黃土的平面應變強度變形特性及本構模型研究.pdf

1、黃土在我國分布面積相當廣泛，由于黃土的這種特殊的顆粒排列和相互聯(lián)結，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效應及變形特性上表現出很強的差異。在實際工程中，很多工程問題都近似于平面應變狀態(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。土的應力路徑對實際工程的應力、變形計算結果及強度又有著重要影響。因此，選擇符合黃土工程中土單元實際應力路徑的試驗方法來討論黃土的強度、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象，以適用于黃土的強度理論和不同應力路徑條件下原狀黃土的平面應變加、卸載試驗為基礎，從不同應力路徑原狀黃土在壓—剪—濕應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力路徑條件下的強度、變形特性；推導了不同強度準則的中主應力公式和相應的平面應變強度準則，并比較、分析了各強度準則對原狀黃土的適用性；提出了平面應變條件下的加卸、載非線性彈性模型；揭示了平面應變條件下黃土的屈服特性，建立了反映壓—剪—濕力學作用下的宏觀

3、力學特性及平面應變彈塑性本構模型。論文所述的研究方法及成果對今后進行黃土加、卸載性狀的研究具有借鑒和指導意義。本文的主要研究成果有：
　　第一，將西安理工大學真三軸儀改造為平面應變儀，開展了均壓固結豎向加載試驗、均壓固結側向卸載試驗、偏壓固結豎向加載試驗和偏壓固結側向卸載試驗四種應力路徑條件下原狀黃土的平面應變試驗研究，揭示了不同應力路徑加、卸載條件下原狀黃土的強度、變形特性。
　　第二，通過不同含水率黃土的常規(guī)三軸試驗及均

4、壓固結和偏壓固結的加、卸載平面應變試驗結果的對比，分析了不同應力路徑條件下原狀黃土的強度和變形特性差異，為平面應變條件下本構模型的建立奠定了基礎。試驗結果表明，應力路徑的的變化不僅影響黃土的強度特性，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；圍壓增大增強了黃土的壓硬性，提高了土的強度；含水率增大軟化了黃土的結構，削弱了土的強度。偏壓固結加載條件下，固結比對土強度的影響與固結圍壓的大小密切相關；偏壓固結卸載條件下，隨著固結比的增大

5、，土的強度也不斷增大。平面應變條件下土的強度比常規(guī)三軸條件下的強度大1.1～1.5倍；側向卸載條件下土破壞時的應變比平面應變豎向加載和常規(guī)三軸試驗小。
　　第三，依據土的多種強度準則，應用相關流動法則，得到了土的不同平面應變強度準則，以及中主應力條件公式。分析了不同平面應變強度準則描述大、小主應力比隨內摩擦角的變化規(guī)律，以及不同平面應變強度準則的適用性。將無粘性土平面應變強度準則推廣到粘性土，建立了粘性土的平面應變強度準則。依據兩

6、組不同含水率原狀黃土的平面應變試驗結果，分析了平面應變剪切過程黃土的中主應力隨大主應力的變化規(guī)律，并與不同平面應變強度準則中主應力公式描述的中主應力比較，考察了不同平面應變強度準則對于粘性土的適用性。結果表明，廣義Mises準則不適用于用來描述平面應變狀態(tài)下土的強度；AC-SMP準則能夠合理地描述低含水量、強結構性黃土的強度變化規(guī)律；L-D強度準則和3√σ空間滑動面準則對于高含水率、弱結構，具有天然豎向裂隙的黃土計算結果較為接近。通過平

7、面應變條件下和真三軸條件下L-D準則、3√σ空間滑動面準則的理論推導和試驗數據驗證的對比分析可知，Lade–Duncan準則、3√σ空間滑動面準則本質上是近似相同的；Lade-Duncan強度準則近似地是3√σ空間滑動面上剪應力比為常數的關系準則，揭示了其物理本質。
　　第四，根據平面應變條件下的真三軸加、卸載試驗所得到的應力～應變關系，推導了加、卸載原狀黃土的非線性應力應變曲線的切線彈性模量和泊松比隨應力狀態(tài)的變化關系。通過非線

8、性彈性模型預測結果與試驗結果的比較表明，平面應變加、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壁土體開挖等卸載工程的強度、變形特性。
　　第五，以黃土的平面應變試驗為基礎，建立了平面應變條件下土的屈服面，以及屈服面隨黃土壓縮結構屈服和塑性體應變發(fā)展的運動規(guī)律；進而，應用關聯(lián)流動法則，建立了平面應變彈塑性本構模型。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。進行了模型預測結果與試驗結果的比較，兩者的一