（岩土工程专业论文）长三角软黏土的力学特性及模型预测.pdf

原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：堕缝璺e l 期：! ! ：! ：占 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：迫! 垒彗导师签名：7 趁咝 日期：匕l ! ：址墨 i i 及模型预测 姓名：申海娥 导师：孙德安教授 学科专业：岩土工程 上海大学土木工程系 2 0 0 9 年1 2 月 上海大学硕上 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt os h a n g h a iu n i v e r s i t yf o r t h e d e g r e eo fm a s t e ri ne n g i n e e r i n g m e c h a n i c a lb e h a v i o ro fs o f tc l a y s i ny a n g t z er i v e rde l t aa r e aa n di t s e l a s t o p l a s t i cs i m u l a t i o n m d c a n d i d a t e ：s h e nh a i e s u p e r v i s o r ：s u nd e - a n m a j o r ：g e o t e c h i n i c a le n g i n e e r i n g d e p a r t m e n to fc i v i le n g i n e e r i n g ，s h a n g h a iu n i v e r s i t y d e c ，2 0 0 9 i v 上海大学硕士学位论文 天然土在沉积过程中大都会形成一定的结构性，软黏土由于特定的历史条 件和矿物成分，同样具有结构性，其结构类型有着自身的特点。这种结构性对 土的工程性质有着强烈的影响。结构性软土具有结构强度，结构性强弱的变化 会导致其基本物理力学特性发生相应变化。结构性软黏土工程往往会在缺乏先 兆的情况下产生突发性的脆性破坏，所以对工程建设影响较大。因此，研究软 黏土的结构性，对软黏土地区结构物的设计和施工有着重要的指导意义。 为此，本文针对长三角地区结构性土进行了压缩试验、剪切试验和单向流 变试验研究，得到了相应的力学特性，并在深入了解力学特性的基础上采用了 相应的本构模型进行了弹塑性模拟，具体如下： 1 对苏州软黏土原状样和重塑样分别进行了等向压缩、常规三轴排水剪切 试验和常规三轴不排水剪切试验，得到苏州软黏土的压缩曲线和应力应变曲 线。对苏州原状土样和重塑土样的压缩曲线、应力应变曲线分别进行了比较。 分析了苏州软黏土原状样和重塑样在强度和变形特性方面的异同点。 2 对上海软土原状土样和不同程度的扰动土样分别进行了等向压缩、常规 三轴不排水剪切试验和常规三轴剪切试验，得到了不同程度扰动下的上海软土 的压缩曲线和应力应变曲线。分析了不同程度扰动土样的力学特性及其之间的 差异，并阐述了产生差异的原因。 3 用高压固结仪器分别对原状和重塑上海软土进行流变压缩试验，并对试 验结果进行了分析比较，得到了原状上海软土和重塑上海软土的次固结系数的 变化规律。在此基础上推导出计算次固结系数的一种方法。 4 利用试验得到的重塑和原状苏州软黏土的力学性质，结合相应的本构弹 塑性模型以及其确定模型参数，对原状和重塑苏州软黏土变形、强度特性进行 了弹塑性模拟。结果表明：试验得到应力应变曲线与本构模型计算得到的应力 应变曲线基本吻合。 v 上海人学硕士学位论文 关键词：软土；结构性；变形特性；流变特性：强度特性；本构模型 v l 上海大学硕上学位论文 a bs t r a c t m o s to fn a t u r a ls o i l sf o r mc e r t a i ns l r u c t u r e sd u r i n gd e p o s i t i o n t h es o f tc l a y , b e c a u s eo f p a r t i c u l a rh i s t o r i c a lc o n d i t i o n sa n dm i n e r a l o g i c a lc o m p o s i t i o n , a l s of o r m sc e r t a i ns t r u c t u r e s 、析t t l c h a r a c t e r i s t i c so fi t so w n ，w h i c ha f f e c t st h ee n g i n e e r i n gb e h a v i o u ro fs o i l ss t r o n g l y t h e s t r u c t u r a ls o f tc l a yh a sf a b r i ci n t e n s i t y , t h ec h a n g eo fw h i c hw i l lr e l a t i v e l yc h a n g et h em e c h a n i c a l b e h a v i o r s t h es t r u c t u r a ls o f tc l a yw i l lh a v es i g n i f i c a n te f f e c to nt h ee n g i n e e r i n gs 仃u c t u r ef o ri t m a y r e s u l ti ns u d d e nd e s t r u c t i o nw i t h o u ts i g n s t h e r e f o r e ，t h es t u d yo nt h es t r u c t u r eo fs o f tc l a y i ss i g n i f i c a n tt ot h ed e s i g n ，c o n s t r u c t i o no f b u i l d i n g sa n df o u n d a t i o n s i nt h i st h e s i s ，t h ei s o t r o p i cc o m p r e s s i o nt e s t sa n dc o n s o l i d a t e dd r a i nt r i a x i a lt e s t so n u n d i s t u r b e da n dr e m o l d e dc l a ys a m p l e st a k e nf r o ms h a n g h a ia n ds u z h o ua r ec a r r i e do u t w i t h d e e pu n d e r s t a n d i n go ft h em e c h a n i cb e h a v i o r so ft h es o i l s ，t h ea u t h o ra d o p t st h ec o r r e s p o n d i n g c o n s t i t u t i v em o d e l si nc a r r y i n go u tt h ee l a s t o - p l a s t i cs i m u l a t i o n t h ec o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h ei s o t r o p i cc o m p r e s s i o nt e s t s ，c o n s o l i d a t e dd r a i nt r i a x i a lt e s t sa n dc o n s o l i d a t e du n d r a i n t r i a x i a lt e s t so nu n d i s t u r b e da n dr e m o l d e ds a m p l e so fs u z h o us o f tc l a ya r ec a r r i e do u t a n dt h e c o m p r e s s i o nc u r v e sa n ds t r e s s - s t r a i nc u r v e so fu n d i s t u r b e ds a m p l e sa n dr e r a o l d e ds a m p l e sa r e o b t a i n e d t h e nt h ec u r v e sa r ec o m p a r e d , a n dt h es i m i l a r i t i e sa n dd i f f e r e n c e sb e t w e e nu n d i s t u r b e d s a m p l e sa n dr e r n o l d e ds a m p l e so fs u z h o uc l a ya r ei d e n t i f i e d 2 t h ei s o t r o p i cc o m p r e s s i o nt e s t s ，c o n s o l i d a t e dd r a i nt r i a x i a lt e s t sa n dc o n s o l i d a t e du n d r a i n t r i a x i a lt e s t so nu n d i s t u r b e da n dr e m o l d e ds a m p l e so fs h a n g h a is o f tc l a ya r ec a r r i e do u t t h e c o m p r e s s i o nc u r v e sa n ds t r e 鸽- s t r a mc u r v e sa r eo b t a i n e da td i f f e r e n td i s t u r b e dd e g r e e s ，a n dt h e i n f l u e n c eo ft h ed i s t u r b e dd e g r e eo nt h em e c h a n i c sp r o p e r t i e si sa n a l y z e d t h er e a s o nf o rt h e i n f l u e n c ei ss t a r t e d 3 t h er h e o l o g yt e s t so nu n d i s t u r b e da n dr e c o n s t i t u t e ds a m p l e so fs h a n g h a is o f tc l a ya l e c a r r i e do u tr e s p e c t i v e l y , u s i n gt h eh i g hp r e s s u r ec o n s o l i d a t i o na p p a r a t u s b ya n a l y z i n ga n d c o m p a r i n gt h et e s tr e s u l t s ，t h ec h a n g e so ft h es e c o n d a r yc o n s o l i d a t i o nc o e f f i c i e n t so fs h a n g h a i u n d i s t u r b e da n d ir e c o n s t i t u t e ds o i l 、i t ht h ea p p l i e dv e r t i c a ls t r e s sa r eo b t a i n e d a n dam e t h o df o r v i l v i i i 上海人学硕士学位论文 目。录 摘要v a b s t r a c t v i i 目录 第一章绪论1 1 1弓i 言l 1 2 研究软黏土的重要性2 1 3 国内外研究概况4 1 3 1 软黏土的力学特性研究。4 1 3 2 软黏士的本构模型研究7 1 4 论文的主要工作9 1 4 - l 研究内容1 0 1 4 2 试验研究方法1 0 第二章原状和重塑苏州黏土的力学特性1 2 2 1 试验简介l3 2 1 1试验仪器1 3 2 1 2 试样制备1 5 2 1 3试验方案及步骤l9 2 2物理特性2 l 2 3 等向压缩试验2 3 2 3 1 试验内容。2 3 2 3 2 试验结果2 3 2 3 3 结果分析2 5 2 4 三轴剪切试验2 5 2 4 1 试验内容2 5 2 4 2 试验结果2 6 2 4 3 结果分析3 0 2 5 本章小结3 2 第三章扰动对软黏土力学特性的影响3 3 3 1 引言3 3 3 1 1 土体扰动的类型3 3 3 1 2 土体扰动的研究现状3 5 3 1 3 扰动状态概念3 6 3 1 4 扰动特性的评价指标3 6 3 2试验简介3 8 3 2 1 试验仪器3 8 3 2 2 试样制备3 8 3 2 3 试验方案及步骤4 0 3 3 试验结果及分析4 l i x 上海大学硕上学位论文 3 4 3 5 第四章 4 1 4 2 4 4 第五章 5 1 5 2 5 3 第六章 6 1 3 3 1 扰动对土样同结特性的影响 3 3 2 扰动对土样强度和应力应变曲线的影响4 2 苏州软土与上海软土物理力学特性的比较4 6 3 4 1 物理特性的比较4 6 3 4 2 压缩剪切特性的比较4 8 本章小结5 3 上海软土的流变特性试验研究5 4 弓l 言5 4 4 1 1 软土流变特性的研究现状5 5 4 1 2 软黏土的流变特性5 6 试验简介5 7 4 2 1 试验仪器5 7 4 2 2 试样制备5 8 4 2 3 试验方案及步骤5 9 试验结果及分析6 l 4 3 1 次固结系数与固结压力的关系“ 4 3 2 次固结系数与压缩指数的关系7 0 4 3 3 超固结比与次固结系数的关系7 0 本章小结7 4 苏州原状土的弹塑性模拟7 6 模型简介7 6 5 1 1 修正的剑桥模型7 6 5 1 2 考虑粘聚力的剑桥模型与修正剑桥模型的差异7 8 数值模拟8 2 本章小结8 3 结论与展望。8 4 主要结论8 4 6 2 今后研究上作的建议8 5 参考文献8 7 致谢9 5 x 上海大学硕上学位论文 1 1 引言 第一章绪论 我国沿海、内河两岸及湖泊等地区，广泛分布着海相、河相和湖相沉积层 软黏土由于软黏土成因不同会造成土的物质组成、物理性质及力学性质有很大 差异，为此我国将软土分为沿海软土、内陆软土和山区软土。特别是沿海三角 洲地区呈现出的经济发展快，工程建设多，建设规模大等特点，使这些地区的 软土力学特性的研究变的极有必要。沿海三角洲地区软土的主要特点是厚度比 较大，黏性土和砂土或粉土相间成层，土层的厚度和工程性质比较均匀。其主 要物理力学性质如下【i 】： 1 天然含水量高。天然软黏土的含水量一般在3 4 0 0 - - 7 2 之间，其值一般 大于液限，处于流动状态，天然孔隙比在1 o 1 9 之间，一般属于淤泥或淤泥质 黏土，其中淤泥质黏土占多数。液限变化大多在3 4 0 0 - 4 3 范围内，塑性指数变 化大多在1 3 3 0 之间，属于中等塑性无机土。 2 压缩性大。压缩系数一般在0 0 0 5 - 4 3 0 2c m 2 n 之间，属于高压缩性土， 其压缩性往往随液限的增大而增大。第四纪后期沉积的软黏土通常属j 下常固结 土，。而近期沉积的软土为欠固结土，在自重作用下会继续下沉。 3 渗透性小。渗透系数大部分为l o 。8 1 0 1 c r n s 之间，而有机质含量大的软 土渗透性更低，因为它会产生堵塞排水通道的气泡。因此，土在荷载作用下固 结很慢，强度不易提高。 4 抗剪强度低。快剪得到的黏聚力与固结快剪得到的黏聚力差别不大，都 为1 0k p a 左右。根据统计分析，软土层在深度1 0m 以内的平均十字板剪切试 验强度一般为5 2 0k p a ，深度每增加lm ，其强度平均增加1 2k p a 。 5 流变性显著。土的长期抗剪强度一般为常规试验方法抗剪强度的 4 0 8 0 ，并且随着土的塑性指数增大而减小。工程实测资料表明，软土在固 结沉降完成之后，即孔隙水压力完全消散后，还可能继续产生一定的次固结沉 降。 6 结构性显著。海相沉积的软土受到扰动( 振动、搓动) 后，其絮凝状结构 上海大学硕上学位论文 受到破坏，土的强度将明显降低，甚至产生流动状态。软土受到扰动后强度降 低的特性一般用灵敏度表示，我国东南沿海( 上海、宁波) 软土的灵敏度在4 1 0 之间。 7 构造复杂。软土的构造由于其成因不同而变的较为复杂。滨海相沉积的 软土层，其上部往往形成厚度达3m 以上的“硬壳层”，下部则为央粉细砂透镜 体的淤泥质土或央粉砂的层状淤泥质土，有时局部有薄的泥炭层；三角洲沉积 的软土层则往往为淤泥质土与薄砂层的交错层，造成软土层构造上具有各向异 性和成层性。 结构性是软土的一个重要特征，对土的工程性质有强烈的影响。绝大多数 天然土都具有一定的结构性。土的结构性，指土颗粒和孔隙的性状和排列形式 ( 或称组构) 以及颗粒之间力的相互作用。天然沉积的软黏土一般具有结构强度， 结构强度是土的固体颗粒的特定排列及相互接触处由于周围环境的改变，如物 理化学反映引起的胶结作用等因素产生的附加强度。土体的结构性是不可逆的， 一旦土的结构被破坏就很难恢复，从而加大了土体的压缩量，在此类地基上建 工程，如果设计与施工工序不当就会给工程来不利的影响，甚至造成工程事故， 因此在工程设计和施工中希望能准确预测天然软黏土地基或人工软基加载后的 渗透特性，变形规律以及可能遇到的破坏情况等，从而为结构性软黏土地基设 计施工提供可靠依据。 不同的软黏土具有不同的结构性。因此，研究长三角软黏土的结构性，对 正确认识该地区软黏土的工程特性、合理分析工程建设中变形与强度的问题具 有重要的理论和现实意义，同时丰富对结构性土的认识。 1 2 研究软黏土的重要性 软黏土在我国分布广泛，是一种具有区域性的特殊土。土体在历史沉积形 成过程中或多或少都具有一定的结构性。且工程实践和室内试验都表明绝大多 数土都具有结构性，有些土体还具有很强的结构性，这种结构性对土体的性质 有很强的影响。土的结构性是指构成土体的颗粒的形状、大小、表面特征、定 量的比例关系、空间上的排列状态以及骨架颗粒与胶结物的胶结形式，孔隙的 2 上海大学硕士学位论文 形态、大小、数量以及分布情况；在力学性质上表现为土体保持原结构状态不 被破坏的能力。 结构状态发生破坏时力学性质发生突变。土的应力水平对其力学性质的影 响表明了土受力过程中结构性的变化；土的固结系数和渗透系数受微结构的影 响也较大；土的各向异性也是土结构性的表现。“内因是事物发展的根据，外因 是事物发展的条件 ，土的结构性对土工程性质的重要性己成为共识，被认为是 “二十一世纪土力学的核心问题 0 0 。结构性粘土一般具有含水量高、孔隙比 大、强度低、压缩性高等特点，压缩量大，排水固结缓慢，地基稳定性差，变 形趋于稳定的时间长，工后沉降问题突出，给工程建设造成极大的危害。结构 性会使土体具有较高的含水量和较大的孔隙比，应力一应变曲线的初始段具有 很强的弹性特征，结构为破坏时具有较高的渗透系数和较强的透水性，结构破 坏后急剧降低。土体的结构性增大了土体的刚度，破坏时呈脆性破坏，其破坏 应变较小。所以在实际工程中，结构性土体会出现无征兆的突然破坏；另一方 面，土体的结构性是不可逆的，一旦破坏短时间内很难恢复，进而加大了土体 的压缩量，对工程造成不利的影响。 近年来，土结构性研究引起人们的广泛关注。关于土结构性研究的重要性， 沈珠江【l o 】( 1 9 9 6 ) 称之为2 l 世纪土力学的核心，谢定义【3 】( 1 9 9 9 ) 认为上结构性是 决定各类土力学特性的一个最为根本的内在因素，不难看出土结构性在土力学 学科发展中的独特地位。但是对软粘土基本特性的认识与利用，在我国开展这 方面的研究也只是近几年的事，特别是土的结构性对固结压缩特性的影响还研 究得不多，将具有结构性的正常压密土与超固结土相混的情况时有发生，这种 混淆可能会导致采用不同的工程措施，因此定量的测试与研究土结构性对土体 工程性质的影响是一项很有实际工程意义的工作。 研究表明：各地土的结构性存在较大差异，对其力学性质的影响也不同 粘土的结构性使其存在结构屈服应力，粘土在承受低于和高于结构屈服应力的 压力时，力学特性差异较大。因此，研究各类土的结构性以及粘土的结构屈服 应力形成原因对认识粘土的特性及研究本构模型具有重大的意义，对指导工程 勘察及工程实践具有现实价值。 土的结构性是软黏土的一个重要特性，对土的固结、压缩等工程性质有很 3 上海大学硕士学位论文 大影响作用，影响程度与应力水平密切相关；应力水平较低时，土的结构性相 对完好，土会呈现较好的力学特性，其固结系数相对较大，压缩性相对较低， 地基变形稳定快；应力超过某临界值后，土结构性损伤破坏严重，固结系数降 低，压缩性增强，地基沉降及不均匀沉降大，延续时间长。因此，深厚软土地 基设计计算过程中，必须将地基处理方式、荷载水平及其对土的结构性影响三 者有机结合起来，并与软弱下卧层一起作统一考虑，才能较好地预估地基的固 结特性、变形规律及稳定性，从而提高工程设计的科学性及可靠性。 土体的结构性是不可逆的，一旦被破坏很难恢复，从而加大了土体的压缩 量。在此类地基上修筑建( 构) 筑物，若设计与施工工序不当就会给工程带来不 利的影响，甚至造成工程失事，因此工程设计和旌工中就很希望能准确预测天 然软土地基或人工软基加载后的渗透特性、变形规律以及可能遇到的破坏情况 等，从而为结构性软地基设计提供依据。目前土结构性研究与工程实践还存在 较大的距离，正确的研究方法应是走宏观与微观相结合的道路，弄清土体变形 和破坏的微观机制，并以此为纽带，把应力、应变联系起来，重建土的本构关 系。 高速发展的经济极大的促进了我国沿海地区城市建设的发展，随着人们更 多地对地下空间的利用和开发，经济发达地区的基坑开挖呈现出“深”、“大”、 “紧”、“近”的特点，这给设计、施工带来了较多的工程难题以及出现了不少工 程事故。为了预防工程事故的发生和正确预测建筑物的性能，研究长三角软黏 土的力学性质很有必要性和一定的实际意义。 1 3 国内外研究概况 1 3 1软黏土的力学特性研究 1 软黏土的结构性 m e s r i 等人【4 1 ( 1 9 7 5 ) 萍jm e x i e oc i t y 黏土，张诚厚【5 】( 1 9 8 3 ) 对湛江黏土及上海 黏土，熊传祥等人【6 】( 2 0 0 2 ) 对杭州地区淤泥质黏土，王立忠等人【7 】( 2 0 0 4 ) 榭i 1 软土黏土的结构性进行了研究。结果都表明：结构性强的原状黏土具有明显的 4 上海大学硕士学位论文 结构屈服应力，结构屈服应力大于上覆有效压力。进行压缩试验时，在低于屈 服应力的范围内，土的压缩性较小，在高于屈服压力后，土的压缩性增大，最 后与重塑土的压缩曲线相同。李作勤【8 1 ( 1 9 8 2 ) 和t a v e n a s l 9 1 ( 1 9 7 7 ) 等研究表明： 对结构性较强的黏土，当固结压力高于结构屈服应力时，应力一应变关系呈“应 变硬化型 ；当固结压力低于结构屈服应力时，应力一应变关系呈“应变软化型 ， 但对于某些结构性弱的土，在剪切中由于排水引起密度增加而获得的强度大于 结构破坏造成的损失时，其应力一应变关系仍呈“应变硬化型 。黏土结构性使 其具有明显的初始屈服面，在初始屈服面内，土体呈弹性；超过初始屈服面土 体呈塑性。研究还表明：孔隙水压力亦与结构屈服应力和固结压力有关。结构强 度低的黏土，应力一应变关系呈双曲线型。结构性的存在会使粘土的强度包线 表现为折线型( 沈珠江，1 9 9 8 ) 2 1 。熊传祥等人【6 1 ( 2 0 0 2 ) 通过对杭州地区淤泥质粘 土进行的结构性试验研究表明：其强度包线的转折点发生在固结压力等于结构 屈服压力点。具有结构性的粘土在低围压时具有剪胀性，表现出超固结土的特 性，在高围压时表现出j 下常固结土的特性。张诚厚f 5 1 ( 1 9 8 3 ) 研究认为，对结构性 较弱的上海黏土，在较大的固结应力范围内，在低应变阶段孔隙压力急剧增大， 之后缓慢增大至稳定值；只是在固结压力很低时，孔隙压力才会出现峰值；对 结构性较强的湛江黏土，在固结应力较低的条件下，孔隙压力会出现峰值，之 后逐渐降低；固结应力较高时，孔隙压力随应变增大而增大，逐渐趋近于稳定 值。结构性的存在会使黏土的强度包线表现为折线型( 沈珠江，1 9 9 8 ) 2 1 。洪振舜 等人( 2 0 0 4 ) 根据试验结果得出：结构性的存在会使黏土的强度包线不是通过 原点的直线，而是有两端直线构成的折线。 2 软黏土的各向异性 原状土具有明显的各向异性( a n i s o t r o p y ) ，这在室内试验和现场试验过程中 都得到过验证。根据试验研究的结果，将各向异性分为两种：一种是天然土在 沉积和固结过程中，土颗粒往往按一定方式排列而形成的固有各向异性 ( i n h e r e n ta n i s o t r o p y ) ，另一种是土体在垂直方向和水平方向上受到不等固结压力 引起诱发各向异一i 生( i n d u c e da n i s o t r o p y ) 。各向异性对土体的变形、强度具有重要 影响。g r a h a m 1 2 1 ( 1 9 8 3 ) 、w h e e l e r t l 3 1 ( 2 0 0 3 ) 等人根据原状黏土的试验结果得到： 初始各向异性土的屈服面并不关于p 轴对称，而是在p 、g 平面内旋转一定倾角 5 上海大学硕士学位论文 的椭圆。a t l d i 啪n 【1 4 1 ( 1 9 8 7 ) 、沈恺伦【15 1 ( 2 0 0 6 ) 等人根据试验结果，得出等向固结 拉伸试验m 值明显小于等向压缩试验m 值，而杨固结拉伸试验和压缩试验m 值基本上相等。并且局固结压缩试验m 值略小于等向固结压缩试验的m 值。 等向压缩试验和拉伸试验与杨固结压缩试验得到的有效内摩擦角9 值相差不 大，而杨固结拉伸试验得到的伊值要明显大于其它三种试验得到的伊值。 3 软黏土的超固结特性。 有关超固结土的力学特性方面，国内研究较少，国外已有很多学者作了这 方面研究并取得了一些成果。在超固结土的变形及强度特性研究方面，国内， 窦宜【q ( 1 9 8 4 ) 用人工制备的超固结黏土进行三种有效应力路径的剪切试验，得 出土在临界状态“湿 边范围内，塑性应变增量的矢量与试样的初始状态无关； 在临界状态“干一边范围内，用等塑性剪应变为硬化参数可以反映超固结土应 变软化特性。国外，w r o t h t l 7 1 ( 1 9 7 1 ) 研究了超固结土的弹性行为；n a d a r a j a h 1 8 】 ( 1 9 7 3 ) 研究了弱超固结土的应力- 应变特性；a m e r a s i n g h e 等人( 1 9 7 5 ) 根据对重 塑高岭土的试验研究，得出了重超固结高岭土的各向异性的应力应变特性； n a k a i 等人【2 0 1 ( 2 0 0 4 ) 等完成了对重塑藤森黏土的三轴压缩和三轴伸长试验，得到 超固结状态下的藤森黏土在三轴压缩和伸长条件下的强度和变形特性。 4 软黏土的流变特性 软土的流变性质是软土的重要工程特性之一。直到1 9 5 0 年为止，还很少有 研究者注意软土的流变特性问题。后来，在一些因软土流变而发生的工程事故 中，人们发现软土在很小剪应力作用下变形长期发展的现象，才开始认真研究 这种软土的流变现象。 c a s a g r a n d e 和w i l s o n 2 u ( 1 9 5 1 ) 对脆性黏土和黏性页岩进行了恒定荷载下的 蠕变研究，发现其破坏强度小于常规试验所测值：但通过两种试验室击实土样 和一种原状非饱和土样进行试验研究，发现在恒定荷载作用下，含水量保持不 变时，强度随着时间的推移而提高。 2 0 世纪8 0 年代以来，孙例2 2 1 ( 1 9 9 9 ) 对上海地区几个典型的软土层进行了 流变性质的系统研究，作出了上海典型软土的流变模型参数拟合值；李作勤 ( 1 9 9 2 ) 研究了上海软土次固结时间和变形量的有限性；詹美礼等人【2 4 1 ( 1 9 9 3 ) 依据 对上海软土流变特性的试验研究，提出一个带双屈服面的流变模型；谢宁等人 6 上海大学硕士学位论文 【2 习( 1 9 9 6 ) 通过试验得到上海饱和软黏土的流变特性并提出了一个经验本构模 型；z h u 等人【2 6 1 ( 1 9 9 7 ) 根据宁波软黏土的预加载流变试验，初步建议了一个宁 波地区软黏土的预加载流变模型；李军世等人 2 7 , 2 8 】( 2 0 0 0 ，2 0 0 1 ) 提出了上海淤泥 质粉质黏土的s i n g h m i t c h e l l 蠕变模型和上海淤泥质黏土的m e s r i 蠕变模型并很 好反映了上海黏土的蠕变行为。汤斌等人【2 9 1 ( 2 0 0 4 ) 对具有流变性状的软土地基 固结特性进行了研究，并编制了相应的有限元程序，通过计算结果与实测结果 的比较，指出在软土地基的固结变形中，考虑流变性状的影响十分必要。 1 3 2 软黏土的本构模型研究 根据重塑剑桥黏土试验结果建立起来的剑桥模型【3 川和修正剑桥模型【3 l 】是 目前应用最广、最负盛名的本构模型。它作为现代土力学的开端，极大的推动 了土的本构模型的研究发展，具有里程碑式的意义。目前为止，各国学者发展 了数百个本构模型用于反映土的非线性、非弹性、粘滞性、各向异性、结构性。 而众多模型归纳起来主要有以下几类：弹性模型、非线性弹性模型、弹塑性模 型、粘弹性模型、边界面模型和内蕴时间模型等。其中弹塑性模型能较好地反 映土的硬化、软化、剪缩、剪胀等的变形特性，具有广阔的发展i j i f 景。为了能 够反映各种因素对土强度、变形特性，人们建立了需要许多材料参数、形式复 f 杂的本构模型。由于模型需要众多材料参数且这些参数不易确定，模型的实用 价值并不大。随后，人们越来越多的建立反映土体某种特性( 三维特性、各向异 性、超固结性、结构性等) 的实用本构模型。 1 结构性本构模型 b a z a n t 和k i m 3 2 1 ( 1 9 8 6 ) 对黏性土的变形、蠕变、岩石和混凝土的断裂等方 面建立了微观力学模型。此模型是第一次在建立黏性土的本构关系中考虑了微 观结构的因素。k a v v a d a s 等人【3 习( 2 0 0 0 ) 基于增量塑性和临界状态概念，建立了 结构性土的临界状态增量塑性模型( m s s ) ，模拟了土体扰动引起的结构破损对 土的工程性质的影响。a s a o k a 等人【3 4 1 ( 2 0 0 0 ) 在下加载面的基础上提出了上加载 面的概念，并与剑桥模型结合，提出了能描述土的结构性、超固结性和各向异 性的本构模型。l i u 等人【3 5 1 ( 2 0 0 2 ) 在修正剑桥模型基础上引入结构影响，建立_ 7 上海大学硕士学位论文 个结构性剑桥模型，很好的反映了结构性土的特性。c a r t e r 等人f 3 q ( 2 0 0 5 ) 基于 临界状态框架，考虑天然黏土的当前应力状态、应力历史、当前孔隙比和当前 土的结构，提出一个采用塑性体应变硬化的土的结构性剑桥模型。在国内，沈 珠江【3 7 1 ( 1 9 9 3 ) 提出结构性粘土的非线性损伤力学模型，以反映结构性粘土具有 明显的应变软化特性。沈珠江【3 副( 2 0 0 0 ) 提出结构性粘土的堆砌体模型，把变形 过程中的结构性土看作不同大小土块的集合体，总的变形将由土块的弹性变形、 土块之间滑动引起的塑性变形和土块破碎引起的损伤变形三部分组成。蒋明镜 等人【3 明( 1 9 9 8 ) 对结构性粘土剪切带进行微观分析。土体剪切带的形成与土体逐 渐破损理论是当今国际力学界和岩土工程界十分关注的焦点。谢定义【柏1 ( 2 0 0 0 ) 提出考虑土结构性的本构关系，将土结构性定量化参数引入土的变形本构关系 和强度本构关系，得到了以结构性参数为基础来描述土变形一强度基本规律的 本构关系。 2 各向异性本构模型 日本学者关1 ：3 和太田【4 1 1 ( 1 9 7 7 ) 为了考虑杨固结引起的应力各向异性和产生 的塑性变形，在原始剑桥模型的基础上提出了能反映土体各向异性和主应力轴 旋转的关口太m ( s e k i g u c h i o h t a ) 模型；孙德安等人【蚓( 2 0 0 0 ) 提出一个介于剑桥 模型和关1 3 太田模型之间，考虑初始应力各向异性( 肠固结) 的不等向塑性体变 硬化弹塑性模型，并用s m p ( 空间滑动面) 屈服准则【4 3 1 _ - - 维化，能较好地反映土 在三维应力下的强度和变形特性。w h e e l e r 等人1 ( 2 0 0 3 ) 根据多阶段三轴排水试 验结果，改进修正剑桥模型，建立了饱和软黏土各向异性本构模型。 3 超固结土本构模型 p e n d e r 等人【4 5 】r 1 9 7 8 ) 在固结土特性深入研究的基础上提出了超固结土本构 模型，并将此本构模型进行推广，从而能准确预测土在杨初始状态和循环荷载 等复杂应力条件下的强度、变形特性。d a f a l i a s 4 q ( 1 9 8 6 ) 开创性的提出边界面模 型，为土的本构模型开辟了新的思路。h a s h i g u c h i 4 7 1 ( 1 9 8 6 ) 在边界面理论框架下 提出了下加载面的概念，并将其用于岩土材料的本构模型中，取得了不错的效 果。n a k a i 等人( 2 0 0 4 ) 将下加载面与t u 模型t 4 7 1 结合，使其能够考虑中主应力 及应力路径对土强度、变形影响的超固结土本构模型。m i t a 等人【4 9 1 ( 2 0 0 4 ) 基于 重超固结土的三轴压缩、伸长试验及平面应变试验，建立了一个伏斯列夫面修正 上海大学硕上学位论文 剑桥( h v o r s l e vm c c ) 模型，并用m o h r - c o u l o m b 屈服准则将其扩展到三维应力 空间。姚仰平等人【删( 2 0 0 7 ) 提出了潜在强度的概念，将其与特征状态应力比一 起引入到统一硬化参数中，建立了基于h v o r s l e v 面的超固结土弹塑性本构模型。 4 三维化本构模型 n a k a i 等人【4 8 1 ( 1 9 8 6 ) 基于s m p 屈服准则建立了一个在三维应力下模拟黏土 各种不同应力路径行为的本构模型，模型不仅考虑了中主应力的影响，也反映 了应力路径对土体应力与应变关系的影响。m a t s u o k a 等人洲( 1 9 9 9 ) 通过引入变 换应力，将重新定义变换后的广义正应力和剪应力代入剑桥黏土模型，实现从 m i s e s 破坏准则向s m p 破坏准则的扩展，从而将剑桥模型从三轴试验的轴对称 应力状态扩展至一般应力状态。姚仰平等人【5 刁( 2 0 0 0 ) 采用变换应力将l a d e 屈服 函数变为扩展的m i s e s 屈服函数，用l a d e 屈服准则实现了剑桥模型的三维化。 孙德安等人【5 习( 2 0 0 2 ) 提出了一个适用于粒状材料的简单而实用的弹塑性模型， 该模型通过对修正剑桥模型进行改进，能够反映三维应力状态下的剪胀剪缩性 和变形、强度的平均应力依存性。孙德安等人【剐( 2 0 0 6 ) 把m o h r - c o u l o m b 准则 与剑桥模型相结合，提出一个变换应力张量，使m o h r - c o u l o m b 准则在主变换 应力空间为圆锥形，从而能描述一般应力空间土的变形特性。 5 流变模型 n 和g r a h a m 等人【5 5 】( 1 9 9 4 ) 从等效时间的概念推导出描述黏性土在单向 压缩条件下力学行为的黏弹性模型，该模型能描述蠕变、老化、松弛、应变( 应 力) 效应。谢宁等人( 1 9 9 6 ) 对上海地区几种典型的饱和软黏土做了大量的蠕变 和应力松弛试验，分析总结了主要的流变特性，认为上海地区饱和软黏土流变 特性很显著，且非线性，建立了反应蠕变和应力松弛统一的非线性流变经验本 构关系。陈晓平等人【5 7 】( 2 0 0 3 ) 通过对珠江三角洲软土的实验研究，分析了软土 非线性和蠕变特征。在此基础上，对软土蠕变一固结特性、计算模型、模型的 数值求解方法和工程应用等进行了系统的研究，建立了适用的非线性弹黏性固 结模型。 1 4 论文的主要工作 9 上海大学硕士 1 4 1 研究内容 根据国内外研究现状，在前人的研究成果基础上，本研究主要进行以下几 个方面的工作： 1 用两种不同试验仪器对原状软土样和重塑软土样进行了单向压缩回弹 试验、等向压缩回弹试验。分析了在不同加载比情况下原状软土样和重塑软土 样压缩特性的异同点，并阐述了产生差别的原因，还得到了相应试验的压缩指 数g 和回弹指数g ，并比较它们的关系。根据正常固结土在不同围压下三轴排 水剪切试验结果和三轴不排水剪切试验结果，得到原状软黏土和重塑软黏土的 强度和变形特性。并通过计算得到相应的剑桥模型参数。 2 用原状软黏土的压缩、剪切试验，研究了取土方式及扰动程度的不同对 原状软黏土的压缩、剪切特性的影响。 3 用单向固结仪对原状软黏土和重塑软黏土进行流变试验。分析了固结压 力、时间和超固结比与次固结系数的关系。研究了长三角软黏土的流变特性， 并得出软黏土的流变模型参数