飽和軟粘土的微結(jié)構(gòu)特性及其微觀彈塑性本構(gòu)模型.pdf

1、隨著我國沿海地區(qū)的高速發(fā)展，大型地下及地上建筑不斷涌現(xiàn)，這些建筑大都坐落于分布廣泛的海積軟土之上，而與此有關(guān)的軟土工程問題愈來愈突出。而海積軟土的微結(jié)構(gòu)特性使得一些傳統(tǒng)的基于軟土體理論的本構(gòu)模型在計(jì)算軟土的變形和破壞時(shí)與實(shí)際情況存在較大差異，這也使得研究考慮微結(jié)構(gòu)的海積軟土的本構(gòu)模型，成為目前針對(duì)軟土特性研究的熱點(diǎn)問題。論文以上海飽和軟粘土為研究對(duì)象展開研究。開展的主要研究內(nèi)容及取得成果如下： 1.通過對(duì)上海飽和粘土能譜分析試驗(yàn)

2、、掃描電鏡(SEM)試驗(yàn)分析了上海飽和軟粘土的礦物成分和微觀結(jié)構(gòu)組成，揭示了上海飽和軟粘土的微結(jié)構(gòu)特征。從顆粒的定向分布、顆粒的平均表面面積及顆粒的形狀三個(gè)方面，對(duì)不同固結(jié)壓力條件下試樣的水平切面和垂直切面(沉積面)的SEM圖像進(jìn)行定量分析，揭示了土體發(fā)生變形的宏觀機(jī)制及土體在受力過程中具有逐漸破損、產(chǎn)生各向異性的特征。 同時(shí)對(duì)上海淤泥質(zhì)粘土的重塑土樣進(jìn)行了單軸固結(jié)試驗(yàn)，結(jié)合掃描電鏡試驗(yàn)的圖像進(jìn)行定量分析，并與原狀試樣的結(jié)果進(jìn)行

3、了對(duì)比，得到了上海粘土重塑土樣的微結(jié)構(gòu)特性和受力變化規(guī)律。 2.運(yùn)用壓汞試驗(yàn)方法對(duì)上海淤泥質(zhì)粘土在不同的固結(jié)壓力作用下的微觀孔隙和相應(yīng)的土體滲透系數(shù)的關(guān)系進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：上海淤泥質(zhì)粘土主要孔隙半徑多分布在0.2μm-1.2岬之間。但隨著固結(jié)壓力的增大，主要孔隙半徑減小，總體積逐漸減小。通過已有的幾種滲透系數(shù)模型對(duì)上海淤泥質(zhì)粘土的滲透系數(shù)與孔隙分布數(shù)據(jù)擬合，發(fā)現(xiàn)水頭半徑影響模型比較適合表達(dá)上海的滲透系數(shù)，并給出了滲透系數(shù)與孔

4、隙的定量關(guān)系。 3.建立了考慮微結(jié)構(gòu)的飽和軟粘土的彈塑性本構(gòu)模型。在Chang&Hicher(2005)建立的考慮微結(jié)構(gòu)效應(yīng)的粒狀材料彈塑性本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，建立了一個(gè)考慮微結(jié)構(gòu)的粘土微觀彈塑性本構(gòu)模型。模型中假設(shè)粘土團(tuán)粒是由一系列的粒子組成，這些團(tuán)粒在受力過程中不能發(fā)生斷裂破損。模型中應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系是通過土團(tuán)粒接觸面上各個(gè)方向上位移、應(yīng)力的積分求得。對(duì)模型接觸面的分析采用了基于Hertz-Mindlin彈性法則和Mohr-C

5、oulomb塑性法則，引入了雙屈服面函數(shù)反映接觸面上的塑性位移變化。并采用大量的不同類型的試驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)該模型可以從微觀角度反映出土體的宏觀的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，模型預(yù)測(cè)的結(jié)果與大量的試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性；除此之外，該模型還可以模擬出上述不同固結(jié)條件下的粘土(正常固結(jié)土、超固結(jié)土)在不同的試驗(yàn)條件下(三軸排水、不排水試驗(yàn)、單軸固結(jié)試驗(yàn))的剪脹、剪縮的特性。 為了驗(yàn)證該模型對(duì)上海飽和軟粘土的適用性，運(yùn)用GDS三軸試驗(yàn)儀

6、器對(duì)上海淤泥質(zhì)粘土進(jìn)行三軸排水試驗(yàn)，同時(shí)搜集到了淤泥質(zhì)粘土的不排水試驗(yàn)結(jié)果及淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土的三軸排水和不排水的試驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)上述上海粘土試驗(yàn)結(jié)果對(duì)考慮微結(jié)構(gòu)的彈塑性本構(gòu)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明上海粘土具有加工硬化的特點(diǎn)、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系成雙曲線形狀；本文的微觀本構(gòu)模型可以較好的模擬上海粘土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和應(yīng)力路徑的特點(diǎn)。同時(shí)根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)顆粒接觸面上不同方向向量的力學(xué)特性進(jìn)行分析，得到接觸面上不同的典型方向上剪切應(yīng)力發(fā)展是不同的，其對(duì)土

7、體的宏觀剪切破壞貢獻(xiàn)也不盡相同。所得模型可以從微觀的角度定量的反映土體破壞的宏觀機(jī)制。 4.建立了考慮微結(jié)構(gòu)特性的各向異性本構(gòu)模型。在上述考慮微結(jié)構(gòu)的飽和軟粘土的彈塑性本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上將考慮組構(gòu)的各向異性的二階組構(gòu)張量引入接觸面上的剛度、硬化參數(shù)、剪脹系數(shù)等參數(shù)中，由此反映材料引起的各向異性和應(yīng)力引起的各向異性。最后通過San Francisco Bay粘土三軸不排水垂直面和水平面在分別加載情況下的試驗(yàn)結(jié)果、上海粘土三軸排水情況