【摘 要】
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黏土的力学特性是决定地基及其上部(内部)结构物变形和稳定性的重要因素。在土力学发展的历史上,掌握黏土的力学特性、构建相应的本构模型,一直是提高软土工程数值计算精度的
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黏土的力学特性是决定地基及其上部(内部)结构物变形和稳定性的重要因素。在土力学发展的历史上,掌握黏土的力学特性、构建相应的本构模型,一直是提高软土工程数值计算精度的关键问题。本文开展室内试验与理论分析研究,建立能够考虑统一描述超固结、结构性、小应变刚度特性的黏土三维弹塑性本构模型,并把本构模型应用于基坑工程的有限元数值分析,验证其适用性。本文主要研究内容和成果如下:(1)三维应力状态下黏土超固结性影响的模型描述。基于真三轴试验中正常固结重塑黏土的应力比与剪胀比的关系,在转换应力空间中建立一个能够考虑应力路径对强度和体积变形影响的修正塑性势方程。在重塑土的正常固结屈服面内引入下负荷面,将重塑土在超固结状态与正常固结状态之间的孔隙比的差值作为超固结状态变量,提出超固结状态变量的发展式,描述三维应力状态下超固结性对软黏土力学特性的影响。通过对比试验结果,表明模型不仅能描述超固结土的应变软化和剪胀特性,而且能描述应力路径对超固结土强度和体积变形影响。(2)三维应力状态下黏土结构性影响的模型描述。采用真三轴试验获得了不同应力状态下上海第(4)层结构性软黏土和重塑土在正常固结状态下的强度和变形规律,试验结果表明三维应力状态下结构性对软黏土力学特性有较大的影响。基于试验结果,在正常固结重塑土的三维本构模型的基础上,引入了上负荷面概念,将软黏土在非扰动原状与重塑状态之间的孔隙比的差值作为结构性状态变量,提出结构性状态变量的发展式,描述三维应力状态下结构性对软黏土力学特性的影响。通过对比试验结果,表明模型不仅能描述结构性土的应变软化和体积压缩特性,且能描述中主应力对结构性土强度和体积变形的影响。(3)考虑小应变刚度的超固结与结构性土本构模型的提出。采用安装有LVDT传感器的高精度小应变三轴仪,获得了上海浅层天然黏土((2)-(6)层土)在较大应变范围内的应力应变关系及在小应变范围内的割线剪切刚度的非线性衰减规律。为了在理论上能够统一描述天然黏土超固结性和结构性的影响,在正常固结屈服面上引入超固结和结构性状态变量,同时根据小应变范围内的试验结果修正小应变范围的剪切模量。通过对比试验结果,表明模型能够描述土体超固结性和结构性影响的同时,也可以反映土体小应变范围内刚度的衰减规律。(4)本构模型的有限元数值计算应用。把本构模型应用于Gleaves数值分析软件,通过有限元程序的数值解与本构模型理论解进行对比,验证本构模型嵌入数值分析软件后数值计算结果的可靠性。然后结合上海地区土层力学特性试验结果确定的土体模型参数,建立上海某基坑工程的有限元模型,模拟分析基坑开挖引起的围护结构侧向变形及墙后地表沉降规律,验证本构模型的适用性及有效性;并开展参数分析,揭示新本构模型对提高基坑工程数值分析精度的重要性。
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