（岩土工程专业论文）饱和Klt0gt固结黄土的结构性研究.pdf

两安建筑科技大学硕i “学位论义 饱和i ( 0 固结黄土的结构性研究 专业： 硕士生： 指导教师： 岩土工程 刘孟飞 姚仰平教授 摘要 本文以饱和结构性k 。同结黄土为研究对象，在侧限高压吲结仪、常规三轴仪i ：，对饱和结 构性k 同缔黄土进行了大量的试验，结合重塑土作了平行对比试验研究，通过整理分析各试验 结果，得出了饱和结构性 矗1 直| 结黄：r 的变形和强度特性。 本文采用土力学方法研究黄上的结构性，针对饱羽l 结构性l ( 1 1 同结黄土，使排列成为结构住 的主要影响因素，考虑了土的初始各向异性，研究了结构性变化特性，分析了影响黄土结构降 的主要相关冈素。 以往的土体材料本构模型很少考虑结构性这一最为根本的内在因素的影响，本文基于经典 弹塑n 二珲沦、剑桥模型和试验研究成果，提出了个可考虑结构性影响的t 体本构模，靼饱和 结构性剑桥模型，所提出的新模型能较好地适用丁书u 始状态为硒同绪状态的饱和结构性土， 描述了仞始应力各向异性的不等向塑性体变硬化，描述了剪缩性，描述了饱和结构陛硒固结 黄土的结构性。改进的模，鸭对 i 饱和k o 嘲结黄土实现了从剪切魍眼到剪切破环的统一如累 上兀结构或耆冈加荷结构完伞破坏，则该模型退化为修fc a mc h y 模型。模l ! 较完善地反 映了饱和结构性k 。，同结黄土的基本特一h ：。而且模型的试验参数易于测定，便于推广。其预测 值0 实测值比较表明，提出的模型是简单合理的，可望在实际工程训算中得到应用。 关键词：黄七；k 固结；结构；绢构；弹甥性模型 本研究得到重人基础理论研究国家级科研项日9 7 3 ( 编号为2 0 0 2 c c c 0 0 2 0 0 ) 的资助。 西安建筑科技人学硕士学位论文 t 耻c h a r a c t e r h 汀1 c so fs r r u c r u r eo fs a t u r a t e d l q - c o n s o l i d a t e dl o e s s m a j o rs u b j e c t ：g e o t c c h n i c a le n g i n e e r i n g n a m e ： i n s t r u t o r ： l i u m e n g f e i p r o f e s s o ry a o y a n g p i n g a b s t r a c t t h ea u t h o rs e l e c ts a t u r a t e ds t r u c t u r a lk 0 一c o n s o l i d a t e dl o e s sa st h eo b j e c to f t h ep a p e r l o t so f t e s l s a r ec a r r i e do u tf o rs a t u r a t e ds t r u c t u r a lk 0 - c o n s o l i d a t e dl o e s si nt h ec o n f i n e dc o m p r e s s i o na p p a r a t u sm i d t h er o u t i n et r i a x i a l a p p a r a t u s t h e s a l n es t u d yi sc o n d u c t e d p a m l l c l y o nr e m o u l d e ds o i l 如r c o m p a r i s i o n t h ec h a r a c t e r i s t i c so fd e l b n n a t i o na n ds t r e n g t ho fs a t u r a t e ds t r u c t u r a lk 0 - c o n s o l i d a t e d l o e s sa r eo b t a i n e db ya n a l y z i n gt h er e s u l to ft h et e x t s ，e s p e c i a l l yb yc o m p m i n gw i t ht h ed e f o n n a t i o n a n ds f f e n g t ho fs a t u r a t e dr e m o u l d e dl o e s s w i t ht h ec o n s i d e r a t i o no f 出es o i lm e c h a n i c sa p p r o a c ho nt h es m d yo l 、s t r u c t u r a ll o e s s , r e g a r d i n g s a t u r a t e ds t r u c t u r a lk 0 - c o n s o l i d a t e dl o e s sa st h eo b j e c to ft h ep a p e ra n dc o n s i d e r a t i n gt h ei n i t i a l a n i s o t r o p yo fs o i l ：v a r i a t i o nc h m a c t e f i s t i c so fs o i ls t r u t m ea r es t u d i e du n d e rd i f l e r e n tt e s t sc o n d i t i o n s w h e na r r m a g e m e n ti st h em a i nf a c t o r a n dt h ep r i n c i p a lc o r r e l a t i o nf a t o r sh l f l u e n c i n gt h el o e s ss t r u c l t l r e a r em m y z e d i np r e v i o u sg e o m a t e f i a lc o n s t i t u t i v em o d e l s t h ei n f l u e n c eo fs o i ls t r u c t t t l cw h i c hi st h ee s s e n t i a l i n t r i n s i cf a c t o rh a sl e s sb e e ni n t oa c c o u n t b a s e do i lt h ec a nc l a ym o d e la n dc l a s s i c a le l a s t o p l a s t i c t h e o r y , a c c o r d i n gt ot h er e s u l to ft e s t s ，t h es a t u r a t e ds t r u c t u r e dc a mc l a ym o d e lw h i c hc o n s i d e r st h e i n f l u e n c eo fs o i ls t r u c t u r ei sp r o p o s e di nt h i sp a p e r t h en e wm o d e lc a nb eu s e dt os a t r u a t e ds t r u c t u r a l k on o r m a l l yc o n s o l i d a t e ds o i l s w ec a nd e s c r i b et h em a i nm e c h a n i c a lb e h a v i o u r so f s a t u r a t e ds t r u c t u r a l k 0 一c o n s o l i d a t e dl o e s sw e l lb yt h em o d e l w ec a nd e s c f i b ci n i t i a la f i s o t r o p yb yh a r d e n i n gd i f l e r e n t l y , d e s c r i b et h es t r u c t u r eo i 、s a t l 】r a t e ds t r u c t u r a lk n c o n s o l i d a t e dl o e s s a i dd e s c r i b et h ed i a t a n c y t h e p r o p o s e dm o d e lr e a l i z e st h ec o n s i s t e n c yt i o r u t h es h e a ry i e l dt ot h es h e a rf a i l u r el b rs a t u r a t e d k 0 一c o n s o l i d a t e dl o e s s t h ef l e wm o d e li si d e n t i c a lt ot h em o d i f i e dc a n ( 7 1 a ys o i lm o d e li f as o i lh a s1 1 0 s t r u c m r eo ri fi t ss t r u c t u r ei sr e m o v e db yl o a d i n g rh ep a r m n e t e r sa r ee a s yt oo b t a i na n dt ob eu s e d 两：费建筑利技人学硕士学位论文 w i d e l y c o m p a r i s o n s 嘶me x p e r i m e n t a ld a t af r o md r a i n e da n du n d r a i n e ds h e a rt e s t s 0 1 1k 。n o n n a l l y c o n s o l i d a t e dd a ys h o wm 甜t h cp r o p o s e dm o d e lg i v e se x c d l e n tp r e d i c t i o n s t h e r e f o r e ，m em o d e li s m o r er e a l i s t i si np r e d i c t i n gt h ed e f o m 3 a t i o na n ds t r e n g ho f s o i l s 1 融y w o r d s l o e s s ；k p 。) 的三轴k 。固结，有以下关系式成立： e = e ：一z 三”i u ( 4 - 6 ) ：v o - _ _ e ：匕堡二生：望 ( 4 7 ) 、 圪k ( 1 + 8 o )1 + b 。 e ：p + a e ( 刍6 ( 4 - 9 ) e = p + + 。( 争6 联合( 4 6 ) ( 4 7 ) ( 4 8 ) ( 4 - 9 ) 可推出： 出去m 百p 心o s 【( 钞一( 铷) ( 4 _ 1 0 ) 令 蝇地“争pl ( 】 ( 州) o ， n 联立e 。= 8 。呼o s ) 6 可推出： q = a e s 。一咚 ( 4 - 1 2 ) 弘击似彳) 上胛百p 他f ) ( 4 - 1 3 ) 段为结构性孔隙比a e 。是指在p = p 。应力状态下所对应的结构性孔隙比，a e 。是指 鲨心 西安建筑科技大学硕士学位论文 在p = p 0 应力状态下所对应的结构性孔隙比，p ，为某一力p 所对应的结构性孔隙比与p 确应 力状态下所对应的结构性孔隙比的差值。 结合所做的试验，考虑剪切对屈服面的影响，在( 4 - 1 3 ) 第一项中令p _ p l ，则由( 4 - 1 3 ) 可 推出： 醪2 志“肛r ) 加每“q ) ( 4 - 1 4 ) 由( 4 1 4 ) 可推出： 三皿：工圮+ 尘粤毕( 4 - 1 5 ) 联立公式( 4 5 ) 可推出： ，嘞导胁氅箬一粤醪+ 乓：o ( 4 _ 1 6 ) p nm i 艽一k j 、笼一k j ，=等c哇+ln掣h+羔=。(4-17)1 eme 。 + 。、只 2 1 + o 崛：i ( 刍6 一( 书6 ( 4 - 1 8 ) p o f 分析所推求的屈服函数如下： 1 从( 4 1 7 ) ( 4 1 8 ) 可以得出，当b = o 时，即土无结构性时，土为重塑土，( 4 - 1 7 ) 屈服函数退化到剑桥模型的屈服函数，而剑桥模型能很好的预觏0 重塑土。 2 a e s o s = 0 ，由图4 - - 1 知：结构性土退化为重塑土，从( 4 1 7 ) ( 4 1 8 ) 可以看出， 当血。= 0 ，( 4 1 7 ) 屈服函数退化到剑桥模型的屈服函数。 3 当p = p 。时，在k 固结线上，占? = 0 ，与试验相符。 4 在l ( o 固结线上，从( 4 - 1 7 ) ( 4 - 1 8 ) 可以得出：当p p 。时，在k 固结线上，t 0 ， 占：二；二生血旦，与饱和结构性土的压缩特性一致。即：当压力在结构屈服点范围外， l 十p op o 增加压力，饱和结构性黄土的压缩量较大，随着压力的增大，饱和结构性i ( 0 固结黄土压缩曲线 逐渐趋近饱和重塑黄土压缩曲线，说明饱和结构性k 固结黄土的力学特性逐渐向饱和重塑黄土 的力学特性转化。 5 当簟为变量，结合不排水试验p q 坐标系下的应力路径可知：p 很大时，仇也很大， 从( 4 - - 1 8 ) 可知：血，趋于零，结构性土的屈服函数退化到剑桥模型的屈服函数。这与三轴 k 。固结压缩剪切试验规律一致，即随着结构性的损伤，饱和结构性l ( 0 固结黄土的力学特l 生逐渐 向饱和重塑黄土的力学特性转化。 6 本文饱和结构性k 。固结黄土的等塑性体积线在p 、q 坐标的形状如图4 - 2 所示， 西安建筑科技大学硕士学位论文 j p 0 2 4 0 b 1 4 表示饱和结构性土p o = 2 4 0 k p a 、b = 1 4 时函数( 4 1 7 ) 在k 。圆结线和c s l 线间的 图线，j p 0 2 4 0 b 1 4 中j 表示结构性土，p 0 2 4 0 表示p 。( 为在三轴k 。固结压缩剪切试验中初始 剪切时所对应的p 值) 等于2 4 0 k p a ，b 1 4 表示b = 1 4 。m 理j p 0 3 6 0 b o 5 表示结构性土p o = 3 6 0 k p a 、 b = o 5 时函数( 4 一1 7 ) 在比固结线和c s l 线问的图形。剑桥模型p 0 2 4 0 表示p 0 = 2 4 0 k p a 、b = 0 时函数( 4 1 7 ) 图，同理剑桥模型p 0 3 6 0 表示p o = 3 6 0 k p a 、b = o 时函数( 4 1 7 ) 图。 图4 2在l 固结线和c l s 问等塑性体积线 4 5 2 5 推求人和善 o o 。 求 现已构建屈服函数表达式( 4 1 7 ) ( 4 _ 1 8 )，屈服函数一旦确定，即可推求 篙、寿、舌，进而则可以求得人。以下分别推求荔、万o f 、苦： a f z 一茁1 1a ( a e f ) 一名一r 1 1b a e ，o s ，p o , 、6 一 劫1 + e 。p 1 + e 。 a p 1 + e o p 1 + e 。p、p 7 丛上。l 鱼生 1 + e 。p1 + e 。p 1b a e + z r 1 + e 。p a f 一名一j r + 2 q + a 叩1 + e 。m 2 + 叩+ 2 a f - - 1 8 s ： ( 4 _ 1 9 ) ( 4 2 0 ) ( 4 - 2 1 ) 西安建筑科技大学硕士学位论文 根据d f = o 得 咿。篆印+ 苦d r + r 如? c 归 口 l ，6 = 笔印+ 万a f dr*+ae-嵩-人agr o p 2 。 曲d 联立( 4 - 2 4 ) 可推出： a d p + 罢d 玎 d 订 茸a g a s ：印 击蚶彳。阱攀蒜dr1 1 r 】 沿2 2 ) + 口朋十 从公式( 4 2 2 ) 可以看出：反映土结构性影响的参数b = o 或者p 。= 0 ，人能退化到 剑桥模型。 以下求a g ： o o “ 参照文献1 5 2 的做法，构造塑性势函数g ( ) = l n 卫p o 一+ 1 1 1 ( 1 + ) 2 0 。 堕：塑鱼+ 鱼盟( 4 2 3 ) 8 g , j 印a s - 口。却a 盯口 船一l 印p 堕：型 丢= 赤 3 ( 一r ”o ) 吲一蚴 ( 4 _ 2 4 ) ( 4 2 5 ) ( 4 2 6 ) ( 4 2 7 ) 联立方程( 4 2 3 ) ( 4 2 7 ) 可推出： 鲁= 刍毛+ 南扣旷r ”o ) 吲一坞) 沿2 8 ， 5 8 岬 毛 o 吁鱼嘞 a 西安建筑科技大学坝士学位论又 4 5 2 。6 推求出；和出口、晚、d s ， 由公式( 4 - 2 2 ) ( 4 - 2 8 ) 可推出： d s ：= 九善( 4 - 2 9 ) 。0 0 ， 嘲2 警如，一量打* 毛 ( 4 _ 3 0 ) e = d s 口2d s ；+ d s ； j _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。- 。- - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - - _ - - - _ _ - - - - - - - - - - _ _ - - _ - _ - - - - _ - - _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ 1 一 d s d = q _ 2 ( 如l 一如2 ) 2 + ( 出2 一如3 ) 2 + ( 出3 - d e l ) 2 d ：= d pd ；+ d s d s 。= d s ：+ d ： 白= 呜 对于在常规三轴试验中有： 0 22 0 3 c 2 2 6 3 p = 昙( q + 2 盯，) ，口：0 1 一盯3 ， 如，= 幽+ 2 如，j 峨= 詈( 如，一出，) ( 4 - 3 1 ) ( 4 3 2 ) 4 _ 6 桉型的参数及其确定方法 通过引入结构性参数来弥补修正剑桥模型不能反映结构性的缺陷。模型的参数有八个， 它们分别是m 、e ：、z 、y 、b 、a e s o s 、，其中m 、e ：、名、芷+ 、y 五个参数独立 于土的结构性，这五个参数与修正剑桥模型( t h em o d i f i e dc a mc l a ym o d e l ) 所采用的参数 含义相同。 许多文献里涉及到这五个参数的确定方法，其中m ：0 兰：芝，由，为有效内摩擦角。由、 j s i n 口 名、j r + 可以利用常规三轴试验测得。 基于结构性土的力学压缩特性，引入新的参数b 、血。、只，描述土的结构性影响ab 反 映了在力的作用下，饱和结构性土结构的破损程度；p o 。反映了饱和结构性土的初始屈服面的 尺寸，a e ，。反映了饱和结构性土初始屈服时的状态参量。b 、a e 。、只，参图4 - - 1 ，可通过 对饱和结构性土l ( 。固结压缩试验确定。b 、只。的详细的确定方法可参阅文献 5 0 1 。 硌 m 强粥 v v v ( p d 如 = d 如 西安建筑科技大学硕士学位论文 - - _m 4 7 饱和结构性剑桥模型的预测及评价 为了检验模型预测土体的变形和强度特性的性能，本文用第三章的试验的实测数据来验 证模型是否合理。由于本论文的模型不是试验数据点的拟合，而是通过假设和推导得到的，因 此用本论文的数据来验证本文模型是合理的。 4 7 1 计算值和试验值的比较 根据三轴l ( d 固结压缩试验和三轴k 。固结剪切试验确定模型中所用的土参数值分别为： m 2 1 2 8 9 ；= 0 6 3 ；五。0 0 8 3 ；j r2 0 0 0 6 ：e 。= o 1 8 ：u 卸3 和p 甜= 2 0 0 k p a ；b = 1 4 。 把模型参数代入模型，计算出给定应力增量时，饱和结构性固结黄土的应变增量，继而 计算各应力状态下的应变值，从而得到饱和结构性k 。固结黄土在三轴应力路径下的应力应变关 系。比较模型计算得到的应力应变关系和试验得到的应力应变关系，并在同一坐标系中表示出 来。 图4 - _ 3 饱和结构性粘土在p = 刎a 曲，q = 1 2 0 k p a 固结条僻下三轴压缩拌水剪预测曲线与试验点的比较 图4 _ 4 饱和结构性粘土在p 叫踟蛾，q = 毛4 0 k p a 同结条件下三轴压缩抒水剪预测曲线与试验点的比较 6 0 西安建筑科技大学硕士学位论文 图饱和结构雠土在p 刊0 l d p a 、砌池固结条件下三j 龃谢l 持韵射喇曲线嗡越点的比较 图枷饱和矧啦瞬吐在p 刊砌一日，吁捌嘲) a 同结利怀莹袖j 登赫| 才f 预测曲线与避点的h 敲 图”饱和结构雠士在列龇池，q - 劫i o k p a 固结条件下三轴压! 翮捌c 剪预融曲线与试验点的比较 6 1 西安建筑科技大学硕士学位论文 图蝴饱和结构性粘土在p 刊刚毋a ，q - - 2 a o k p a 固结条件下三轴压缩不捧冰剪预测曲线与试验点的比较 图4 - 3 和图4 5 显示了在p = 2 4 0 k p a 、q = 1 2 0 k p a 固结条件下，饱和结构性陆固结黄土三轴 压缩排水剪切时的试验值和预测值的结果。 图4 4 和图4 - 6 显示了在p = 4 8 0 k p a , q = 2 4 0 k p a 固结条件下，饱和结构性固结黄土三轴压 缩排水剪切时的试验值和预测值的结果。 图 7 和图4 - 8 显示了在p = 4 8 0 k p a , q = 2 4 0 k p a 固结条件下，饱和结构性k o 固结黄土三轴压 缩不排水剪切时的试验值和预测值的结果。 从图4 3 4 8 中可看出，由模型所预测的值( 实线) 和在三轴压缩试验中的试验结果 符合的较好。 因此，通过以上的比较可以看出本文所提出的模型可以合理地描述在三维应力状态下饱和 结构性瞄固结黄土的应力应变特性，定量地描述了饱和结构性i o 固结黄土的变形和强度特性。 4 7 2 模型评价 ( 1 ) 模型的主要优点： 1 其基本假设有一定的试验依据； 2 本文模型假定沿初始固结线( i ( 。线) 不等向塑性体变硬化，使模型适用于初始于初始状 态为k 。固结状态的饱和结构性土； 3 模型引入的结构性参数基本概念明确且易于确定，可望在工程中应用； 4 模型较好地反映了饱和结构性k 。固结黄土的剪缩性； 5 模型能够较好地适宜于饱和结构性土； 6 考虑了土的结构性这一根本内在因素的影响。 7 改进的模型对于饱和k o 固结黄土实现了从剪切屈服到剪切破坏的统一，如果土无结构或 者因加荷结构完全破坏，则该模型退化为修正c a m - c l a y 模型。 西安建筑科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 模型的主要不足： 1 。因为屈服面是e ：的等值面，只采用e 作硬化参数，只考虑剪缩没有考虑剪胀的影响； 2 不适用于非饱和土。 4 8 本章小结 根据试验规律，通过假设、理论推导，建立了一个描述饱和土的弹塑性本构模型一饱和结 构性剑桥模型，并对模型进行了预测分析和评价。 本章主要做如下工作： ( 1 ) 根据试验得到的饱和结构性k 。固结黄土的变形和强度特性，提出合理假设； ( 2 堪于经典弹塑性理论和前人关于本构模型及结构性的研究精华，结合所做的试验成果， 引入结构性参数，提出模型的推导思路。 ( 3 ) 经过理论推导，建立了饱和结构性剑桥模型。模型能较好地适用于饱和结构性土，描述 了饱和结构性土结构性这一根本内在因素的影响，反映了初始应力各向异性( 如k o 固结) 的不等 向塑性体变硬化，考虑了剪缩性，改进的模型对于饱和k 固结黄土实现了从剪切屈服到剪切破 坏的统一，当土为重塑土或者因加荷结构完全破坏，模型能很好的退化到剑桥模型。较完善地 反映了饱和结构性k 固结黄土的基本特性。而且模型的试验参数易于测定，便于推广。 ( 4 ) 对模型进行了预测和评价，模型预测值和试验值具有较好的一致性。证明了本文所提 出的饱和结构性剑桥模型的合理性，可望在工程中得到应用。 附录： 盟：一堕 d 8 0印 出? 一m 2 p 2 一q 2 d ；2 q p f = l n p p o + l n ( 1 + 要m ) 一c = o ，= l n p + l n ( 1 + ：r p o m 。r ) 一c = 0 厂地詈圳+ 鲁m ) _ on 联和图4 - 1 ，引入结构性参数，建立l r l p ，与g ? 的关系： e + = p ：一z 上”i p ( 4 6 ) d 趵 ” d 的 治 沿 洚 池 旧 西安建筑科技大学硕士学位论文 铲孚= 渊= 焉 比。! ： ” 1 + e 。 + 蚝( 联合( 4 - 6 ) ( 4 - 7 ) ( 4 - 8 ) ( 4 - 9 ) 可推出 班1 - 去- e o ( z 蚴百p + 血“钞一( 】) 令 崛= a e 。【( 丝) 6 p o ( 4 7 ) ( 4 8 ) ( 4 - 9 ) ( 4 1 0 ) ( 4 - 1 1 ) ae，2气。一b(4-12) 啦击 ( 扎茁专缸l ( 4 _ 1 3 ) 令( 4 1 3 ) 式中p = p ，则s ? 是p ：的函数。有： 舅= 去 ( 扎r 噜+ 蝇) ( 4 _ 1 4 ) 蛾= a e 。s 尝l ( 争勺 伦1 5 ) 见 由( 4 - 1 4 ) ( 4 - - 1 5 ) 式可推出： 妒击州哮+ 。c 圳2 再1 ( h + ) 争等蚴 ( 4 _ 1 6 ) 分析( 4 - - 1 6 ) 如下： 塑性体应变由两部分组成，第一部分依赖于土的本质属性( 重塑土的性质) ，已经被剑桥 模型充分描述。第二部分含有所有的结构性参数，因此第二部分依赖于土的结构性，显示了土 结构性的影响。 南( 4 - 1 6 ) 可椎卅： 由公式( 4 5 ) 可推出； 蚣亡善征p x d ( 4 - 1 7 ) 西安建筑科技大学硕士学位论文 矽：罢咖+ 善d 玎+ 要呶：o 印d 玎印， ( 4 1 8 ) 笪：土 ( 4 1 9 ) 印 ， 箬：害 ( 4 2 0 ) a 叩+m 2 + 叩。2 、1 笪：一一l ( 4 - 2 1 ) 印，t 由( 4 - 1 8 ) ( 4 2 1 ) 可推出： 拈n 哮+ 南硝，( 4 - 2 2 ) 由( 4 - 1 7 ) ( 4 - 2 2 ) 可推出： 峥警哮+ 蒜d q * ， c 其中：气= e 。( 等) 6 ；n 由公式( 4 一1 4 ) 确定 参照文献1 5 2 】的做法，构造塑性势函数g ( ) = h a - - p p 。+ 1 n ( 1 + 务) 2 0 。 擎：三 ( 4 2 4 ) 由如? ：a 挈：人上( 4 - 2 5 ) 联立( 4 - 2 3 ) ( 4 - 2 5 ) 可推出： a=警(勿+赫dq*lm ) ( 4 _ 2 6 ) + e 。+ ，7 其中：= e 。( 詈) 6 ；见由公式( 4 一1 4 ) 确定 从公式( 4 - - 2 6 ) 可以看出：反映土结构性影响的参数b = 0 或者p 。= 0 ，a 能 退化到剑桥模型。 以下求o f f , ： u g r f 参照文献【5 2 】的做法，构造塑性势函数g ( ) = l n 去+ 1 n ( 1 + 矿r 1 ) 。o 。 西安建筑科技大学硕士学位论文 8 9 一8 9 印8 9a t ? o o - i t 印a o - | | j8 r fe d h 塑：土 印p 鱼：堕 a ”m 2 + r 2 老0 0 = ；岛 ， j 7 岳= 南 3 ( 驴咿咖“一脚 联立方程( 4 2 3 ) ( 4 - 2 7 ) 可推出： 鲁= 毒气+ 面矿吉 3 ( 一) 一( 一域) 由公式( 4 - 2 2 ) ( 4 2 8 ) 可推出： 出s 乩鼍 喵= 等峨一鼍帆6 u e = 3 ( 1 2 u ) ( 1 + e 0 ) d s u 2d ；+ d s ； 如。= 宰抓磊- 乏五i i = 磊了了西i 可， 如。= 如； d ：2 d l d s d 8 2 d s 。：d 8 ：d ： 白= 如f ( 4 2 7 ) ( 4 2 4 ) ( 4 2 8 ) ( 4 _ 2 9 ) ( 4 3 0 ) ( 4 3 1 ) ( 4 3 2 ) ( 4 3 3 ) ( 4 3 4 ) ( 4 3 5 ) ( 4 3 6 ) ( 4 3 7 ) ( 4 3 8 ) ( 4 3 9 ) 西安建筑科技大学硕士学位论文 第五章结论和展望 5 1 本论文完成的主要工作和相关结论 本文在阅读和分析大量文献资料的基础上，采用结构性研究的土力学方法，通过大量试验， 研究了饱和结构性黄土的变形和强度特性；根据试验规律，通过理论推导建立了一个饱和结构 性黄土的弹塑性本构模型一饱和结构性剑桥模型，并对模型进行了预测和评价。本文研究所取 得的主要成果可总结如下： l _ 回顾了微结构的定量研究方法及取得的成果。分析了土结构性的影响因素。以饱和土为 研究对象，淡化联结对结构性的贡献，使排列成为影响结构性的主要因素。 2 在高压固结仪上分别对饱和原状样和饱和重塑样做高压固结压缩试验；在常规三轴仪上 分别对饱和原状样和饱和重塑样做k 。固结压缩试验；分析饱和结构性土的压缩变形特性，通过 与之相应的饱和重塑土对比从而揭示土的结构性随压力的变化规律。简略分析了扰动土样的压 缩试验。并对试验进行了综合分析，综合分析的结论有： 饱和结构性l ( 0 固结黄土的压缩指数为一变量，重塑土的压缩指数为一常量，二者最终趋于 相等；饱和结构性j ( d 固结黄土压缩曲线具有明显的初始结构屈服点，而饱和重塑土压缩曲线没 有初始结构屈服点；饱和结构性k 固结黄土和饱和重塑黄土有大致样的回弹指数。在同一压 力水平下与饱和重塑土相比，当压力在初始结构屈服点范围内，增加压力，饱和结构性l ( 。固结 黄土的压缩量较小；当压力在结构屈服点范围外，增加压力，饱和结构性l 矗固结黄土的压缩量 较大，随着压力的增大，饱和结构性k 固结黄土压缩曲线逐渐趋近饱和重塑黄土压缩曲线，说 明饱和结构性i ( 0 固结黄土的力学特性逐渐向饱和重塑黄土的力学特性转化。 3 在常规三轴仪上，针对饱和原状样做等向固结不排水剪切试验、k o 固结不排水剪切试验、 比固结排水剪切试验，针对饱和重塑土试样做固结不排水剪切试验、k 固结排水剪切试验， 研究了饱和结构性k 。固结黄土强度特性，并对比饱和重塑土在相应应力条件下的强度特性，解 释了不同试验条件下试验曲线所表现出来的有关特征。并对试验进行了综合分析，综合分析的 结论有： 饱和结构性k 。固结黄土也固结排水三轴压缩剪切试验与饱和结构性k 固结黄土k 固结不 排水三轴压缩剪切试验强度线重合；饱和重塑黄土k 固结排水三轴压缩剪切试验与饱和重塑黄 土k 。固结不排水三轴压缩剪切试验强度线重合。饱和结构性黄土比饱和重塑黄土抗剪强度高。 饱和结构性黄土的临界状态线与饱和结构性黄土固结线平行；饱和重塑黄土的临界状态线与 饱和重塑黄土k 。固结线平行；饱和原状土临界状态线与重塑土临界状态线并不一致，当固结压 力较小时( 小于初始结构屈服压力) ，随着压力的增加，饱和原状土临界状态线与重塑土临界 状态线问的差距在增大；当固结压力较大时( 大于初始结构屈服压力) ，随着压力的增加，饱 6 7 西安建筑科技大学硕士学位论文 和原状土临晃状态线与重塑土临界状态线间的差距在减小，原状土的临界状态线逐渐向重塑土 临界状态线趋近。 4 结合饱和结构性固结黄土的变形和强度特性，考虑土结构性的影响，在修正剑桥模型 的基础上对其进行改进；建立了能定量地反映饱和结构性黄土变形和强度的变化、能进行计算 的饱和结构性黄土的弹塑性本构模型，说明基本参数的确定方法。模型参数基本概念明确且易 于确定，符合模型的简单化要求；模型能较好地适用于初始状态为k 固结状态的正常固结或弱 超固结饱和结构性土，反映了初始应力各向异性( 如k 。固结) 的不等向塑性体变硬化，描述了饱 和结构性黄土的结构性这一根本内在因素的影响，考虑了剪缩性，改进的模型对于饱和k o 固结 黄土实现了从剪切屈服到剪切破坏的统一，如果土无结构或者因加荷结构完全破坏，则该模型 退化为修正c a m - c l a y 模型，模型较完善地反映了饱和结构性黄土的基本特性。符合模型要反 映基本特性的要求。经预测，计算结果和试验结果的对比得到了较好的一致性，证明了本文所 提出的饱和结构性剑桥模型的合理性。 总之，本文通过对饱和结构性黄土的变形和强度特性的研究，建立了饱和结构性剑桥模型。 为进一步深入研究结构性的本构模型做了有益的探索；为后续的本文课题来源( 国家9 7 3 项目 研究一黄土地区重大岩土工程环境灾害研究及其在西部大开发中的应用) 奠定了有力的理论基 础；模型既简单又较全面地反映了饱和结构性磁固结黄土的基本特性，将成为解决实际工程问 题的有力工具。 5 2 展望 上述研究成果有一定的理论意y 暑1 i 实用价值，但由于受试验设备、时间仓促的限制，有些 工作没有涉及，某些研究尚不够透彻。笔者认为，对本论文的完善还需要以下工作： 1 建立将该模型用于解决实际问题的计算方汁。编制饱和结构性剑桥模型的程序，引入 模型到有限元计算中，与工程实例相结合，通过计算检验模型的稳定性、精确程度。 2 在考虑排列的基础上增加新的因素，例如考虑水的影响，使黄土的变形和强度随着含 水量的变化而变化，这将是国家级科研项目9 7 3 的下一个重要研究内容：黄土的湿化本构关系。 3 本文关于土的结构性规律及本构模型都是建立在大量的饱和结构性岛固结黄土的基础 上，但从原则上，它们对别的土类也应有一定的适用性，可利用通过不同的土类做类似的试验， 对本文研究的迸一步完善和发展有重要意义。 4 做三轴拉伸试验，对饱和结构性剑桥模型进行三维化变换。 西安建筑科技大学硕士学位论文 致谢 本文是在导师姚仰平教授的悉心指导下完成的，自始自终论文的每一个细节都倾注了导师 咖【) 血，在跟随导师学习的这两年里，导师渊博的学识、敏锐的洞察力、严谨的治学态度、认 真负责一丝不苟的工作作风、高尚的人格魅力以及对学术研究满腔热忱深深地感染了我；在生 活上也受到导师无微不至的关照，在此，谨向尊敬的导师姚仰平教授致以最衷心的感谢和最诚 挚的敬意! 在研究生求学期间，在学习和生活方面曾得到了韩晓雷教授、刘明振教授、何守业高工、 冯志焱高工以及李向阳博士、支丽萍老师、宋占平老师、李俊连硕士的照顾、帮助和支持，在 此，谨向他们表示衷心的感谢! 清华大学在读博士刘恩龙所做的也是结构性研究方面的课题，从收集数据到土工试验，刘 恩龙博士给予了大量的帮助，在此深表感谢并衷心祝愿他早日毕业。在论文试验过程中，曾得 到孔德泉硕士的大力帮助，在此深表感谢。 在日常生活及写作过程中，硕士陈张锋、卢俊龙、龚复军、苏武等给予了大量的帮助和鼓 励，并与他们在硕士三年的生涯中建立了深厚的友谊，在此深表感谢并衷心祝愿他们在以后的 工作中做出傲人的业绩。 作者还对启迪我科研思路，以及在工作和生活上给予我多方关照的许多未能一一署名的师 长和同学表示衷心的感谢! 感谢我的父母。在这个充满变数的社会中，他们给我永远不变的亲庸! 在整个求学的过程 中，父母亲付出太多太多 论文作者：刘孟飞 2 0 0 5 年6 月 西安建筑科技大学硕士学位论文 参考文献 n 】黄文熙主编，土的工程性质，水利水电出版社，1 9 8 3 1 2 钱家欢，殷宗泽土工原理与计算( 第二版) 北京：中国水利水电出版社，1 9 9 6 1 3 张学言，岩土塑性力学， 北京：人民交通出版卒土， 1 9 9 3 【4 】李俊连，饱和结构性k 。固结黄土的变形强度特性研究，硕士学位论文，西安建筑科技大 学，2 0 0 4 1 5 刘恩龙，沈珠江，结构性粘土研究进展，岩土力学，( 拟刊出) 【6 】齐吉琳，土的结构性及其定量化参数研究，博士学位论文，西安理工大学，1 9 9 3 1 7 胡瑞林，粘性土微结构定量模型及其工程地质特征研究北京：地质出版社。1 9 9 5 ：p 3 4 3 1 8 施斌粘性土微观结构研究回顾与展望，工程地质学抿1 9 9 6 ，4 ( 1 ) ：p 3 9 - 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c l a ym o d e l j a s c e ， j e n g r g m e c h ，v 0 1 1 2 6 ，n o 1 ，p l 1 2 11 9 ，2 0 0 0 3 1 】沈珠江，结构性粘土的非线形损伤力学模型，水利水运科学研究，n o 4 ，1 9 9 3 【3 2 】南京水利科学研究院士工研究所土工试验技术手册m 人民交通出版社2 0 0 2 3 3 1 李作勤，有结构强度的欠压密土的力学特性，岩土工程学报，v 0 1 4 ，n o 1 ，p 3 4 、4 5 ，1 9 8 2 【3 4 】高国瑞，中国黄土的微结构，中国科学，1 9 8 0 ( 2 0 ) 3 5 】a w b i s h o pa n dl _ d w e s l e y ，ah y d r a u l i ct r i a x a la p p a r a t u sf o rc o n t r o l l e ds t r e s s p a t ht e s t i n g ，c e o t e c h n i q u e ，v 0 1 2 5 ，4 ，