软黏土的流变特性及流变参数统一性研究

发布时间：2019-11-12 10:56

【摘要】：软黏土广泛分布于我国经济发达和城市化快速发展的滨海沿江地区,其复杂的物理力学特性对这些地区大型岩土工程的设计施工提出了更高的要求与挑战。流变特性是软黏土的重要特征,也是影响软弱地基及工程结构长期沉降和稳定性的主要因素,对其进行系统研究具有重要的理论价值和工程意义。目前对于软黏土流变特性的研究主要是对其加载速率、蠕变和应力松弛等特性分开展开的,虽然流变特性在宏观上表现出不同的力学行为,但是这些力学行为实际上是由土体的黏性本质决定的,理论上讲它们应该是具有统一性的。因此,有必要确定不同力学表现的内在关联性,建立统一的流变模型。本文结合大量不同软黏土的试验,研究了软黏土的流变特性和流变参数的统一性。建立了软黏土加载速率参数的统一性和不同流变特性(即强度的加载速率效应、蠕变及应力松弛)的统一性;探讨了软黏土的各向异性流变特性和流变参数的非线性演变规律;最终提出了考虑流变参数统一性和非线性的弹黏塑性本构模型。本文主要内容包括以下几个方面:1.结合多地区不同软黏土的加载速率试验,研究了黏土加载速率效应特性在不同应力条件下的统一性。总结一维压缩和三轴剪切条件下5个加载速率效应方程及其关键参数,并结合大量试验结果,确定了适用于描述软黏土先期固结压力和不排水强度加载速率效应的表达形式,建立了软黏土加载速率参数在一维压缩和三轴压缩、三轴压缩与三轴伸长、不同超固结度(OCR)条件下的统一性。以上海黏土为试验对象,通过一维等加载速率压缩(CRS)试验、三轴变加载速率压缩和伸长试验以及不同OCR条件下三轴变速率压缩试验,验证了软黏土加载速率效应特性的统一性,并确定了上海黏土的加载速率参数变化范围。2.通过推导应力松弛系数的解析表达式,建立了软黏土不同流变特性参数的统一性。在归纳总结试验规律的基础上,提出了一个基于双对数坐标的应力松弛系数。基于加载速率效应的黏弹塑性本构方程,推导了应力松弛过程中应力随时间演变的解析表达式,确定了应力松弛系数与加载速率系数之间的关联性。结合次固结系数,建立加载速率系数、次固结系数和应力松弛系数的统一性关系。通过试验确定上海黏土的应力松弛系数和次固结系数,结合前述加载速率系数,验证了不同流变特性参数的统一性规律。3.通过加载方向与天然沉积面呈不同角度的一维蠕变试验,研究了典型黏土的流变各向异性特征。分别对三类黏土(上海黏土、温州黏土和舟山黏土)进行了试验,探讨了次固结系数和应力松弛系数随试样角度演变特性。结果表明:高塑性黏土流变参数具有明显的各向异性特性;应力低于先期固结压力时,黏土颗粒初始组构对流变参数的影响较为显著;流变参数的各向异性随着应力增长而逐渐消失。4.根据软黏土蠕变试验结果和土体的物理力学指标,研究了软黏土的流变参数非线性特征。根据重塑黏土的试验结果,提出了反映次固结系数随土体压密演变规律的蠕变函数。根据原状土结构破坏过程中含水率和结构强度变化对次固结系数的影响,建立了能够同时反映土体压密和结构破坏的次固结系数表达函数,并提出了基于液塑限的材料常数计算方法。采用该方法分别计算不同重塑与原状黏土的次固结系数,与试验值的比较结果验证了本文所提出次固结系数非线性表达函数的合理性和有效性。5.考虑流变参数统一性和流变非线性特性,提出了改进的非线性弹黏塑性模型(EVP-Nonlinear),并进行应用验证。利用黏土流变参数的统一性规律,提出了根据蠕变试验、加载速率试验和应力松弛试验确定弹黏塑性模型中流变参数的方法,拓展了流变参数取值渠道。通过嵌入考虑黏土流变参数非线性演变的表达函数,改进了非线性弹黏塑性模型。从收敛性和实用性角度,对比基于超应力理论弹黏塑性模型数值分析的三种算法后,采用EVP-Katona算法编写了EVP-Nonlinear模型的Umat子程序,实现了Abaqus有限元程序二次开发,并结合室内试验结果验证正确性。通过对Murro路堤长期力学行为测试结果的分析对比,证明了EVP-Nonlinear模型在工程中的适用性及优越性。
【图文】：

展示了三种黏土不同角度试样的

展示了三种黏土不同角度试样的
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU447

【参考文献】

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本文编号：2559741