水力—力学耦合的非饱和土本构关系及其数值算法研究

发布时间：2020-08-24 20:30

【摘要】：非饱和土广泛分布于地球表层,大量的基础设施,如铁路、公路和机场跑道等,修建于非饱和土层之上,基础设施的使用性能与非饱和土的力学性质密切相关。非饱和土是由土颗粒、孔隙水和孔隙气组成的三相混合物,性质复杂多变,对非饱和土的研究仍处于探索阶段,理论尚未完善。研究非饱和土的本构关系无疑对设计新的土工结构、指导工程施工和评价原有设施的安全性都具有重大的意义。本文对非饱和土、非饱和膨胀土和超固结非饱和土的力学性质进行了详细的研究,建立了相应的本构关系,并将本构关系和有限单元法结合,用于工程问题的计算分析,本文主要的研究成果如下:(1)对非饱和膨胀土的膨胀机理进行了分析,指出以非饱和膨胀土的宏观性质为基础建立宏观尺度的非饱和膨胀土的本构关系是可行的。提出了非饱和膨胀土的宏观结构中性加载屈服面假设,推导了宏观结构中性加载屈服面方程和非饱和膨胀土发生塑性膨胀变形时的体变方程,建立了宏观尺度的非饱和膨胀土的本构关系,该模型与原模型相比只引入一个新的参数。采用宏观结构中性加载屈服面概念建立的非饱和膨胀土本构关系不需要分析膨胀土的微观尺度变形,也不需要通过耦合方程计算宏观尺度的塑性膨胀变形,和双尺度的非饱和膨胀土的本构关系相比,具有参数少,参数容易确定,模型框架简单等特点。最后采用文献中的试验数据对宏观尺度的非饱和膨胀土的本构关系进行了验证,证明了该模型的正确性。(2)非饱和土的复杂性质是水力-力学耦合作用的结果,对非饱和土的体变特性进行了详细的分析,提出了非饱和土硬化效应的概念,建立了饱和度与硬化效应之间了关系。采用饱和度和骨架应力作为基本的本构变量,推导了非饱和土的体变方程,结合临界状态土力学,建立了水力-力学耦合的非饱和土的本构模型。该模型对非饱和土的体变特性从饱和度对非饱和土硬化效应影响的角度进行了解释,非饱和土的硬化效应由饱和度控制,饱和度发生变化时,非饱和土的硬化效应随之改变,从而影响非饱和土的体变特性,若饱和度保持恒定,则非饱和土的压缩曲线与饱和土的压缩曲线平行。结合孔隙介质理论,最后通过排水条件和不排水条件下的非饱和土的压缩试验数据和三轴剪切试验数据验证了该模型的正确性。(3)引入下负荷面的概念,将水力-力学耦合的非饱和土本构模型推广至超固结非饱和土的本构模型,并给出了该模型的隐式积分算法,与初始模型相比,该模型只增加了一个参数。该模型能够较好地考虑超固结对非饱和土力学性质的影响,能够预测超固结非饱和土的许多力学特性,如:超固结非饱和土的应变硬化和应变软化现象,剪胀和剪缩特性,同时也能够预测饱和度对超固结非饱和土力学性质的影响。通过模型预测结果与文献中试验数据的对比,证明了该模型的正确性。(4)对饱和度恒定条件下的非饱和土的力学性质进行了探索,通过同时控制非饱和土试样的孔隙比和基质吸力,达到了控制非饱和土试样饱和度的目的,并对非饱和土进行了饱和度恒定的一维压缩试验。试验结果表明在饱和度恒定的条件下非饱和土的压缩曲线与饱和土的压缩曲线平行,该试验结果验证了从饱和度对硬化效应影响的角度对非饱和土体变特性的解释。(5)基于孔隙介质理论,推导了非饱和土固-液-气耦合的控制方程,并结合本文提出的水力-力学耦合的非饱和土的本构关系,给出了非饱和土固-液-气耦合的有限元算法,通过数值模拟结果与土柱渗流试验结果的对比验证了该算法的有效性,最后对非饱和土相关的工程问题进行了有限元分析,数值计算结果表明地下水位上升对条形基础的承载力和土质边坡的稳定性均会产生不利影响。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU43
【图文】：

样在基质吸力为0邋ｋＰａ的条件下固结至平均净应力为瓦的过ｅ－ｌｎ／曲线在固结的过程中沿着饱和土的正常固结曲线，阶段，在试样的基质吸力小于进气值前，试样仍处于饱和状大有效应力对土体的作用是相同的，故ｅ－Ｉｎ／／曲线在基质土的压缩曲线重合；当基质吸力超过进气值时，土颗粒间的供的稳定效应而变小，所以增加基质吸力对非饱和土体变的，在基质吸力增加的过程中非饱和土的压缩曲线逐渐向饱和基质吸力恒定的压缩过程中，试样处于非饱和状态，屈服应，试样的应力状态位于屈服面的内部，随着平均净应力的继力与屈服应力相等，试样达到屈服，最后试样的ｅ－ｌｎｐ曲缩曲线的斜率相等。逡逑加载的过程中，由于平均骨架应力的增加，泥浆土试样发生同的孔隙比条件下，非饱和土试样的平均骨架应力与饱和土距离随着基质吸力的升高而变大，如图３．２中所示。而在基

邋ｄＳＴ逡逑由式（３．６）可知，非饱和土的体变由两部分组成：应力变化引起的体变与饱和度升高导致逡逑硬化效应衰退所引起的体变，如图３．６所示。逡逑逦非饱和土的压缩曲线逡逑＼逦逦饱和土的压缩曲线逡逑』邋、、、、、逡逑ｉ逦办逦、、、ｉ逦ｉ邋ｐ逡逑＾逦＇卜、Ｎｊ＇ｎ醒必逡逑……－－－……碑逡逑逦￡＿ｉ逦＼ｐ＇邋＋邋ｃｉｐ＇逦＞逡逑平均骨架应力Ｖ）逡逑图３．６非饱和土体变的分解逡逑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，若对非饱和土进行饱和度恒定的压缩试验，则非饱和土的压缩系数逡逑与饱和土的压缩系数相同并在压缩过程中保持恒定。Ｚｈａｎｇ和Ｉｋａｒｉｙａ［１３９］在建立非饱和逡逑土的本构模型时假设非饱和土的正常固结曲线在不同的恒定饱和度条件下都与饱和土逡逑的正常固结曲线平行，这与本文推导的非饱和土的体变方程得出的结论相同。在基质吸逡逑力恒定的压缩试验中

该土水特征曲线未考虑水力滞回，这是为方便将非饱和土的加载湿陷屈服面绘制于骨架逡逑应力和基质吸力的空间中，若考虑土水特征曲线的水力滞回，可将本文推导的加载湿陷逡逑屈服面绘制于饱和度和骨架应力空间中。通过计算可得到图３．８中所示的加载湿陷屈服逡逑曲线，图３．８中也给出了净应力恒定条件下的吸湿路径，该吸湿路径分别穿越了等效屈逡逑服应力Ａ分别为４００邋ｋＰａ、５００邋ｋＰａ和６００邋ｋＰａ的加载湿陷屈服面，表示该非饱和土试样逡逑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逦５００逦１０００逦１５００逦２０００逡逑平均骨架应力／ｋＰａ逡逑图３．８基质吸力和平均骨架应力空间中非饱和土的加载湿陷屈服面逡逑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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本文编号：2802816