黃土的平面應(yīng)變強(qiáng)度變形特性及本構(gòu)模型研究.pdf

1、黃土在我國分布面積相當(dāng)廣泛，由于黃土的這種特殊的顆粒排列和相互聯(lián)結(jié)，使得黃土在外在環(huán)境變化及荷載作用條件下所引起的宏觀力學(xué)效應(yīng)及變形特性上表現(xiàn)出很強(qiáng)的差異。在實(shí)際工程中，很多工程問題都近似于平面應(yīng)變狀態(tài)，如地基、邊坡、隧道、大壩、高填方路堤，深大基坑開挖等巖土工程問題。土的應(yīng)力路徑對(duì)實(shí)際工程的應(yīng)力、變形計(jì)算結(jié)果及強(qiáng)度又有著重要影響。因此，選擇符合黃土工程中土單元實(shí)際應(yīng)力路徑的試驗(yàn)方法來討論黃土的強(qiáng)度、變形特性顯得尤為重要。本文以我國西北

2、廣泛分布的黃土為研究對(duì)象，以適用于黃土的強(qiáng)度理論和不同應(yīng)力路徑條件下原狀黃土的平面應(yīng)變加、卸載試驗(yàn)為基礎(chǔ)，從不同應(yīng)力路徑原狀黃土在壓—剪—濕應(yīng)力條件下的損傷演化規(guī)律出發(fā)，揭示原狀黃土在不同應(yīng)力路徑條件下的強(qiáng)度、變形特性；推導(dǎo)了不同強(qiáng)度準(zhǔn)則的中主應(yīng)力公式和相應(yīng)的平面應(yīng)變強(qiáng)度準(zhǔn)則，并比較、分析了各強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)原狀黃土的適用性；提出了平面應(yīng)變條件下的加卸、載非線性彈性模型；揭示了平面應(yīng)變條件下黃土的屈服特性，建立了反映壓—剪—濕力學(xué)作用下的宏觀

3、力學(xué)特性及平面應(yīng)變彈塑性本構(gòu)模型。論文所述的研究方法及成果對(duì)今后進(jìn)行黃土加、卸載性狀的研究具有借鑒和指導(dǎo)意義。本文的主要研究成果有：
　　第一，將西安理工大學(xué)真三軸儀改造為平面應(yīng)變儀，開展了均壓固結(jié)豎向加載試驗(yàn)、均壓固結(jié)側(cè)向卸載試驗(yàn)、偏壓固結(jié)豎向加載試驗(yàn)和偏壓固結(jié)側(cè)向卸載試驗(yàn)四種應(yīng)力路徑條件下原狀黃土的平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)研究，揭示了不同應(yīng)力路徑加、卸載條件下原狀黃土的強(qiáng)度、變形特性。
　　第二，通過不同含水率黃土的常規(guī)三軸試驗(yàn)及均

4、壓固結(jié)和偏壓固結(jié)的加、卸載平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果的對(duì)比，分析了不同應(yīng)力路徑條件下原狀黃土的強(qiáng)度和變形特性差異，為平面應(yīng)變條件下本構(gòu)模型的建立奠定了基礎(chǔ)。試驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)力路徑的的變化不僅影響黃土的強(qiáng)度特性，而且影響剪切過程中變形的發(fā)展，具有不同的變形規(guī)律；圍壓增大增強(qiáng)了黃土的壓硬性，提高了土的強(qiáng)度；含水率增大軟化了黃土的結(jié)構(gòu)，削弱了土的強(qiáng)度。偏壓固結(jié)加載條件下，固結(jié)比對(duì)土強(qiáng)度的影響與固結(jié)圍壓的大小密切相關(guān)；偏壓固結(jié)卸載條件下，隨著固結(jié)比的增大

5、，土的強(qiáng)度也不斷增大。平面應(yīng)變條件下土的強(qiáng)度比常規(guī)三軸條件下的強(qiáng)度大1.1～1.5倍；側(cè)向卸載條件下土破壞時(shí)的應(yīng)變比平面應(yīng)變豎向加載和常規(guī)三軸試驗(yàn)小。
　　第三，依據(jù)土的多種強(qiáng)度準(zhǔn)則，應(yīng)用相關(guān)流動(dòng)法則，得到了土的不同平面應(yīng)變強(qiáng)度準(zhǔn)則，以及中主應(yīng)力條件公式。分析了不同平面應(yīng)變強(qiáng)度準(zhǔn)則描述大、小主應(yīng)力比隨內(nèi)摩擦角的變化規(guī)律，以及不同平面應(yīng)變強(qiáng)度準(zhǔn)則的適用性。將無粘性土平面應(yīng)變強(qiáng)度準(zhǔn)則推廣到粘性土，建立了粘性土的平面應(yīng)變強(qiáng)度準(zhǔn)則。依據(jù)兩

6、組不同含水率原狀黃土的平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果，分析了平面應(yīng)變剪切過程黃土的中主應(yīng)力隨大主應(yīng)力的變化規(guī)律，并與不同平面應(yīng)變強(qiáng)度準(zhǔn)則中主應(yīng)力公式描述的中主應(yīng)力比較，考察了不同平面應(yīng)變強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)于粘性土的適用性。結(jié)果表明，廣義Mises準(zhǔn)則不適用于用來描述平面應(yīng)變狀態(tài)下土的強(qiáng)度；AC-SMP準(zhǔn)則能夠合理地描述低含水量、強(qiáng)結(jié)構(gòu)性黃土的強(qiáng)度變化規(guī)律；L-D強(qiáng)度準(zhǔn)則和3√σ空間滑動(dòng)面準(zhǔn)則對(duì)于高含水率、弱結(jié)構(gòu)，具有天然豎向裂隙的黃土計(jì)算結(jié)果較為接近。通過平

7、面應(yīng)變條件下和真三軸條件下L-D準(zhǔn)則、3√σ空間滑動(dòng)面準(zhǔn)則的理論推導(dǎo)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證的對(duì)比分析可知，Lade–Duncan準(zhǔn)則、3√σ空間滑動(dòng)面準(zhǔn)則本質(zhì)上是近似相同的；Lade-Duncan強(qiáng)度準(zhǔn)則近似地是3√σ空間滑動(dòng)面上剪應(yīng)力比為常數(shù)的關(guān)系準(zhǔn)則，揭示了其物理本質(zhì)。
　　第四，根據(jù)平面應(yīng)變條件下的真三軸加、卸載試驗(yàn)所得到的應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系，推導(dǎo)了加、卸載原狀黃土的非線性應(yīng)力應(yīng)變曲線的切線彈性模量和泊松比隨應(yīng)力狀態(tài)的變化關(guān)系。通過非線

8、性彈性模型預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較表明，平面應(yīng)變加、卸載非線性彈性模型能較好地描述填方路堤等加載工程和基坑側(cè)壁土體開挖等卸載工程的強(qiáng)度、變形特性。
　　第五，以黃土的平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)為基礎(chǔ)，建立了平面應(yīng)變條件下土的屈服面，以及屈服面隨黃土壓縮結(jié)構(gòu)屈服和塑性體應(yīng)變發(fā)展的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；進(jìn)而，應(yīng)用關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則，建立了平面應(yīng)變彈塑性本構(gòu)模型。研究表明，屈服面長軸和短軸分別與靜水壓力軸正交和一致的橢圓型。進(jìn)行了模型預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較，兩者的一