水力-力學(xué)耦合的非飽和土本構(gòu)關(guān)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(chǔ)設(shè)施，如鐵路、公路和機(jī)場(chǎng)跑道等，修建于非飽和土層之上，基礎(chǔ)設(shè)施的使用性能與非飽和土的力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。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(zhì)復(fù)雜多變，對(duì)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(gòu)關(guān)系無疑對(duì)設(shè)計(jì)新的土工結(jié)構(gòu)、指導(dǎo)工程施工和評(píng)價(jià)原有設(shè)施的安全性都具有重大的意義。本文對(duì)非飽和土、非飽和膨脹土和超固結(jié)非飽和土的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了詳細(xì)的研究，建立了相應(yīng)的本構(gòu)關(guān)

2、系，并將本構(gòu)關(guān)系和有限單元法結(jié)合，用于工程問題的計(jì)算分析，本文主要的研究成果如下:
　　(1)對(duì)非飽和膨脹土的膨脹機(jī)理進(jìn)行了分析，指出以非飽和膨脹土的宏觀性質(zhì)為基礎(chǔ)建立宏觀尺度的非飽和膨脹土的本構(gòu)關(guān)系是可行的。提出了非飽和膨脹土的宏觀結(jié)構(gòu)中性加載屈服面假設(shè)，推導(dǎo)了宏觀結(jié)構(gòu)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(shí)的體變方程，建立了宏觀尺度的非飽和膨脹土的本構(gòu)關(guān)系，該模型與原模型相比只引入一個(gè)新的參數(shù)。采用宏觀結(jié)構(gòu)中性加載屈

3、服面概念建立的非飽和膨脹土本構(gòu)關(guān)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(jì)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(gòu)關(guān)系相比，具有參數(shù)少，參數(shù)容易確定，模型框架簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。最后采用文獻(xiàn)中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)宏觀尺度的非飽和膨脹土的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了驗(yàn)證，證明了該模型的正確性。
　　(2)非飽和土的復(fù)雜性質(zhì)是水力-力學(xué)耦合作用的結(jié)果，對(duì)非飽和土的體變特性進(jìn)行了詳細(xì)的分析，提出了非飽和土硬化效應(yīng)的概念，建立了飽和度與硬化

4、效應(yīng)之間了關(guān)系。采用飽和度和骨架應(yīng)力作為基本的本構(gòu)變量，推導(dǎo)了非飽和土的體變方程，結(jié)合臨界狀態(tài)土力學(xué)，建立了水力，力學(xué)耦合的非飽和土的本構(gòu)模型。該模型對(duì)非飽和土的體變特性從飽和度對(duì)非飽和土硬化效應(yīng)影響的角度進(jìn)行了解釋，非飽和土的硬化效應(yīng)由飽和度控制，飽和度發(fā)生變化時(shí)，非飽和土的硬化效應(yīng)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(jié)合孔隙介質(zhì)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(yàn)數(shù)據(jù)和三軸剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該模型的正確性。
　　(3)引入下負(fù)荷面的概念，將水力-力學(xué)耦合的非飽和土本構(gòu)模型推廣至超固結(jié)非飽和土的本構(gòu)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(gè)參數(shù)。該模型能夠較好地考慮超固結(jié)對(duì)非飽和土力學(xué)性質(zhì)的影響，能夠預(yù)測(cè)超固結(jié)非飽和土的許多力學(xué)特性，如:超固結(jié)非飽和土的應(yīng)變硬化和應(yīng)變軟化現(xiàn)象，剪脹和剪縮特性，同時(shí)也能夠預(yù)測(cè)飽和度對(duì)超固結(jié)非飽和土力學(xué)性質(zhì)的影響。通過模

6、型預(yù)測(cè)結(jié)果與文獻(xiàn)中試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，證明了該模型的正確性。
　　(4)對(duì)飽和度恒定條件下的非飽和土的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了探索，通過同時(shí)控制非飽和土試樣的孔隙比和基質(zhì)吸力，達(dá)到了控制非飽和土試樣飽和度的目的，并對(duì)非飽和土進(jìn)行了飽和度恒定的一維壓縮試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)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(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了從飽和度對(duì)硬化效應(yīng)影響的角度對(duì)非飽和土體變特性的解釋。
　　(5)基于孔隙介質(zhì)理論，推導(dǎo)了非飽和