（岩土工程专业论文）考虑土体结构性的修正邓肯一张模型.pdf

浙江大学硕士学位论文考虑土体结构性的修正邓肯_ _ ! 垦堡型整：墨兰! ! ! ! 摘要 近年来随着工程实践的增多，越来越多的工程技术人员和研究人员认识到 岩土工程中的许多现象难以用现有的土力学理论解释，结构性作为土的一个重要 特性臼益引起人们的广泛关注。土结构性是决定各类土力学特性的一个最为根本 的内在因素，因此土的结构性模型的建立已成为“2 1 世纪土力学的核心问题”。 由于邓肯一张模型反映了土体变形的主要规律并且其各项参数易于从常规 三轴试验求得而在工程实践中被广泛应用。但是该模型是基于重塑土做出的，因 而当用于天然土时可能会与实际情况有较大的差异。目前土的结构性方面的研究 尚不成熟，另起炉灶建立新的模型有一定的困难。本文结合室内试验结果，引入 损伤的概念，考虑土的结构性，对邓肯一张模型进行了修正。 ， 本文首先介绍了天然结构性土的工程特性及其研究现状，包括微观方面及宏 观方面的研究；其次，结合温州粘土的薄壁土样常规试验结果，讨论了天然结构 性土的固结特性、应力应变特征、孔压特性及强度特性；然后详细介绍了邓肯一 张模型，并通过其在实际工程中的应用对其进行了讨论：在此基础上，笔者针对 邓肯一张模型的不足，考虑了土体的结构性因素，引入了损伤变量，对其进行了 修正；最后，通过在实际工程中的应用对比，得出了一些有益的结论，说明修正 模型能够更好地体现天然土体的真实特性。 关键词： 天然土体、结构性、损伤变量、邓肯一张模型、初始切线模量、结构屈服应力 鲞兰苎鲎堡主茎竺丝查 耋查圭竺壁塑些竺竺墨竺盎：查堡竺 一_ 生童堡! ! 竖 a b s t r a c t r e c e n t b om o r ea n dm o r ep h e n o m e n a h a v en o tb e e ne x p l a i n e db yt h ee x i s t i n g t h e o r i e s ，w h i c hb e i n g n o t i c e db y e n g i n e e r s a n dr e s e a r c h e r s 。a so n e i m p o r t a n t c h a r a c t e r i s t i c s t r u c t u r eo fs o i lh a sa t t a c h e dm o r ea n dm o r ea a e n f i o n 。s t r u c t u r ei st h e m o s ti m p o r t a n tf a c t o rd e t e r m i n i n gt h es o i l sc h a r a c t e r i s t i c s ，t h e ni tc o m e s t ob e “t h e n u c l e u sp r o b l e mi ns o i lm e c h a n i c si n2 1 “c e n t u r y t h a tt oe s t a b l i s ha nm o d e la b o u t s o i 】s t r u c t u r e d u n c a n c h a n gm o d e l ，a n n o n l i n e a re l a s t i c m o d e l ，i sw i d e l y u s e di n e n g i n e e r i n g b e c a u s et h em o d e lr e f l e c t st h em a i n r u l e so ft h ed e f o r m a t i o n so f s o i l s ， a n dp a r a m e t e r sc a nb eg a i n e df r o mt r i a x i a lt e s t s b u tt h e r ew i l lb es o m ed i f f e r e n c e s c o m p a r i n gw i t ht h ef a c tw h e nt h em o d e lu s e df o rn a t u r a ld a y , f o rt h em o d e lw a s b a s e do nr e e o n s o l i d e dc l a y , w h i c hi sn o tt h es a m ew i t hn a t u r a lc l a y t h er e s e a r c h a b o u ts o i ls t r u c t u r ei sn o tc o n s u m m a t e ，a n di ti sd i f f i c u l tt om a k e u p an e wm a t h m a t i c m o d e l ，i nt h i sp a p e r , b a s i n go nt h er e s u l t so fs o i lt e s t s ，i n t r o d u c i n gt h ec o n c e p to f d a m a g e ，c o n s i d e r i n g s o i l ss t r u c t u r e ，t h ea u t h o rm o d i f yt h ed u n c a n ：- c h a n gm o d e l f i r s t l y , t h ee n g i n e e r i n g c h a r a c t e r i s t i c so fn a t u r a lc l a ya n dt h er e s e a r c ha c t u a l i t y , i n c l u d i n gm a c r o s c o p i e a la n dm i c r o c o s m i ca s p e c t s s e c o n d l y , b a s e d o i lt h er e s u l t so f l a b o r a t o r y t e s t so f w e n z b o u c l a y , a k i n do f n a t u r a lc l a yw i t hm o s t s t r o n gs t r u c t u r e ，t h e c o n s o l i d a t i o n , t h es t r e s s ：s t r a i nr e l a t i o n s h i p , t h ep o r ep r e s s u r ea n dt h es t r e n g t ho f n a t u r a lc l a yw i l lb ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r tt h e nt h ed u n c a n - - c h a n gm o d e l ，w h i c h i sb a s e do nt h er e s u l t so fr e m o l d e ds o i l s ，i si n t r o d u c e di nd e t a i l ，a n dd i s c u s s e dw h e n u s i n gi np r a c t i c e b a s e d0 1 1t h er e s u l t sm e n t i o n e da b o v e ，t h ea u t h o rm o d i f i e dt h e m o d e l ，a i m i n g a tt h e s h o r t a g eo f t h em o d e l t h em o d i f i e dm o d e li n n o d u e i n gd a m a g e v a r i a b l et a k e ss o i l ss t r u c t u r e 攮幻a c c o u n t 。f i n a l t y , t h em o d i f i e dm o d e le 强r e f l e c tt h e a c t u a lc h a r a c t e r i s t i c so f n a t m a l c l a y , w h e nu s i n g i n p r a c t i c e k e v w o r d s ： n a t u r a lc l a y , s t r u c t u r e ，d a m a g ev a r i a b l e ，d u n c a n - - c h a n gm o d e l ，i n i t i mt a n g e n t m o d u l u s ，s t r u c t u r a ly i e l d i n gs t r e s s 7 塑兰苎兰塑圭兰垡鎏查妻盛主堡竺塑堡塑堡璺翌童：堡堡踅，一一垄童兰i ! 竖 第一耄绪论 l 。l 研究背爨 作为建筑物地基的土，是力学研究的主要对象。理想弹性体和刚塑性体模 型曾经是古典士力学赖以建立的基础。6 0 年代初发展起来的以剑桥模型为代表 的弹塑性模型和以d u n c a n 模型为代表的非线性模型标志着人们在土体力学特性 认识上的第一次飞跃。虽然，人们通过各种试验早就发现，体的实骣变形特性 远非线性韵和耐塑性鹄，僵一蠹缺乏合适的数学模型船鹾描述。遁过深入分析土 体本构理论的发展过程，不难发现：现有的各种本构模墅实际上都建针对饱和扰 动域重塑躁结和砂土两发熙起来的。这些模型所播述的应力一应变艘线都是 以刚塑性模型的水平线为渐避线浅终极线【，如踞1 1 1 所示。 队 l 尸_ 焉羹蚀羹萎 0 季i i 拣一赛怪羹蠢 终搀性辏蠢 熙 1 - 1 废力应变曲线整t t - 2地基侧囱变形 在本构理论的以后发展中，许多模型是从剑桥模型派生出来的，而另外还有许多 模型，如l a d e - - d u n c a n 模受口j ，叠0 建阻凭结构强度的砂的试验成渠为基础建 立起来的。 对于应变软化闯题，人们也早就想建立棚废的数学撼述方法。但是，这些努 力中有的只是提出一种经验公式，雯多的也只是剑桥模型的推广，郎从体积收缩 为硬化推广到体积膨胀为软化 引，而没有觚本磺上耗软化过程与土体结构逐濒破 损过控联系起来。事实上，许多结构健强的土，如款糙和黄土，其软化过程往 浙江大学硕士学住论文 考虑土体结构性的修正邓肯一张模型 往伴随着体积收缩。例如软土地基原观资料中经常发现的孔隙压力系数4 户1 的 现象就是结构强度丧失发生强烈体积收缩的结果【4 ，而黄土的湿陷更不言自明。 现在广为人们所接受的土体的结构性的定义是土体颗粒和孔隙的性状和排 列形式( 或称组构) 及颗粒之间的相互作用。绝大多数天然土都有一定的结构性， 这种结构性对土的工程性质有强烈的影响【”。从广义上讲，正常压密土、超压密 土、欠压密土都可能具有结构性f 6 】，砂性土也可具有结构性，并且对其动剪模量、 动剪强度等有很大影响盯1 ，使得天然砂土能形成较陡的开挖边坡【8 1 。 t a v e n a s 、l e r o u e i l l 9 1 1 1 0 1 等人发现在一定的地面荷载下大量的结构破坏和侧向 挤出只局限于土层的上部，而现有的理论研究结果与实际测试结果相差甚远( 如 图1 1 - 2 所示) ，这必定和土体的结构性有关f 9 】，其中，实线是根据现有理论的计 算结果，而虚线则为土体的侧向变形的实测结果。 长期以来，对于土的力学性质仅是局限于从粒度、密度和湿度三个方面来描 述，忽视了一个极其重要的因素，即结构性。当代土力学的发展要求定量地描述 土的结构性。在过去的半个多世纪里几代岩土力学工作者一直研究这个问题，但 是到目前为止，还没有找到能反映土结构性的定量化指标【l l 】。 1 2 土的结构性的成因 土是自然地质历史的产物。在漫长的地质历史演变过程中，由坚固而连续的 岩体经过风化作用变成大小不一甚至大小悬殊的颗粒，经由各种地质作用的剥 蚀、搬运而在不同的环境中沉( 堆) 积形成土体。自然界的成土过程可用图1 2 - 1 的简略示意图予以概括。 。黔砒器肛 图1 2 - 1 成士过程示意图 i 冰”阮积 l 坡积 i 洪积 日溅 ) j 搠 l 风积 海 i 湖栅觏 i 河旒嘞谚! 土的结构性与土的矿物组成、土颗粒及其表面性质有关，也与其沉积环境有 关。土的结构性形成原因如图1 2 2 所示。 浙江大学硕士学位论文考虑土体结构性的修正邓肯一张模型赵圭堡! ! ! ! 图1 2 - 2 土的结构性形成原因 l e r o u e i l 1 2 1 、m i t c h e l l & s o l y m a r t l 3 1 等人认为结构性在软土、硬粘土、散体状 土、残积土甚至软岩及风化岩体中均有表现；结构性的产生是由多方面的原因 造成的，比如粒间联结的二氧化硅的溶解与沉淀、高压下粒间联结的冻融作用、 液相中有机质、碳酸盐和氢氧化物的沉淀、风化过程中矿物质的重结晶作用、 含水层的不断变化以及粘性土的粒间引力等等。 土力学性质的差异或变化取决于内因和外因两个方面。土本身的颗粒性状、 孔隙性状、含水量和矿物成分等因素的不同组合，使其具有不同的初始结构性， 因而具有不同的力学性质。例如：由于土中孔隙不同使其具有不同的排水通道， 因此反映土固结速率的固结特性和渗透特性受微结构的影响也较大；由于颗粒 的特殊排列方式和联结特性，使有的土具有各向异性特征；由于试样的初始微 结构不同，在含水量降低时吸力的增大引起的效应也不同。此外，对于非饱和 土，其渗水特性和渗气特性与土的微结构形态的关系极为密切，外因即荷载( 水 可看作广义的荷载) ，如应力作用过程、路线和水平等。外因可以改变土本身的 结构、形成次生结构，使同一种土在不同状态下具有不同的力学性质，土的应 力一应变关系、孔隙水压力应变曲线和固结曲线等都与土的结构性有明显的关 系。 1 2 1 内因对结构性的影响 土的物质成分对结构性的影响是第一位的。粘土中不同的粘土矿物及其含 量都影响粘土的结构性。尤其是粘土中存在着膨胀性粘土矿物时，膨胀和收缩 会导致土的结构性的消失和减少；土中的其它物质成分也会影响其结构性。李 作勤( 1 9 8 2 ) 将影响机理归纳为三种，即结点的变质作用、盐基交换作用和胶 结作用( 如钙质胶结、铁质胶结、泥质胶结和铝氧化物胶结) 1 1 4 t 。 浙正大学硕士学住论文考虑土体结构一j 生的修正邓肯一张模型 赵志远2 0 0 3 其次，土的沉积过程也会对土体结构性的形成有较大的影响。土颗粒往往呈片 状，因此土颗粒的排列对土体性质的影响也是很大的。土体在沉积过程中若形成 絮凝结构则可能会形成结构性较强的欠压密土；若沉积过程中形成单粒结构，则 土体的结构性就不会太强。在同一压力下原状土的孔隙比往往大于重塑土，其原 因就在于沉积过程中形成的原状土与重塑土具有不同的结构。 土中水的性质和成分也会对结构性产生影响。由于粘性土的比表面积很大， 因此对饱和软粘土而言，土中液相对其性质的影响足很大的。液相通过物理和 化学作用来改变土颗粒之问的联结进而改变其结构性。 1 2 2 外因对结构性的影响 外因对结构性的影响主要是荷载、时间以及外界温度、湿度、风化作用。 荷载作用一方面使粘土的孔隙变小，另一方面也有利于士颗粒问胶结的形成 从而增强粘土的结构性。 时间效应对结构性的影响可以归结为两种效应：次固结效应和颗粒间的化学 胶结效应。l e r o u e i l ( 1 9 7 8 ) 对s a i n t - a l b a n 粘士进行了研究：粘土压缩结构破坏后， 放置7 2 天，再在同样的条件下做压缩试验，结构屈服应力恢复到了原状土的强 度( 1 4 1 。g a l v e s ( 1 9 8 4 ) 在研究某大坝修建后4 、1 0 、1 8 、1 5 0 年取样试验结构，研究 表明：土的结构性都有一定程度的恢复【”】。l a d d ( 1 9 8 5 ) 对蓝色b o s t o n 粘土研究 表明：在含水量几乎没有改变的条件下，两年后土的结构屈服压力比先期围结压 力增大了一倍。m o r r e l o ( 1 9 4 8 ) 对重塑d e t r o i t 粘土试验表明：其不排水抗剪强度 在含水量不变的情况下，随时间的发展而增大【1 6 1 。次固结效应是在压力不变情 况下。孔隙比随着时间的发展而减少。次固结效应可以用挪威学者b i e l t u r n 发表 的一张长期压缩图解释( 图1 2 一1 ) 。土体的次固结一方面使土体压密，另一方 面则使士颗粒间因化学胶结导致结构性的增强。 塑江垄兰堡主兰堡垒查 耋垒圭竺竺塑兰竺堡些三! 垡_ = 堑鐾兰苎生兰! ! ! 竖 甜 蕾 图1 2 1 土体压缩曲线1 7 】 外界温度、湿度、风化作用甚至人类的工程活动对土的结构性也有影响， 但主要是对表层土的影响比较明显。软土上部硬壳层的存在就是一个很好的例 子。 1 3 结构性土的研究现状 土的结构性与土的形成过程有关，是土的沉积环境、土的颗粒特性及沉积后 各种地质力的作用等各种因素综合作用的产物。从广义上讲，任何土都具有结构 性。 谢定义( 1 9 9 9 ) 等认为土结构性研究目前存在三大途径“j 。一是由2 0 年代沿 袭下来的微结构形态学的研究方法，试图通过对土微观结构的研究，建立土微观 力学模型，逐步形成微观土力学学科分支的趋势。但它几乎将微结构当成土结构 性的代名词。尽管多年来研究的丰富成果以及光电量测技术和计算机图象技术的 发展为这方面的研究提供了良好的条件，但它在全面描述结构性的几何特征和联 结特征的困难以及测试技术的复杂性，对它的发展造成了巨大的障碍。二是固体 力学研究方法，它努力从数学力学的观点建立一种能够有效描述土体结构性在受 力过程中变形和破坏的力学模型，由此推导和反映土的宏观力学行为。三是土力 学的研究方法，长期以来它得到了土力学工作者的重视，但它或局限于说明不同 的土具有不同的力学规律，或只针对某些土的特殊性质而提出某些对应的表述参 数( 如灵敏度、液化度、先期固结压力等) ，从总体上看，仍然缺乏系统、实质、 塑兰苎兰竺圭兰竺笙苎 耋垒圭竺竺塑兰竺堡垩墅笪：查堡型二坚查兰! ! 竖 全面的研究，使对于土体结构性的研究长期游离于土性规律的研究之外。 结构性广泛地存在于天然土中一一如软硬粘土、粒状土等口j 。由于土的结构 性，要从现场取得大量同样力学性状的未扰动结构性土是极其困难的，国内外众 多学者对结构性土的人工制备进行了尝试【1 8 】【1 9 】，并得出了一些有益的结论。 总的来说，对土力学学科，土结构性研究还处于一个较初步的阶段，有许多 东西值得研究，因此，在目前阶段三种研究途径往往是交织在一起的。 1 3 1 结构性土的微观研究 土的微观结构概念最早由t e r z a g h i ( 1 9 2 5 ) 提出，他把粘粒悬液在电解质和自 重力作用下形成的絮凝沉积物结构称为蜂窝结构【2 0 】，g o l d s c h m i d t ( 1 9 2 6 ) 提出了片 架排列结构【2 “，认为高灵敏性粘土中的粘土颗粒是不稳定的片架结构排列，而 低灵敏性粘土则有较大的密度和较稳定的排列结构。1 9 3 2 年c a s a g r a n d e 发展了 t e r z a g h i 的蜂窝结构，把相邻粉砂粒间受有高压作用的那部分粘土排列称为 b o n d ，并给出如图1 3 1 所示结构。早期的研究以放大镜为工具缺乏有效的微 观观测手段，只能对复杂的土微观结构有一定的感性认识，难以有系统的研究。 图1 3 - 1 灵敏粘土的结构。1 五六十年代，显微镜和x 一射线等技术在土微观结构研究中的应用，使人们 对土微观结构的研究更进了一步。黼( 1 9 5 7 ) t 2 3 1 将粘土中片状结构颗粒的接触 形式分为点面接触、边面接触和面面接触，并将粘土片状颗粒的相互作用形象地 绘成三维网格模型。l a m b e ( 1 9 5 8 ) t 2 4 j ，f 2 5 j 从胶体化学和双电层理论出发，提出了边 边和边面接触的开放式非盐絮凝结构、面面和边面接触的盐絮凝结构以及面面接 触的分散排列结构。a y l m o r e ( 1 9 5 9 ) t 2 6 】，等提出数量级约为1 a n 的“畴概念。 1 9 6 3 年v a no l p h e n l 2 8 】提出集合体结构模型，标志着团粒结构研究的开始。1 9 7 6 6 浙江大学硕士学位论叉考虑土体结构性的修正邓肯一张模型坚查兰! ! ! ! 年y o n g 和m i t c h e l l 2 9 1 借助扫描电镜和其它测试手段，将单粒结构扩展到团粒结 构。高国瑞( 1 9 8 0 ) f 3 0 】，借助扫描电镜对中国黄土的微结构与湿陷性的关系进行研 究，提出了黄土的十二种结构类型，1 9 8 4 年对中国海相沉积土的微结构与工程 力学性质关系进行研究，将中国海相沉积土微结构划分为十种类型，并指出不同 的微结构具有不同的工程力学性质( 部分微结构如图1 3 2 ) 。 图1 3 - 2 中国海相沉积土微结构 1 9 8 1 ，1 9 8 2 年罗鸿喜、陈守义【3 2 1 及谭罗荣、张梅英【3 3 】分别对结构性较强的 湛江粘土微观结构进行了深入的研究，发现湛江粘土的组构单元是由许多单片堆 叠成的片堆颗粒单元，试样的孔洞中充填着许多规则的多面体晶体。湛江粘土属 于灵敏性土，扫描电镜观测表明它的组构是以絮凝结构为主，这种结构是不稳定 的，易崩溃的，但压缩试验又表明这种结构具有较高的结构强度。当压力小于某 临界应力时，土体结构是稳定的，当压力超过临界应力，土体结构将会大量垮塌 ( 如图1 4 - 3 ) 。谭罗荣、张梅英借助e d t a 渗透试验，证明这些晶体主要是晶质铁 ( 2 4 ) ； 1 1 无定形铁( 7 6 ) ，无定形铁对土的联结强度有很大的影响。 。 r lr ( a ) 沉积初期的原始絮凝结构( b ) 组构单元表面吸附越 甄煽扁嚣瓣篇激徽 蔗：， 芝 “ b 定向优势进一步发展，接触点凝胶开始脱水老化。( d ) 曦瘴孰。鬻篡燕巍 图1 4 - 3 湛江粘土形成变迁示意图 浙江大学硕士学位论文考虑土林结构性的修正邓肯一迮堡里兰：墨兰! ! ! ! 何开胜( 2 0 0 1 ) 从微观角度认为土骨架的变形过程，先是弹性变形阶段，随 着压力的增加出现土体结构大量破损，进入弹粘塑性压缩阶段。吴义祥( 1 9 9 0 ) p 5 j 应用计算机图像处理技术从信息熵角度对粘土结构排列状态作了定量分析。施祖 元3 ( 1 9 8 8 ) 3 6 1 通过s e m 对四种原状结构粘土的表面进行观测分析，发现微结构以 片状结构为主的粘土具有较强的各向异性变形特性。刘松t ( 1 9 9 2 ) 3 7 1 和刘长礼 ( 1 9 9 3 ) 3 8 1 等则采用了分形几何方法对土微结构进行研究。胡瑞林( 1 9 9 5 ，1 9 9 9 ) 3 9 l 认为土的微观结构主要由结构单元特征、颗粒排列特征、孔隙性和结构联结四个 方面来描述，从定义上不难看出它包括土的几何特性和力学特性两个方面，并提 出“土体微结构力学”概念m 1 。夏佳等( 1 9 9 7 ) 【4 1 】通过s e m 和x 一射线衍射等技术 对现代河漫滩软土固结压缩时微结构的变化进行研究，得出现代河漫滩软土的天 然微结构为粒片结构，具有一般粘土的基质结构和海成粘土的絮凝结构特点，强 度介于两者之间，承荷微结构改变，土结构中基本单元由无向排列趋向于垂直于 荷载方向的有向排列，其中片状晶体畴由分散到边面再到丽面接触变化。冯晓腊 ( 1 9 9 1 | 【4 2 】按大小将孔隙划分为大孔隙( d 1 0 0 0 0 0 彳) 、中孔隙( d = 1 5 0 0 0 - 1 0 0 0 0 0 a ) 、 微孔隙( d = 1 5 0 0 0 6 0 0 a ) 和超微孔隙( d 6 0 0 彳) 四类，通过压汞法和s e m 法研究了 淤泥压缩过程中孔隙的变化规律，试验表明在受荷时大中孔隙最先塌落，随荷载 的增加微孔隙也不断减少，但在压缩的整个过程中，超微孔隙的体积是不断增加 的( 图1 3 4 和图1 3 5 ) 。谢定义( 1 9 9 9 ) 借助电镜扫描结果，认为孔隙分布曲线是 定量描述黄土的结构的有效方法，可以解释黄土的结构性。陈嘉鸥( 2 0 0 0 ) | 4 3 采用 压汞法和s e m 法对珠江三角洲粘性土进行研究，从粘性土的微结构与工程加固 效果的相关性进行了初步试验得出粘土微结构在不同压力下的变化规律：当压力 达到某临界压力时孔隙的直径会迅速减小，孔隙率变化突然，后期变化较平缓： 地基加固处理前后的扫描电镜图片对比表明天然土体为大孔隙结构，但加固处理 扰动后这种结构明显被破坏并趋于不明显。土结构研究成果缺乏应有的量化特性 而难以直接应用，但微观研究揭示了软土的各种工程性质的内在本质，同时也为 各种土力学理论的建立奠定了基础。 浙江大学硕士学住论文考虑土体结构性的修正邓肯一张模型整查兰_ 三! ! ! e 】 k h 蛐 锄； 压力k p h 图1 4 - 4 孔隙直径与压力的关系曲线 董 料 嚣 高 压，】k p g 图1 4 - 5 孔隙率与压力的关系曲线 1 3 2 结构性土的数学模型 1 3 2 i 微结构模型 微结构模型包括定性模型和定量模型两种。定性模型较多，。不同学者基于不 同认识，提出了自己的定性模型。定性模型中比较著名的有q s i p o v ( 1 9 9 0 ) 归 纳的八种类型的微结构模型，以及高国瑞( 1 9 8 6 ) 畔1 提出的综合分类方案。定量模 型则是借助于直接手段，建立结构要素的量化形式。 1 9 7 7 年m a t u s o 等h 卸基于统计方法提出了结构因子概念 肌击厨面而丽 式中m 为结构因子，表示颗粒的定向度，表示所观测的第i 组颗粒的倾角，n i 为该组所观测的颗粒数。m a t u s o 和k a m o n 用最d x - - 乘法算出固结过程中的结 构因子m 和固结压力p 的关系：m = 0 1 3 1 0 9 p + 0 3 6 。吴义祥从理论上给出反 映结构强度的描述结构状态的结构熵3 5 1 e = e 捧列& 径& e 连接，其中e 捧列和 e 牲释都已给出表达式( 吴义祥，1 9 9 0 ；胡瑞林，1 9 9 5 ) t 3 q ，而五叠接的表达式尚未见报 道。 随着非线性理论及突变论的发展，土体微结构定量模型取得了一定的进展。 随着非线性理论及突变理论的发展，土体微结构定量模型取得一定的进展。 1 9 9 2 年刘松玉【3 7 1 提出了建立于土工试验基础上的粒度分维法： d = 1 一b 浙江大学硕士学位论文考虑土体结构性的修正邓肯一张模型 1 4 连续介质损伤力学在土力学中的应用 损伤是指在荷载、温度等外界因素的作用下，材料的微观结构发生变化，引 起微缺陷的孕育、扩展和汇合，导致材料宏观力学性质的劣化，最终形成宏观开 裂或材料破坏的现象。损伤力学主要研究材料内部微观缺陷的产生和发展所引起 的宏观力学效应及导致材料破坏的过程和规律。它通过“损伤变量”来描述含微 细观缺陷材料的力学效应受损材料的力学行为，以便更好地预测工程材料的 变形、破坏和使用寿命等。 5 2 1 沈珠江、章为民( 1 9 8 8 ) 吲率先将损伤理论引入土力学，定义一种理想的 原状和一种理想的完全损伤土，前者即指天然结构性土，而后者则指原状土受 到各种因素作用后结构性完全丧失的土体，则现实土体的变形和破坏过程则可以 视为由原状土向完全损伤士的演变过程。 1 9 9 3 年，沈珠江【4 8 】在上述假设的基础上提出了一个土体结构性的弹塑性损 伤模型。他假设土的塑性应变由原状土的屈服、损伤土的屈服和损伤比的增加三 部分组成，即 s ， = ( 1 一彩场，4 ，：) + 国伽。j ( 爿。4 力) + 豁占。 1 5 本文的主要工作 在本文中作者在前人研究成果的基础之上主要对以下几个方面进行了研究 或建议： l 、通过温卅i 粘土薄壁土样室内试验结果探讨天然结构性土的固结特性、强 度特性及应力应变关系特性，并得到了结构性土体的物理力学特性的一些基本规 律： 2 、简要介绍了邓肯一张模型，研究了在实际工程应用中该模型结果的异常 情况，指出对该模型进行修正有其必要性； 3 、根据天然结构性土的应力应变关系特性，并将其分为三个阶段分别进行 研究； 4 、在邓肯一张模型中引入损伤变量，利用阶段函数对天然土的应力应变关 系进行模拟，并与邓肯一张模型结果进行对比，研究二者的异同： 5 、研究了修正模型主要参数与土体自重应力及固结压力的关系，并对某些 浙江大学硕士学位论文考虑土体结构性的修正邓肯一张模型 赵志远2 0 03 的参数的求取方法进行了探讨； 6 、通过在温州电厂工程中计算分析，分别将邓肯一张模型、修正模型的计 算结果与实测结果进行了对比研究。 7 、对今后的天然土结构性的研究工作提出了一些建议。 塑江查兰塑主主竺堡圭 耋垒圭堡丝塑苎竺堡兰翌塑：堡堡型整苎兰墨! 旦 第二章天然结构性土的试验研究 从前面的论述中，可以看出土的结构性对土的性质有很大的影响，从某种程 度上说，是决定土力学性质的最为根本的内在因素之一。尽管不同的学者对不同 地区土的结构性进行了研究，但是由于土材料的复杂性，很难做到以一概十。由 于成因不同、矿物成分不同，不同地区、不同层次的土体便具有不同的特性。例 如我国沿海一带的软土分布，从天津一上海一杭州一宁波一温州一厦门，软土的 含水量、压缩性逐渐增高，强度逐渐变低。在成因类型上，上海、福州和温州等 地为河流三角洲相和河床相软土；而钱塘江两岸的杭州、绍兴和宁波一线有数层 湖沼相泥炭质土和泥炭层产出，构成软土层主体的滨海相淤泥质粘土和淤泥层。 我国境内广泛分布的花岗岩残积土也是一种很特殊的结构性。本文将对温州粘土 的压缩固结特性及其应力应变关系特性进行试验研究。 2 1 固结试验研究 在本文中，我们针对薄壁取土器所取的温州粘土试样进行原状土与重塑土的 对比研究，结合各种试验曲线研究天然结构性土的固结特性。 由于土结构的破损，导致其工程性质与原状土有较大的差别，原状土的压缩 曲线高于扰动土的压缩曲线，具有明显的屈服点，结构屈服应力较有效上覆压力 大得多，扰动对土体的压缩特性影响显著，使土体的压缩曲线下移，结构屈服应 力趋于不明显，结构屈服应力随扰动程度的增加而减小，扰动对土体的回弹指数 和压缩指数均有一定程度的影响。 2 1 i 试样制备 本次试验从温州电厂三期煤场工程取土，采用薄壁取土器，钻孔深度为 3 6 6 m ，将土样从上至下依次标号：1 1 i 号是淤泥，深度为4 8 2 0 3 m ；1 2 号 是淤泥质粘土，深度为2 1 3 2 1 8 m ；1 3 2 1 号是淤泥质粉质粘土，深度为2 2 8 3 6 6 m 。本次试验选取代表性的土样为3 号、7 号、9 号、1 4 号和1 9 号，并制备 相应的重塑土。重塑土的含水量和初始孔隙比与相应的原状土相同。试验土样基 本情况见表2 1 。 浙江大学硕士学住论文考虑土体结构性的修正邓肯一张模型 赵志远2 0 0 3 表2 - 1试验土样基本情况 土样编号取样深度含水量( )密度( g c m 3 )孔隙比自重应力( k p a ) 3 7 8 83 m6 3 o 16 3 21 7 3 75 0 7 1 3 8 1 4 3 m6 0 11 6 4 l1 6 2 48 7 91 6 8 1 7 3 m6 2 81 6 0 71 7 7 61 0 5 1 4 1 6 8 1 7 3 m4 8 71 7 0 31 3 9 21 8 0 1 9 2 4 _ 3 2 4 8 m4 5 11 8 3 81 2 8 92 2 0 2 1 2 试验方法及内容 采用k t g 9 8 全自动气压式固结试验系统，按照逐级判稳条件( o 0 0 5 m m d 、 时) ，进行三组不同加压率下的固结试验。该试验设备可以按设定的加压率进行 自动化加荷，并自动记录试验中各级压力下的沉降速率等数据。三组不同加压率 的具体情况如下：加压率为l ：l ，即各级压力为1 2 5 k p a 、2 5 k p a 、5 0 k p a 、 1 0 0 k p a 、2 0 0 k p a 、4 0 0 k p a 、8 0 0 k p a ，共7 级。加压率为l ：o 5 ，且在自重压力 附近以5 0 k p a 的增量予以加密，即各级压力为1 2 5 k p a 、1 9 k p a 、2 8 k p a 、4 2 k p a 、 6 3 k p a ，9 4 k p a 、1 4 2 k p a ，1 9 0 k p a ，2 4 0 k p a ，2 9 0 k p a 、3 4 0 k p a ，3 9 0 k p a ，4 4 0 k p a ， 4 9 0 k p a 、6 5 0 k p a 、8 0 0 k p a , 共1 6 级。加压率为l ：o 2 5 ，即各级压力为1 2 5 k p a 、 1 6 k p a ，2 0 k p a 、2 4 k p a ，3 l k p a 、3 8 k p a ，4 8 k p a 、5 9 k p a 、7 4 k p a ，9 3 k p a ，1 1 6 k p a 、 1 4 6 k p a 、18 2 k p a 、2 2 7 k p a 、2 8 4 k p a 、3 5 5 k p a 、4 4 4 k p a 、5 5 5 k p a 、6 9 4 k p a 、8 0 0 k p a 共2 0 级。 2 1 3 试样扰动程度评价 在土力学的研究中，首先碰到的一个困难问题是如何得到“原状”或“不扰 动”的土样。土样从地下取出要经过钻探取样、运输、贮藏、试样制备等步骤， 然后通过仪器测定各种参数，很明显，每一步都会给士样造成不可避免的影响。 土样扰动的因素主要有两个：一是卸荷作用，即土样从原位中取出后引起的总应 力和孔隙压力的一系列变化；二是机械扰动作用，包括取土、运输、存储和切土 等引起的附加扰动。取样扰动的主要表现为：压缩曲线趋缓，低压力下压缩性增 大，固结系数降低，高压力下压缩性变小等。对于土样的扰动问题，可以说是在 土力学发展的一开始就被人们所注意，并不断地在进行研究和改进。 浙江大学硕士学位论文 考虑土体结构性的修正邓肯一张模型 整：墨兰! ! ! ! 土样的扰动程度可以通过现场外观检查、x 一射线无损检验、土样采取率及 室内试验成果等进行评价【5 4 】。本文将依据温十i , i 粘土室内压缩试验结果对本次试验 所采取的土样的扰动程度进行评价。 由于扰动土样试验所得到的压缩曲线与原状样的试验曲线存在一定的差异， 许多人提出了校正方法，这些方法都是经验性的，而且只限予压缩曲线。其中 n a g a r a j 等人5 5 1 提出的校正曲线应用较为广泛。他们认为，根据一些受到不同程 度扰动的试样的压缩曲线在最小曲率处的连线大体上是一直线的事实，真实的压 缩曲线由三段组成。第一段为水平线，其端点可由通过最小曲率正交的直线与水 平线的交点确定，如图2 1 1 所示。第二段为陡降曲线，可用经验曲线 p = 一( 1 0 9 盯y + b 拟合。然后在盯= 1 0 仃，处进入第三段，与重塑土的压缩曲线重 合。 t 丑 嚣 一靖压力，”o 图2 1 1 压缩曲线校正 但n a g a r a j 的校正方法仍有一些不合理的地方。首先，认为第一段为水平线， 这一点同实际有差距，这个区域土体大致应该为弹性阶段，但不应该是刚体假设 线段；其次，认为第三段与重塑土重合且第二段可用经验曲线e = a o o g , 秽+ b 来 拟合的观点在实际操作中有一定问题。浙江大学岩土研究所王立忠等人f 5 6 】根据堆 砌体假设提出了结构性软士的压缩曲线校正方法。堆砌体假设认为在压缩曲线的 第二阶段，结构的破损也是逐渐发生的，但剪切作用下的破坏过程有自己的特点， 由于各结点的胶结强度不一样，破损必定先发生在薄弱处，就如砖墙沿灰缝发生 裂缝一样。裂缝之间为尚保持完好的小块体或团粒。随着荷载的增大，小土块逐 步破裂成更小的土块。【5 0 1 由此可见，结构性粘土的剪切特性方面更象易碎颗粒的 浙江大学硕士学位论文考虑土体结构性的修正邓肯一张模型 赵志远2 0 0 3 堆砌体，这样的堆砌体自然具有剪胀性。 丑 鹾 一 压力k p a 图2 1 - 2 压缩曲线校正i 蜘 王立忠等人认为真实的压缩曲线由四段组成，如图2 1 2 所示。具体做法大 致如下：做e o 点的水平线至自重应力c r z 。，如图中a b 段；过压缩曲线曲率最 小点作该点切线的垂线f g ；根据一些受到不同程度扰动的试样的压缩曲线在最 小曲率处的连线大体上在一直线上的事实，盯。落在f g 线上，通过b 点，作平 等于a f 的平行线，交f g 于c 点，而b c 段即为在压力大于自重压力后表现为 弹性变化且有部分结构损伤的曲线；第三段为结构性破坏段，过c 点做平行于 室内试验压缩曲线的平行段，长度也和室内试验曲线上的相应段保持一致，即可 确定d 点；第四段即d e 段为正常压缩段，受到不同扰动的土体的压缩曲线会交 于一点，进一步的试验发现认为两处曲线相交时的孔隙比e j 与土的含水量有关， 并且q 与初始孔隙比蝴e , e o 与含水量国线性相关【5 7 】。 丑 釜 一 图21 3 结构性土压缩曲线校正。删 图2 1 。4 结构性土和重塑土压缩特性比较埘 堑兰查兰塑主兰竺笙圭 耋垒圭堡竺塑竺塑堡兰! 查：查堡型一苎苎兰! ! ! 竖 在前人研究成果的基础之上，张超杰1 5 8 】对压缩曲线的校正方法进行了一定的 简化，如图2 2 - 3 所示，第一段的斜率通过原位试验测定，端点n 由通过最小曲 率且与曲线正交的直线与第一段的交点确定；第二段扰动土压缩曲线将于将与重 塑土压缩曲线将于一点h ，原状土的压缩曲线也一定会通过该点。连接点n 和h ， 就可得到原状压缩曲线的第二段。 原状土具有结构强度，是指由土的固体颗粒的特定排列以及相互接触处由于 孔隙水中析出的沉淀物引起的胶结作用等产生的附加强度。结构强度的存在使原 状土在相同压力下比重塑土具有更大的孔隙比。如图2 2 2 所示，原状土压缩曲 线与重塑土压缩曲线所夹的面积代表结构强度的影响区域，原状土被扰动后，结 构强度减少，两条压缩线所夹的面积将减小。对相同类土，扰动土压缩曲线与重 塑土压缩曲线所夹面积的大小反映了土结构性的强弱【5 l 。结构性强的土，屈服应 力较高，两压缩曲线夹的面积增大，土体能承受较大的荷载而不至于产生较大的 变形，因此，土样的扰动指数可以用下式定义： ，。：坠盘：1 一型( 2 1 ) u s h n m n 、。 扰动指数越小，土样受扰动越小，扰动指数变化范围在o l 之间。根据 扰动指数可以进行分类评价。见表2 2 【5 9 1 表2 2扰动指数分类评价标准 扰动指数扰动程度 0 7 0非常大扰动( 重塑) 温卅i 粘土试样固结试验e l g p 曲线( 加压率为1 ：o 2 5 ) 如图2 1 5 所示。 根据体积压缩法，对试样进行评价，结果见表2 3 ： 堑兰查兰塑主兰堡堕查耋生圭竺竺塑丝竺堡垩! 塑：堡堡型 苎：墨兰! ! ! ! l8 l6 1 4 l2 08 0 6 2 18 16 l4 l2 l 08 l o1 0 0 p ( k p a ) 1 0 0 0 ( a )3 号土样e l g p 曲线 1 01 0 01 0 0 0 ( c ) 9 号土样e l g p 曲线 p ( k p 8 ) 14 1 _ 3 1 2 l _ l 1 0 9 08 07 0 6 l8 16 i4 l2 08 06 l _ 5 14 1 3 l2 11 1 0 9 08 07 06 o1 0 0 p ( k p a o o o ( b )7 号土样e l g p 曲线 1 0 0 p ( k e a i l ( d )1 4 号土样e l g p 曲线 1 01 0 0 p ( k p 磬0 0 ( e )1 9 号土样e l g p 曲线 图2 1 5 温州粘土试样固结试验e l g p 曲线 表2 3温州粘土试样扰动情况评价 试样编号 3791 41 9 扰动指数 o 1 90 1 7o 1 4o 2 30 3 9 扰动程度轻微轻微轻微轻微中等 8 浙江大学硕士学位论文考虑土体结构性的修正邓肯一张模型型查兰! ! ! ! 从上表可以看出，3 号、7 号、9 号和1 4 号试样均为轻微扰动，由这四个试 样得出的试验结果可以反映出天然结构性土的一般规律， 1 9 号样则已受到中等 扰动。因此，本文将以3 、7 、9 和1 4 号试样的试验结果对天然结构性土的固结 特性进行讨论。 2 i 4 温州粘土的固结特性 在固结试验中，温州粘土表现出了以下特性。 2 1 4 1 高孔隙比及强透水性 天然软土的孔隙比往往要比同一垂赢压力下的重塑土的孔隙比高出 0 2 加4 。从这一点看，天然粘土似乎都是欠固结土。然而事实并非如此，软粘土 的这一特点与其缓慢沉积过程中颗粒接触点形成一定的胶结从而阻止其进一步 压密有关。温州粘士具有较强的结构性，由于薄壁取土对土样扰动较小，温州粘 土结构得以较好地保持，孔隙比达到了1 2 8 9 1 7 3 7 。 天然粘土多具有架空的结构，大孔隙之间形成透水通道，因此在高孔隙比的 同时必然具有较强的透水性。不少试验资料表明，在结构破坏以前，天然粘土的 固结系数可以达到同样条件下重塑土的3 l o 倍，而结构破坏之后，士的固结系