于前者土體的強(qiáng)度。之后，再觀察土體破壞時(shí)的實(shí)物圖，三軸固結(jié)排水試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的試樣呈現(xiàn)鼓脹破壞，循環(huán)加卸載作用對(duì)應(yīng)的試樣則有很明顯的剪切面。改變循環(huán)加卸載作用的次數(shù)，研究發(fā)現(xiàn)循環(huán)加卸載的次數(shù)對(duì)最終減壓屈服破壞時(shí)的應(yīng)力比有很大影響。即循環(huán)次數(shù)的多少，會(huì)對(duì)土體的內(nèi)部結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，最終影響其力學(xué)強(qiáng)度。
　　4)通過超固結(jié)統(tǒng)一硬化模型對(duì)等偏應(yīng)力q條件下p循環(huán)應(yīng)力路徑進(jìn)行了

7、預(yù)測分析，將其結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)利用該模型能夠預(yù)測出試樣體積增大、出現(xiàn)明顯剪脹的現(xiàn)象以及剪應(yīng)變明顯繼續(xù)增大的趨勢，與試驗(yàn)規(guī)律基本一致。但是預(yù)測剪應(yīng)變的最大值和增大速率均比試驗(yàn)值要小，主要原因是該模型不能反映試樣最終破壞時(shí)的結(jié)構(gòu)損傷和實(shí)測孔壓驟降現(xiàn)象。
　　5)在超固結(jié)統(tǒng)一硬化模型的基礎(chǔ)之上，進(jìn)行了一定的修正，得到擴(kuò)展模型。由于試樣的變形分為兩個(gè)部分，彈性變形和塑性變形。并且兩者分別與參數(shù)λ、κ有關(guān)，本構(gòu)模型最初推

8、導(dǎo)便是從固結(jié)過程中體積變化推導(dǎo)而來。因此，本文分析參數(shù)λ、κ在循環(huán)加卸載過程中的變化，并結(jié)合加卸載準(zhǔn)則，從而對(duì)超固結(jié)統(tǒng)一硬化模型進(jìn)行了修正。并利用其進(jìn)行預(yù)測分析，與之前超固結(jié)統(tǒng)一硬化模型的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。通過分析結(jié)果可知，在固結(jié)階段，兩種模型的預(yù)測結(jié)果重合；在循環(huán)加卸載階段和減壓屈服破壞階段，原模型僅能模擬出剪應(yīng)變和體變的周期性彈性變化，而采用擴(kuò)展模型能夠預(yù)測剪應(yīng)變隨加卸載次數(shù)逐漸增大的趨勢，從而也證明了在循環(huán)加卸載過程中，塑性變

9、形與再壓縮曲線的斜率λn有著密切的聯(lián)系；采用兩種模型預(yù)測的體變不大，差距主要是由于擴(kuò)展模型考慮了彈性范圍內(nèi)再加載過程中的塑性體變，亦說明超固結(jié)土的體變中彈性部分占據(jù)較大比例。
　　6)由于上述模型關(guān)于參數(shù)λ、κ的關(guān)系是從數(shù)學(xué)理論進(jìn)行分析得到的，故而進(jìn)一步從理論基礎(chǔ)進(jìn)行分析，參數(shù)λ、κ隨著循環(huán)加卸載次數(shù)的變化。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而分析得到了再壓縮回彈曲線的斜率變化規(guī)律，并建立該曲線的模型，最終通過建立的模型來預(yù)測曲線趨勢。經(jīng)過驗(yàn)證，發(fā)