结构性非饱和土水—力耦合本构模型研究

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天然土体大都具有结构性特征,土体的结构包括组构和胶结。在加、卸载过程中,结构性土具有与非结构性土显著不同的特征。同时,自然界中绝大多数土都兼具结构性和非饱和特性,非饱和土中收缩膜产生的联结作用以及颗粒间胶结体产生的胶结作用,是非饱和土在宏观上呈现结构性的主要原因。因此,为了更好地描述天然土体的力学特征,建立同时考虑土体结构性和非饱和特性的本构模型,显得至关重要。为了更好地描述结构性非饱和土的力学特性,开展了考虑结构性的非饱和土边界面本构模型和水-力耦合本构模型研究,取得了以下研究成果:(1)将饱和结构性土的体变方程拓展至非饱和状态,建立了一个适用于结构性非饱和土的边界面本构模型。根据结构性土一维压缩试验结果,认为结构性土的孔隙比为同一应力状态下重塑土的孔隙比与附加孔隙比之和,附加孔隙比中的解构指数b及初始附加孔隙比(35)ei分别表示结构衰减速率和初始结构性的大小;引入BBM模型中的LC屈服面,将体变方程中的屈服应力和压缩线斜率均认为是吸力的函数,引入了结构强度pb描述剪切过程中土体结构对峰值强度的增强作用;结合基于修正剑桥模型的边界面方程,将本构模型拓展至了三维状态;通过编写MATLAB程序实现了模型的预测功能,基于伊朗东北部非饱和原状黄土和西安非饱和原状Q2黄土的试验数据,开展了模型参数标定和验证,结果表明,所建立模型能够有效预测结构性非饱和土的变形特性。(2)将常吸力状态拓展至水-力耦合,选取饱和度作为状态变量,建立了一个能同时考虑结构性和非饱和土水-力耦合特性的弹塑性本构模型。选取Bishop有效应力和有效饱和度作为状态变量,同样通过引入附加孔隙比的方法来考虑结构性对体变的影响,在v-p‘-Se空间建立了结构性非饱和土的体变方程,并将压缩指数视为有效饱和度的函数;引入了考虑变形影响的SWCC方程和非线性的扫描线方程,认为有效饱和度的增量是由吸力和体积改变两部分共同引起;结合屈服面方程、硬化法则和相关联流动法则,推导建立了考虑结构性的非饱和土水-力耦合本构模型,所建立模型能够有效反映结构性对土体力学和水力特性的影响。(3)通过已有试验数据,开展了所建立结构性非饱和土水-力耦合本构模型的验证研究。选取三种不同类型的结构性非饱和土,包括伊朗东北部原状黄土、高岭土-膨润土混合土和高岭土,实现了所建立水-力耦合本构模型在等向压缩、干湿循环和三轴排水剪切路径下的预测功能;结果表明,模型能合理反映由于加载引起的饱和度变化、由于干湿循环产生的体积变形以及结构性非饱和土的水力滞回特性;通过与不考虑结构性本构模型计算结果的对比,验证了本文模型在反映结构性土水-力耦合特性上的合理性。
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