【摘要】：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)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)了非飽和土固-液-氣耦合的控制方程,并結(jié)合本文提出的水力-力學(xué)耦合的非飽和土的本構(gòu)關(guān)系,給出了非飽和土固-液-氣耦合的有限元算法,通過數(shù)值模擬結(jié)果與土柱滲流試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證了該算法的有效性,最后對(duì)非飽和土相關(guān)的工程問題進(jìn)行了有限元分析,數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明地下水位上升對(duì)條形基礎(chǔ)的承載力和土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性均會(huì)產(chǎn)生不利影響。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TU43
【圖文】：

樣在基質(zhì)吸力為0邋ｋＰａ的條件下固結(jié)至平均凈應(yīng)力為瓦的過ｅ－ｌｎ／曲線在固結(jié)的過程中沿著飽和土的正常固結(jié)曲線，階段，在試樣的基質(zhì)吸力小于進(jìn)氣值前，試樣仍處于飽和狀大有效應(yīng)力對(duì)土體的作用是相同的，故ｅ－Ｉｎ／／曲線在基質(zhì)土的壓縮曲線重合；當(dāng)基質(zhì)吸力超過進(jìn)氣值時(shí)，土顆粒間的供的穩(wěn)定效應(yīng)而變小，所以增加基質(zhì)吸力對(duì)非飽和土體變的，在基質(zhì)吸力增加的過程中非飽和土的壓縮曲線逐漸向飽和基質(zhì)吸力恒定的壓縮過程中，試樣處于非飽和狀態(tài)，屈服應(yīng)，試樣的應(yīng)力狀態(tài)位于屈服面的內(nèi)部，隨著平均凈應(yīng)力的繼力與屈服應(yīng)力相等，試樣達(dá)到屈服，最后試樣的ｅ－ｌｎｐ曲縮曲線的斜率相等。逡逑加載的過程中，由于平均骨架應(yīng)力的增加，泥漿土試樣發(fā)生同的孔隙比條件下，非飽和土試樣的平均骨架應(yīng)力與飽和土距離隨著基質(zhì)吸力的升高而變大，如圖３．２中所示。而在基

邋ｄＳＴ逡逑由式（３．６）可知，非飽和土的體變由兩部分組成：應(yīng)力變化引起的體變與飽和度升高導(dǎo)致逡逑硬化效應(yīng)衰退所引起的體變，如圖３．６所示。逡逑邐非飽和土的壓縮曲線逡逑＼邐邐飽和土的壓縮曲線逡逑』邋、、、、、逡逑ｉ邐辦邐、、、ｉ邐ｉ邋ｐ逡逑＾邐＇卜、Ｎｊ＇ｎ醒必逡逑……－－－……碑逡逑邐￡＿ｉ邐＼ｐ＇邋＋邋ｃｉｐ＇邐＞逡逑平均骨架應(yīng)力Ｖ）逡逑圖３．６非飽和土體變的分解逡逑Ｆｉｇ．邋３．６邋Ｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｖｏｌｕｍｅ邋ｃｈａｎｇｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ邋ｓｏｉｌ逡逑由式（３．６）可知，若對(duì)非飽和土進(jìn)行飽和度恒定的壓縮試驗(yàn)，則非飽和土的壓縮系數(shù)逡逑與飽和土的壓縮系數(shù)相同并在壓縮過程中保持恒定。Ｚｈａｎｇ和Ｉｋａｒｉｙａ［１３９］在建立非飽和逡逑土的本構(gòu)模型時(shí)假設(shè)非飽和土的正常固結(jié)曲線在不同的恒定飽和度條件下都與飽和土逡逑的正常固結(jié)曲線平行，這與本文推導(dǎo)的非飽和土的體變方程得出的結(jié)論相同。在基質(zhì)吸逡逑力恒定的壓縮試驗(yàn)中

該土水特征曲線未考慮水力滯回，這是為方便將非飽和土的加載濕陷屈服面繪制于骨架逡逑應(yīng)力和基質(zhì)吸力的空間中，若考慮土水特征曲線的水力滯回，可將本文推導(dǎo)的加載濕陷逡逑屈服面繪制于飽和度和骨架應(yīng)力空間中。通過計(jì)算可得到圖３．８中所示的加載濕陷屈服逡逑曲線，圖３．８中也給出了凈應(yīng)力恒定條件下的吸濕路徑，該吸濕路徑分別穿越了等效屈逡逑服應(yīng)力Ａ分別為４００邋ｋＰａ、５００邋ｋＰａ和６００邋ｋＰａ的加載濕陷屈服面，表示該非飽和土試樣逡逑５００邋［邋／邋／邋／逡逑｜３0°＂邋ｆ邋ｆ邋／邋／邋／逡逑ｌ２00－邋／邋／邋／邋ｙ邋／逡逑Ｗ｜°］逡逑０邐５００邐１０００邐１５００邐２０００逡逑平均骨架應(yīng)力／ｋＰａ逡逑圖３．８基質(zhì)吸力和平均骨架應(yīng)力空間中非飽和土的加載濕陷屈服面逡逑Ｆｉｇ．邋３．８邋Ｌｏａｄｉｎｇ邋ｃｏｌｌａｐｓｅ邋ｙｉｅｌｄ邋ｓｕｒｆａｃｅｓ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｓｐａｃｅ邋ｏｆ邋ｍｅａｎ邋ｓｋｅｌｅｔｏｎ邋ｓｔｒｅｓｓ邋ａｎｄ邋ｓｕｃｔｉｏｎ逡逑－４７－逡逑

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本文編號(hào)：2802816