软粘土结构性、塑性各向异性及其演化

论文摘要

我国东南沿海地区广泛分布着深厚的软弱粘土层。与其他地区典型的软粘土相似，该地区土层含水量大、压缩性高且承载力较低，在其上建设高速公路、机场等工程难度大、成本高。以往对软粘土的认识以及在工程设计时多是基于重塑土的室内试验结果，缺乏对天然沉积软粘土工程性状的研究。 在所有天然软粘土的影响因素中，结构性和塑性各向异性是其中重要的两个方面。本文从临界状态土力学的基本原理出发，回顾了剑桥模型和修正剑桥的建立和求解过程，评价了该模型对重塑软粘土的适用情况以及应用于天然软粘土应力应变关系和不排水强度计算时的缺陷。由此，本文首先根据天然软粘土的屈服性状，将修正剑桥模型各向同性的屈服面改进为各向异性的椭圆屈服面；然后参考次加载／超加载屈服面本构模型，考虑了超固结和结构性对于土体应力应变关系的影响，建立了适用于各向异性的结构性软粘土的本构模型；最后利用本文模型分析了K0固结软粘土的不排水强度，并给出了应用于实际工程的平均不排水抗剪强度推荐值。 综上所述，本文在分析软粘土结构性和塑性各向异性的过程中主要完成了以下一些工作： 一、改进了修正剑桥模型屈服面。根据国内外典型天然软粘土试验得到的屈服面，本文在修正剑桥模型各向同性的屈服面的基础上，考虑了K0固结诱发的土体各向异性，采用倾斜椭圆作为本构模型的屈服面；同时研究了K0固结软粘土初始屈服面对应的NCL的斜率，通过与试验结果比较，建立了p′-q平面上NCL初始斜率值与临界状态参数M以及K0系数的相关关系。 二、研究了温州软粘土的结构性和各向异性。对照Bothkennar软粘土的物理力学性状，本文主要通过一系列GDS应力路径三轴试验，揭示了温州软粘土作为一种典型的结构性软粘土，其初始屈服面存在明显的各向异性，呈现出本文模型所描绘的倾斜椭圆的形状；当施加较大的等向应力后，温州软粘土的结构性逐渐丧失，各向异性也发生显著变化，土体呈现出明显的各向同性的特征。 三、采用了符合热力学基本原理的硬化准则。本文模型基于修正剑桥模型，在引入应力诱发的各向异性时依据Collins提出的符合热力学耗散原理的本构模型，综合考虑了体积应变和剪切应变对土体硬化的影响，从而避免了在各向异性模型中采用体积硬化规则而带来的不符合热力学原理的缺陷。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 结构性软粘土的基本性状
• 1.2 本文的主要工作
• 第2章 国内外相关研究现状
• 2.1 剑桥模型和修正剑桥模型回顾
• 2.1.1 修正剑桥模型的应力应变关系
• 2.1.2 修正剑桥模型评述
• 2.2 国内外结构性软粘土本构模型简介
• 2.2.1 结构性软粘土的微观模型描述
• 2.2.2 结构性软粘土的宏观模型描述
• 2.2.3 几个典型的结构性软粘土本构模型
• 2.2.4 结构性软粘土次加载／超加载屈服面本构模型
• 2.3 软粘土的塑性各向异性和旋转硬化规律
• 2.3.1 软粘土的各向异性简介
• 2.3.2 基于热力学原理的塑性各向异性本构模型
• 2.3.3 旋转硬化的研究现状
• 0固结结构性软粘土的不排水抗剪强度'>2.4 K₀固结结构性软粘土的不排水抗剪强度
• 2.4.1 软粘土的不排水抗剪强度研究现状
• 0固结不排水抗剪强度'>2.4.2 基于修正剑桥模型的K₀固结不排水抗剪强度
• 0固结结构性软粘土的本构模型'>第3章 K₀固结结构性软粘土的本构模型
• 0固结结构性软粘土的屈服面和体积变形'>3.1 K₀固结结构性软粘土的屈服面和体积变形
• 3.1.1 软粘土屈服面性状
• 3.1.2 屈服面的选取
• 0固结软粘土的体积变形'>3.1.3 K₀固结软粘土的体积变形
• 0固结结构性软粘土本构模型的建立'>3.2 K₀固结结构性软粘土本构模型的建立
• 3.2.1 屈服面函数
• 3.2.2 流动法则
• 3.2.3 硬化规律、结构性演化规律和各向异性演化规律
• 3.2.4 应力应变关系的导出
• 3.3 临界状态和破坏状态
• 3.3.1 临界状态和破坏状态
• 3.3.2 本文模型的临界状态线和破坏线
• 3.4 小结
• 第4章 典型结构性软粘土试验研究
• 4.1 BOTHKENNAR软粘土试验研究简介
• 4.1.1 Bothkennar软粘土的结构性表现
• 4.1.2 Bothkennar软粘土的屈服特性
• 4.2 温州软粘土试验研究
• 4.2.1 早期温州粘土的试验研究
• 4.2.2 本文对温州软粘土的试验研究
• 4.3 小结
• 第5章 演化规律的研究
• 5.1 基于热力学原理的硬化规律
• 5.1.1 修正剑桥模型的硬化规律
• 5.1.2 各向异性土体符合热力学原理的硬化规律
• 5.2 结构性演化规律研究
• *演化规律'>5.2.1 R和R^*演化规律
• *演化参数的确定'>5.2.2 R和R^*演化参数的确定
• 5.2.3 试验结果对比
• 5.3 旋转硬化规律研究
• 5.3.1 旋转硬化规律
• 5.3.2 试验结果对比
• 5.4 小结
• 0固结软粘土的不排水抗剪强度'>第6章 K₀固结软粘土的不排水抗剪强度
• 6.1 不排水抗剪强度的试验研究
• 6.1.1 不排水抗剪强度试验简介和强度参数选取
• 6.1.2 本文模型强度计算的破坏准则选取
• 6.2 不排水抗剪强度公式的推导
• 6.2.1 用于不排水强度计算的屈服面方程
• 6.2.2 三轴条件下的不排水抗剪强度
• 6.2.3 平面应变条件下的不排水抗剪强度
• 6.3 不排水抗剪强度理论计算与试验比较
• 6.4 平均不排水强度的推荐值
• 6.5 小结
• 第7章 结论与建议
• 7.1 本文主要结论
• 7.2 开展下一步研究工作的建议
• 参考文献
• 致谢
• 附录1:个人简历及友农龙义俏讥