黄土的构度及其描述结构性渐变过程的本构模型研究

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土的粒度、密度、湿度与结构是描述其力学性质的基本物理性质指标;在力、水作用下土的力学性质的演变同时又伴随着其粒度、密度、湿度与结构的变化。人们越来越多的认识到土的这种特殊力学性质:结构性对土力学性质的影响,以及其在土力学变化过程中演变的重要性。土的综合结构势从结构可稳性和可变性出发,为土力学定量描述土结构性及其渐变发展开创了一条新途径,进而,建立了反映土初始结构性的构度和反映土的结构渐变破坏的结构性参数,深化了对黄土的水敏性、结构强度、变形特性等性状的认识。  本文在黄土结构性已有研究基础上,通过多种土的大量试验,进一步研究了黄土的构度与粒度、密度、湿度之间的关系及其变化规律,黄土的扰动势与水敏势的变化规律,以及与黄土非饱和强度特性指标之间关系;比较分析了反映结构性演变的三轴应力结构性参数和应力比结构性参数;在压剪强度结构性参数的基础上,分析了结构性对黄土变形特性的影响,探讨了结构性土的非线性变形特性,揭示了强度破坏比与压剪强度结构性参数之间的关系,将构度引入魏汝龙修正剑桥模型,本文的主要的研究成果有:  1、从土结构联结和排列组构特征出发,提出了与联结和排列组构特征对应的水敏势和扰动势概念。土的综合结构势既是土结构可稳性和可变性的综合变化势,也是水敏势和扰动势的综合反映。对于构度、应力结构性参数和应力比结构性参数,由原状土与饱和土的单轴抗压强度、三轴广义剪应力或应力之比反映水敏势,由原状土与重塑土的单轴抗压强度、三轴广义剪应力或应力之比反映扰动势,试验揭示了它们的变化规律。表明黄土的水敏势远大于扰动势,且水敏势变化较大。  2、针对多种黄土,开展了基本物理性质试验、单轴抗压试验、侧限压缩试验、非饱和土直剪试验、三轴压缩试验分析,揭示了土的构度和结构性参数与土的基本物理力学性质之间的关系:  a)土的构度与其液、塑限不存在相关关系;随的干密度的增大而减小;随含水量的减小而增大;不同液塑限、密度黄土的构度随含水率变化规律不同。  b)随着构度的增大,土的粘聚力逐渐增大,土的摩擦角变化较小。  c)建立了构度指标与非饱和土吸力内摩擦角和基质吸力特性系数的关系。表明构度指标越大,粘聚力越大、基质吸力越大、吸力内摩擦角越大,基质吸力特性系数越大。  d)对比分析了剪切过程中应力结构性参数和应力比结构性参数与构度的变化规律,揭示剪切过程中土的水敏势变化较大,且对土的结构性参数的影响较大。  3、依据原状土、重塑土和饱和原状土的抗剪强度定义了黄土的压剪强度结构性参数,分析了压剪强度结构性参数与抗剪强度、破坏应力比、剪应变、围压、含水率的变化关系,表明压剪强度结构性参数与黄土的破坏应力比呈正比增大的关系,随含水率、围压、剪应变的增大而降低。构度实际上是固结围压等于零条件下的压剪强度结构性参数,与有固结围压作用下压剪强度结构性参数的本质一致。不同含水量黄土的压剪强度结构性参数随着剪切应变的增大从初始的构度逐渐衰减。  4、依据三轴应力条件下破坏应力比与压剪强度结构性参数的线性关系,剪切过程硬化型非线性应力应变关系,以及剪缩体应变变化规律,应用砂土的剪胀方程、剑桥模型剪胀方程和修正剑桥模型剪胀方程,建立了反映土结构性衰减变化及剪缩体应变特性的非线性应力应变关系,考察了结构性变化对黄土变形特性的影响  5、依据黄土的压剪强度结构性参数和破坏应力比的关系,以及与结构屈服压缩应力的关系,确定一定结构性参数的破坏强度线和对应塑性体应变的压缩应力,以及对应的修正剑桥模型椭圆屈服函数,应用关联塑性流动法则,建立了一个考虑结构性衰减变化的弹塑性模型。通过本构模型预测的应力应变曲线与试验结果的比较,初步验证了该结构性本构模型的合理性。
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