水力-力學耦合的非飽和土本構關系及其數(shù)值算法研究.pdf

1、非飽和土廣泛分布于地球表層，大量的基礎設施，如鐵路、公路和機場跑道等，修建于非飽和土層之上，基礎設施的使用性能與非飽和土的力學性質密切相關。非飽和土是由土顆粒、孔隙水和孔隙氣組成的三相混合物，性質復雜多變，對非飽和土的研究仍處于探索階段，理論尚未完善。研究非飽和土的本構關系無疑對設計新的土工結構、指導工程施工和評價原有設施的安全性都具有重大的意義。本文對非飽和土、非飽和膨脹土和超固結非飽和土的力學性質進行了詳細的研究，建立了相應的本構關

2、系，并將本構關系和有限單元法結合，用于工程問題的計算分析，本文主要的研究成果如下:
　　(1)對非飽和膨脹土的膨脹機理進行了分析，指出以非飽和膨脹土的宏觀性質為基礎建立宏觀尺度的非飽和膨脹土的本構關系是可行的。提出了非飽和膨脹土的宏觀結構中性加載屈服面假設，推導了宏觀結構中性加載屈服面方程和非飽和膨脹土發(fā)生塑性膨脹變形時的體變方程，建立了宏觀尺度的非飽和膨脹土的本構關系，該模型與原模型相比只引入一個新的參數(shù)。采用宏觀結構中性加載屈

3、服面概念建立的非飽和膨脹土本構關系不需要分析膨脹土的微觀尺度變形，也不需要通過耦合方程計算宏觀尺度的塑性膨脹變形，和雙尺度的非飽和膨脹土的本構關系相比，具有參數(shù)少，參數(shù)容易確定，模型框架簡單等特點。最后采用文獻中的試驗數(shù)據(jù)對宏觀尺度的非飽和膨脹土的本構關系進行了驗證，證明了該模型的正確性。
　　(2)非飽和土的復雜性質是水力-力學耦合作用的結果，對非飽和土的體變特性進行了詳細的分析，提出了非飽和土硬化效應的概念，建立了飽和度與硬化

4、效應之間了關系。采用飽和度和骨架應力作為基本的本構變量，推導了非飽和土的體變方程，結合臨界狀態(tài)土力學，建立了水力，力學耦合的非飽和土的本構模型。該模型對非飽和土的體變特性從飽和度對非飽和土硬化效應影響的角度進行了解釋，非飽和土的硬化效應由飽和度控制，飽和度發(fā)生變化時，非飽和土的硬化效應隨之改變，從而影響非飽和土的體變特性，若飽和度保持恒定，則非飽和土的壓縮曲線與飽和土的壓縮曲線平行。結合孔隙介質理論，最后通過排水條件和不排水條件下的非飽

5、和土的壓縮試驗數(shù)據(jù)和三軸剪切試驗數(shù)據(jù)驗證了該模型的正確性。
　　(3)引入下負荷面的概念，將水力-力學耦合的非飽和土本構模型推廣至超固結非飽和土的本構模型，并給出了該模型的隱式積分算法，與初始模型相比，該模型只增加了一個參數(shù)。該模型能夠較好地考慮超固結對非飽和土力學性質的影響，能夠預測超固結非飽和土的許多力學特性，如:超固結非飽和土的應變硬化和應變軟化現(xiàn)象，剪脹和剪縮特性，同時也能夠預測飽和度對超固結非飽和土力學性質的影響。通過模

6、型預測結果與文獻中試驗數(shù)據(jù)的對比，證明了該模型的正確性。
　　(4)對飽和度恒定條件下的非飽和土的力學性質進行了探索，通過同時控制非飽和土試樣的孔隙比和基質吸力，達到了控制非飽和土試樣飽和度的目的，并對非飽和土進行了飽和度恒定的一維壓縮試驗。試驗結果表明在飽和度恒定的條件下非飽和土的壓縮曲線與飽和土的壓縮曲線平行，該試驗結果驗證了從飽和度對硬化效應影響的角度對非飽和土體變特性的解釋。
　　(5)基于孔隙介質理論，推導了非飽和