水力-力學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、公路和機場跑道等，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)系無疑對設(shè)計新的土工結(jié)構(gòu)、指導工程施工和評價原有設(shè)施的安全性都具有重大的意義。本文對非飽和土、非飽和膨脹土和超固結(jié)非飽和土的力學性質(zhì)進行了詳細的研究，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，用于工程問題的計算分析，本文主要的研究成果如下:
　　(1)對非飽和膨脹土的膨脹機理進行了分析，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，模型框架簡單等特點。最后采用文獻中的試驗數(shù)據(jù)對宏觀尺度的非飽和膨脹土的本構(gòu)關(guān)系進行了驗證，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-力學耦合作用的結(jié)果，對非飽和土的體變特性進行了詳細的分析，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，推導了非飽和土的體變方程，結(jié)合臨界狀態(tài)土力學，建立了水力，力學耦合的非飽和土的本構(gòu)模型。該模型對非飽和土的體變特性從飽和度對非飽和土硬化效應(yīng)影響的角度進行了解釋，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，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、和土的壓縮試驗數(shù)據(jù)和三軸剪切試驗數(shù)據(jù)驗證了該模型的正確性。
　　(3)引入下負荷面的概念，將水力-力學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參數(shù)。該模型能夠較好地考慮超固結(jié)對非飽和土力學性質(zhì)的影響，能夠預(yù)測超固結(jié)非飽和土的許多力學特性，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，同時也能夠預(yù)測飽和度對超固結(jié)非飽和土力學性質(zhì)的影響。通過模

6、型預(yù)測結(jié)果與文獻中試驗數(shù)據(jù)的對比，證明了該模型的正確性。
　　(4)對飽和度恒定條件下的非飽和土的力學性質(zhì)進行了探索，通過同時控制非飽和土試樣的孔隙比和基質(zhì)吸力，達到了控制非飽和土試樣飽和度的目的，并對非飽和土進行了飽和度恒定的一維壓縮試驗。試驗結(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，該試驗結(jié)果驗證了從飽和度對硬化效應(yīng)影響的角度對非飽和土體變特性的解釋。
　　(5)基于孔隙介質(zhì)理論，推導了非飽和