黏土本构建模理论与试验研究

博士学位论文摘要：在进行大量黏土力学性质试验的基础上,将岩土本构关系的数值建模方法拓展到黏性土领域,在弹塑性理论的框架内,探讨黏土本构建模、本构关系和强度特性问题,主要包括3方面的工作：黏土本构关系的数值建模研究、应力历史与应力路径对黏土本构关系与强度特性的影响研究以及黏土经典本构模型的参数研究与模型评价。主要研究成果如下：     

基于功能系统分析技术的葵岗隧道围岩施工方案选择研究

 基于价值工程中的功能系统分析技术,结合专家知识和群决策(DSS)技术,对高速公路隧道施工方案的优化选择方法进行研究,建立一个针对不同围岩类别的施工方案优化理论模型。然后结合一个具体案例(葵岗隧道施工优化)来阐述该模型的应用。实践证明,这种模型很适合大型隧道工程的施工方案优化选择决策。     

减围压三轴压缩路径下重塑黏土本构关系的数值建模研究

根据岩土塑性变形中体应变与剪应变之间相互作用的观点,采用数值建模方法建立减围压三轴压缩应力路径下重塑黏土的弹塑性本构模型,为土体挖方工程的计算机仿真提供符合实际的本构方程。通过可视化分别给出整个应力场（p,q）中减围压三轴压缩和常规三轴压缩2种应力路径下的体应变和剪应变的三维变形曲面;对比两者发现,对于剪应变,两者在坡度上存在明显差异;对于体应变,减围压三轴压缩路径下的体应变完全为负值,这意味着在整个变形过程中均为体积膨胀。另外,比较常规三轴压缩与减围压三轴压缩的屈服轨迹发现,两者的剪切屈服轨迹基本变化趋势差别不大,但减围压三轴压缩的剪应变上升较快;常规三轴压缩体积屈服轨迹开始稍微向右偏转,然后缓慢向左偏转,而减围压三轴压缩的体积屈服轨迹则是单调地向左偏转。以上研究结果进一步证明,应力路径对土体本构关系的影响是严重的,特别是增p与减p路径效应之间的差别是相当大的,不可忽略。     

减围压三轴压缩路径下重塑黏土本构关系的数值建模研究

根据岩土塑性变形中体应变与剪应变之间相互作用的观点,采用数值建模方法建立减围压三轴压缩应力路径下重塑黏土的弹塑性本构模型,为土体挖方工程的计算机仿真提供符合实际的本构方程.通过可视化分别给出整个应力场(p,q)中减围压三轴压缩和常规三轴压缩2种应力路径下的体应变和剪应变的三维变形曲面;对比两者发现,对于剪应变,两者在坡度上存在明显差异;对于体应变,减围压三轴压缩路径下的体应变完全为负值,这意味着在整个变形过程中均为体积膨胀.另外,比较常规三轴压缩与减围压三轴压缩的屈服轨迹发现,两者的剪切屈服轨迹基本变化趋势差别不大,但减围压三轴压缩的剪应变上升较快;常规三轴压缩体积屈服轨迹开始稍微向右偏转,然后缓慢向左偏转,而减围压三轴压缩的体积屈服轨迹则是单调地向左偏转.以上研究结果进一步证明,应力路径对土体本构关系的影响是严重的,特别是增p与减p路径效应之间的差别是相当大的,不可忽略.     

应力路径对重塑粘土本构关系影响的试验研究

为探讨应力路径对重塑粘土本构关系的影响,进行了增、等、减排水和常规三轴压缩不排水应力路径下的三轴压缩试验,获得了四种应力路径下重塑粘土的应力应变关系,采用数值建模方法通过可视化分别给出了四种应力路径下整个应力场中的剪切和体积三维变形曲面,并给出了四种应力路径下的剪切和体积屈服轨迹。对比这四种应力路径下的变形结果发现,无论在应力范围、应变峰值、应变曲面的形状和体积屈服轨迹的变化趋势上都存在显著差别,然而剪切屈服轨迹相似。这些结果证实了应力路径对粘土本构关系的影响是相当大的和不容忽视的,而有效平均正应力对应力路径相关性的影响是决定性的。     

基于国标试验的黏土真实缩限值确定

提出了一种黏土真实缩限值的确定方法,修正了《土工试验方法标准：GB/T50123—2019》“缩限试验”与“收缩试验”方法测试步骤和数据处理。采用6种黏土开展泥浆样“缩限试验”与泥浆固结样“收缩试验”,将GB/T50123—2019方法与所提方法获得的缩限结果进行了系统性的比较,结果表明：(1)由基于“缩限试验”的泥浆样与“收缩试验”的泥浆固结样获得的真实缩限值几乎相同,表明缩限取值与所采用的试验方法无关而具有唯一性。(2)GB/T50123—2019中“缩限试验”“收缩试验”方法确定出的缩限值约为真实缩限值的2.7倍。(3)真实缩限状态下,土是非饱和的,其饱和度介于22%～57%。GB/T 50123—2019高估缩限的原因是：“缩限试验”方法假定收缩至体积不变时土是饱和的;“收缩试验”方法用收缩曲线初始线性段与最终水平段的交点而非收缩至体积不变点确定缩限。     

压实膨胀土非饱和渗水系数函数的密度与水力滞回效应

为探讨密度与水力滞回对膨胀土非饱和渗水系数函数(hydraulic conductivity function, HCF)及非饱和渗流的影响,以压实弱膨胀土为研究对象,开展变水头渗透试验获得饱和渗透系数-孔隙比e关系。基于van Genuchten-Mualem(VGM)模型,采用TRIM(transient release and imbibition method,瞬态脱湿与吸湿)试验方法获得6种密度下脱/吸湿过程的HCF模型参数α,n,并构建α,n与e的经验公式。基于所获HCF模型参数在Hydrus中开展降雨入渗数值分析。结果表明:①土体密度与水力滞回对α,n影响显著;无论脱/吸湿过程,α,n均随e增大而增大;相同密度下,脱湿过程α,n均小于吸湿过程对应值。②密度与水力滞回均对吸力表达的HCF影响显著;不同e下HCF存在"交叉"现象:相同吸力下,交叉点前,密度小的试样渗水系数k值大;交叉点后,密度大的试样k值大;同一密度相同吸力下脱湿过程k值明显大于吸湿过程k值。③密度对体积含水率θ表达的HCF影响显著,相同θ下,密度大的试样k值小,但不存在"交叉"现象;水力滞回对θ表达的HCF影响微弱,同一密度下脱/吸湿过程HCF接近。④数值分析表明,土体密度对非饱和渗流影响显著,但密度变化对湿润锋前进速度快慢影响不具单调性;水力滞回对渗流分析结果影响明显;采用形式简单的HCF模型如VGM模型,采用α,n与e的经验公式,对不同密度、不同脱/吸湿路径采用对应的模型参数值,是综合考虑密度与水力滞回对非饱和渗流影响的可行方法。     

荆门压实弱膨胀土孔隙比－含水率－吸力特征的滞回效应

为探讨水力路径对膨胀土土水特征与体变特征影响中的滞回效应，以压实度为90 %的荆门弱膨胀土为研究对象，采用轴平移技术和等压湿度控制法，开展了控制吸力条件下的脱、吸湿试验，获得了0～391000 kPa吸力范围内的孔隙比－含水率－吸力关系的滞回效应规律，结论如下：(1) 重力含水率－吸力关系的滞回效应显著。脱、吸湿边界线间涵盖了较大区域；脱湿与吸湿边界线并不平行，前者拐点处的斜率明显大于吸湿边界线的相应值。Fredlund-Xing模型能够很好描述土水特征的脱湿与吸湿边界线。脱、吸湿边界线均可分别通过2个特征点划分为：边界效应区、过渡区与残余区；残余吸力与进水值均可取为359100 kPa；进气值为300 kPa；出气值为8 kPa。(2) 孔隙比－吸力关系呈现出显著的滞回效应。利用3参数指数函数可以很好地分别描述主脱、吸湿路径下的孔隙比－吸力关系。(3) 孔隙比－重力含水率关系的滞回效应不显著。采用2参数指数函数可较好地统一描述不同水力路径下的孔隙比－重力含水率关系。 (4) 饱和度－吸力关系呈现出显著的滞回效应。该滞回效应可利用描述土水特征的Fredlund-Xing模型和描述体变特征的3参数指数函数组合描述。 (5) 体变特征的脱湿速率效应显著。     

论土体应力应变关系曲线类型和临界状态

为探讨应力历史对土体本构关系的影响,进行了一系列正常固结土和超固结土的排水剪切常规三轴压缩试验,对比具有不同应力历史的土体应力应变关系曲线发现,对于体应变,超固结比是决定性因素,而体应变对固结压力不太敏感。对于抗剪能力,固结压力是决定性因素,超固结比的影响也不可忽略,超固结比决定了是应变强化还是应变软化,且决定了应变软化的程度,但试样最终会达到一个统一的临界状态,具有大体相同的残余强度。根据塑性体应变与塑性剪应变之间的相互作用原理阐明,土体变形过程中,塑性体应变的变化控制了剪切抗力的升降,从而决定了土体应力应变关系曲线的类型;临界状态实际上是一个纯粹剪切变形过程,其中不发生塑性体应变与塑性剪应变之间的相互作用,压硬性、剪胀性、应力路径相关性统统消失,它与以前所经历的应力历史无关。     

粘土数值建模方法与Duncan模型的对比研究

以塑性体应变与塑性剪应变之间的相互作用原理为指导,对粘土本构关系的数值建模方法进行了研究。采用包含应力路径函数的两个本构泛函作为模型基本框架,可以反映出应力路径相关性。应力应变增量关系的表达式包含两个偏导数的交叉项,用于反映塑性体应变与塑性剪应变的相互作用。利用三轴试验结果建立了粘土的弹塑性本构模型,该模型能够反映出土的三大基本力学特性:压硬性、剪胀性和应力路径相关性。通过可视化,分别给出在整个应力场中剪切和体积的三维变形曲面。此外,从模型的理论基础、基本框架和预测结果等方面与Duncan模型进行对比,显示出数值建模方法优于传统方法。