【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的概念,建立了飽和度與硬化效應之間了關(guān)系。采用飽和度和骨架應力作為基本的本構(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影響的角度進行了解釋,非飽和土的硬化效應由飽和度控制,飽和度發(fā)生變化時,非飽和土的硬化效應隨之改變,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)非飽和土的應變硬化和應變軟化現(xiàn)象,剪脹和剪縮特性,同時也能夠預測飽和度對超固結(jié)非飽和土力學性質(zhì)的影響。通過模型預測結(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,推導了非飽和土固-液-氣耦合的控制方程,并結(jié)合本文提出的水力-力學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)果與土柱滲流試驗結(jié)果的對比驗證了該算法的有效性,最后對非飽和土相關(guān)的工程問題進行了有限元分析,數(shù)值計算結(jié)果表明地下水位上升對條形基礎(chǔ)的承載力和土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性均會產(chǎn)生不利影響。
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：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)吸力小于進氣值前，試樣仍處于飽和狀大有效應力對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；當基質(zhì)吸力超過進氣值時，土顆粒間的供的穩(wěn)定效應而變小，所以增加基質(zhì)吸力對非飽和土體變的，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，試樣的應力狀態(tài)位于屈服面的內(nèi)部，隨著平均凈應力的繼力與屈服應力相等，試樣達到屈服，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：應力變化引起的體變與飽和度升高導致逡逑硬化效應衰退所引起的體變，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，若對非飽和土進行飽和度恒定的壓縮試驗，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，可將本文推導的加載濕陷逡逑屈服面繪制于飽和度和骨架應力空間中。通過計算可得到圖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逡逑平均骨架應力／ｋＰａ逡逑圖３．８基質(zhì)吸力和平均骨架應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：2802816