干湿循环对非饱和土力学特性影响及非饱和土本构关系探讨

发布时间：2018-02-01 04:24

本文关键词： 非饱和土干湿循环力学特性本构模型三相耦合数值分析　出处：《大连理工大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：地表浅层的非饱和土体经常承受由水位升降和降雨-蒸发过程引起的干湿循环的影响,土体的力学特性发生不可逆转的变化。这部分非饱和土与浅基础、边坡、土坝和公路铁路路基等实际工程问题紧密相关。研究干湿循环条件下非饱和土的力学特性无论对设计新的土工结构还是评价已有土工结构的安全稳定性都具有重要的现实意义。本文首先从试验出发,以大连地区典型粉质黏土为研究对象,通过对干湿循环前后不同初始干密度粉质黏土在饱和条件下的固结不排水剪切特性进行详细分析,发现干湿循环对不同初始干密度土体的影响存在差异,指出进行干湿循环试验研究时必须考虑试样的初始密实度；基于泥浆固结三轴试样,研究了干湿循环对不同基质吸力下非饱和土抗剪强度、临界循环应力和动强度的影响；以干湿循环条件下非饱和土力学特性试验为基础,分析了干湿循环对非饱和土力学特性影响的机理,并通过电镜扫描试验佐证了所提机理的合理性。其次,以下负荷面剑桥模型为基础建立了超固结非饱和土的本构模型,并对模型的有效性进行了验证,对干湿循环前后非饱和土的力学特性进行模拟；结合孔隙介质理论,推导了非饱和土的固-液-气三相耦合有限元控制方程,并进行有限元数值计算。本文主要研究成果如下：(1)通过应力-应变控制式三轴剪切试验仪研究了干湿循环条件下不同初始干密度粉质黏土试样在饱和条件下的固结不排水剪切试验特性,结果表明：干湿循环对土体的影响与土体的初始密实状态有关。干湿循环使得初始干密度为1.61g/cm3的试样的应力-应变关系曲线由应变硬化转变为应变软化,孔隙水压力的发展由先增加后减小转变为孔压持续增长,干湿循环前后有效应力路径的发展趋势发生了明显变化。初始干密度1.71g/cm3和1.76g/cm3试样干湿循环前后的应力-应变关系曲线形式未发生明显改变,干湿循环致使孔隙水压力的峰值所有增加,剪切初始阶段的有效应力路径位于未循环试样的左侧。干湿循环过程中粉质黏土力学特性的变化与干燥应力的大小有关,干燥应力越大,力学特性变化越明显。由干湿循环前后土体的电镜扫描试验发现,干湿循环导致土骨架的结构性转变。干湿循环过程中试样内部结构调整和基质吸力的压密作用使得土体的力学特性发生了不可逆转的变化。在研究干湿循环条件下非饱和土的力学特性时,有必要考虑初始密实度和干燥应力对土体力学特性的影响。(2)基于非饱和土的孔隙结构差异影响其平衡饱和度并改变其力学特性这一事实,对泥浆固结制样方法进行改进。改进后的方法能够一次性制备数十个三轴试样,确保多个试样同时进行干湿循环试验,保证了后续非饱和土三轴试验的连续性,缩短了整个试验周期。通过对比多个试样的干密度、含水率分布、颗粒分布曲线和土水特征曲线,系统地评价了泥浆固结试样的均一性,表明改进的泥浆固结方法能够制备大量的均一性试样,有效地降低了试样差异性对试验结果的影响,为后续的试验奠定了基础。(3)采用GDS非饱和土三轴仪和改进的可控制吸力式C.K.C循环三轴仪对干湿循环条件下的非饱和粉质黏土进行了常吸力下的三轴排水剪切试验和动三轴试验,探讨了干湿循环对非饱和土抗剪强度、临界动应力和动强度等的影响。结果表明：干湿循环后非饱和土的初始剪切刚度、临界动应力和动强度明显增大,但这种增长随基质吸力的增大而减小。(4)从理论与试验相结合的角度分析了干湿循环对非饱和土力学特性影响的机理,即饱和条件下干湿循环对土体力学特性的影响主要取决于干湿循环过程中试样的密实度变化和微裂隙的开展程度两方面,最终的表现取决于这两方面所占的权重；而在分析干湿循环对非饱和土力学特性的影响时则应同时考虑密实度变化、微裂隙开展以及饱和度变化三方面的作用。干湿循环前后的电镜扫描试验结果佐证了所提机理的合理性。(5)基于下负荷面剑桥模型,采用平均骨架应力,引入有效饱和度作为自变量,假设非饱和土的压缩曲线的斜率为有效饱和度的函数,建立了超固结非饱和土的本构模型。该模型能够较好地描述正常固结、超固结的饱和及非饱和土的力学特性,同时能够描述非饱和土的循环加载特性。通过对不同初始超固结度下的非饱和排水、不排水三轴试验进行模拟,验证了模型的有效性。采用该模型对干湿循环前后非饱和土的三轴试验进行模拟,取得了良好的效果。(6)以多相孔隙介质理论和连续介质理论为基础,结合超固结非饱和土本构模型,从一些基本的假设出发,严格推导了非饱和土的三相耦合控制方程。通过引入附加假设,对控制方程进行简化,最后得到了u3-pa-pw格式的三相耦合控制方程,并推导了该控制方程的有限元格式。通过Fortran语言进行编程将该模型引入到三相耦合数值分析平台中,建立了考虑超固结效应的三相耦合有限元程序,并分析了干湿循环引起的土水特征曲线变化对土坝渗流的影响,为研究干湿循环条件下非饱和土坝的渗流奠定了基础。
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【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU43

【参考文献】