（岩土工程专业论文）受扰动土性状室内试验研究.pdf

浙江大学硕士论文 受扰动土性状室内试验研究邵允铖2 0 0 8 年5 月 摘要 土的性状与金属材料不同，金属材料是均匀连续介质，而土体是多孔三相介 质。土的这种特性决定了其在受力特性和破坏特性上的复杂性。在工程实施过程 中，水位变化、结构变化、应力状态变化都会影响到土的性状变化，因而描述土 体性状的物理参数和力学参数也会发生变化。本文在前人工作的基础之上尝试通 过扰动理论来描述不同状态下的土体，通过室内试验的方法研究杭州市浙江大学 紫金港校区某基坑的原状软粘土的物理参数和力学参数变化对于土体强度的影 响程度，并以此为依据建立扰动度的表达式及其评价标准。 首先，考察了扰动的各种影响因素，并把土体的物理参数( 孔隙比) 和力学 参数( c ，巾值) 的变化作为对扰动土的研究重点。 第二，在d e s a i 和黄斌对于扰动度的研究基础上，对扰动度的概念进行界定， 建立反映土体物理性质、应力状态的扰动度定义，尝试建立扰动度与物理参数和 力学参数之间的关系。 第三，在杭州市浙江大学紫金港校区某基坑开挖过程中，用薄壁取土的方法 取回相对扰动很小的无扰动土，通过室内试验的方法确定其物理参数、并使用三 轴压缩c u 试验的方法得出其在2 0 0 k p a 和4 0 0 k p a 围压下的抗剪强度。 第四，使用相同的土体进行烘干、粉碎、过筛、重塑，通过控制不同的孔隙 比制作不同的重塑样，并使用三轴压缩c u 试验的方法得出其在2 0 0 k p a 和4 0 0 k p a 围压下的抗剪强度。 第五，比较原状样和重塑样的物理参数、强度指标和抗剪强度大小，分析它 们的强度变化和应力路径，尝试建立起抗剪强度变化随物理参数的变化对应关 系。 最后，基于试验结果导出扰动度的表达式。 a b s t r a c t a bs t r a c t t h ep r o p e r t yo fs o i li sd i f f e r e n tf r o mm e t a lm a t e r i a l sw h i c hi sc o n t i n u o u s m e d i u m ，a n dt h es o i li sm u l t i a p e r t u r ea n dt r i p h a s em e d i u m t h ef e a t u r eo fs t r e s sa n d d e s t r u c t i o no fs o i li sc o m p l e xd u et oi t s s p e c i a lp r o p e r t y d u r i n gt h ee n g i n e e r i n g p r o c e s s v a r i a t i o no fw a t e rl e v e r , s 仃u c t l 】r a lt r a n s f o r m a t i o na n dt h ec h a n g eo fs t r e s s c o n d i t i o nw i l li n f l u e n c et h ec h a n g eo fp r o p e r t yo fs o i l ，a n dt h ep h y s i c a lp a r a m e t e ra n d m e c h a n i c a lp a r a m e t e rw h i c hd e s c r i b et h ep r o p e r t yo fs o i lw i l la l s oc h a n g e b a s e do n t h ee x i s t e da c h i e v e m e n t s ，t h ea u t h o rt r i e st od e s c r i b et h es o r t so fs o i l si nd i f f e r e n t c o n d i t i o n sb yd i s t u r b a n c e ，a n ds t u d yo nw h a te x t e n tt h ec h a n g eo f p h y s i c a lp a r a m e t e r a n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e rw i l le f f e c tt h ec h a n g eo fs h e a rs t r e n g t ho ft h es o i lw h i c h c a m ef r o mf o u n d a t i o nd i t c hi nt h ez i j i n g a n gc a m p u so fz h e j i a n g u n i v e r s i t yi n h a n z h o u b yl a b o r a t o r yt e s t ，a n db u i l tt h ee x p r e s s i o na n dd e g r e eo f d i s t u r b a n c eb yt h e t e s t f i r s to fa l l ，s o r t so fi n f l u e n c i n gf a c t sa r ec o n s i d e r e d ，a n dt h ec h a n g eo fp h y s i c a l p a r a m e t e r ( v o i dr a t i o ) a n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r ( c ，巾) a r ef o c a lp o i n ti nd i s t u r b a n c e s t u d y s e c o n d l y , b a s e do nt h es t u d yo nd i s t u r b a n c eo fd e s a ia n dh u a n gb i n ，t h e c o n c e p to fd i s t u r b a n c e i s d e f i n e d ，a n dt h ed i s t u r b a n c et h a t c o r r e l a t e s p h y s i c a l p r o p e r t i e sa n ds t r e s sc o n d i t i o no fs o i li sb u i l t a n dt h ea u t h o rb u i l tt h ee x p r e s s i o nt h a t c o n n e c tt h ed i s t u r b a n c ea n dp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r s t h i r d l y , t h er e l a t i v eu n d i s t u r b e ds o i li ss a m p l i n gt a k e nb yt h i n - w a us a m p l e r d u r i n gt h ee x c a v a t i o no ff o u n d a t i o nd i t c hi nt h ez i j i n g a n gc a m p u so fz h e j i a n g u n i v e r s i t yi nh a n g z h o u t h ep h y s i c a lp a r a m e t e ri sm e a s u r e db yl a b o r a t o r yt e s t ，a n d t h es h e a rs t r e n g t hu n d e rc o n f i n i n gp r e s so f2 0 0 k p aa n d4 0 0 k p al e v e li sm e a s u r e db y c o n s i d e r a t i o nu n d r a i n e dt r i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t f o u r t h l y , a f t e rd r y i n g ，p o r p h y r i z a t i n g ，r i d d l i n g ，r e b u i l t ，t h em a n i p u l a t e ds o i li s m a d ei nd i f f e r e n tv o i dr a t i oi nt h es a m es o i la su n d i s t u r b e do n e ，a n dt h es h e a rs t r e n g t h u n d e rc o n f i n i n gp r e s so f2 0 0 k p aa n d4 0 0 k p al e v e li sm e a s u r e db yc o n s i d e r a t i o n i i z h c j i a n gu n i v e r s i t y s t u d yo nl a b o r a t o r yt e s to fp r o p e r t i e so fd i s t u r b e ds o i l s h a oy u n c h e n g2 0 0 8 5 u n d r a i n e dt r i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t f i f t h l y , t h ed i f f e r e n c e si np h y s i c a lp a r a m e t e ls t r e n g t hi n d e xa n ds h e a rs t r e n g t h o fu n d i s t u r b a n ta n dm a n i p u l a t e ds o i l ，a n dt h ec h a n g eo fs t r e n g t ha n ds t r e s sp a t hi s a n a l y s e d t h ea u t h o rt r i e st ob u i l tt h er e l a t i o n s h i po ft h ec h a n g eo fs h e a rs t r e n g t ha n d t h ec h a n g eo fp h y s i c a lp a r a m e t e r t e s t f i n a l l y , t h ee x p r e s s i o no fd i s t u r b a n c ei sg i v e nb a s e do nt h er e s u l t so fl a b o r a t o r y i i i 浙江大学硕士学位论文受扰动土性状室内试验研究邵允铖2 0 0 8 年5 月 第1 章绪论 1 1 问题的提出及其研究意义 土体的应力应变关系一直是岩土工程界研究的热点。国内外学者对土的变形 规律提出了众多的本构模型。虽然，这些理论在预测工程性状，验证某些原理的 合理性等方面已发挥了积极作用，但由于天然软粘土是在长期复杂的地质条件下 形成，大都具有结构性，其变形过程中必然导致结构的扰动，用现有的弹塑性模 型难以描述由于土的结构性而引起的各种非线性行为，其计算结果与实际有一定 的差距。 过去把土的性状看成类似于金属材料一成不变的性状来处理，不符合土的特 性，土在工程实施过程中可能受到的影响有水位变化、结构变化、应力状态变化 等，这些变化可能会导致土性状的变化，因而描述土性状的物理参数和力学参数 也将发生改变。以往的研究表明：基坑工程事故的主要原因之一就是对由施工扰 动引起的周围土体性质的改变和施工中结构与土体介质的变形、失稳、破坏的发 展过程认识不足，或者虽对此有所认识，但没有更好的理论和方法去解决。长期 以来，人们利用传统土力学的理论与方法，以天然状态的原状土为研究对象，进 行有关物理力学特性的研究，将其结果直接用于上述受施工扰动影响的土体强 度、变形与稳定问题，显然不符合由施工过程所引起的周围土体的应力状态改变、 结构的变化、土体的变形、失稳与破坏的发展过程，从而造成许多岩土工程的失 稳与破坏，给工程建设与周围环境带来很大的危害。 岩土体的强度和变形问题是岩土工程领域的两个根本问题，围绕这两个问题 相应地发展了许多理论，它们在不同程度上指导了岩土工程实践。但随着城市的 立体化、交通的高速化，对软土的变形及稳定的预测及控制提出了更高的要求， 如何发展和完善软土预测及控制理论显得尤为重要，而解决这些问题的关键是要 建立适当的岩土本构模型。随着计算机和计算技术的迅猛发展，在岩土工程研究 者的推动下，岩土材料本构模型的研究工作日益广泛和深入，到目前己经有数百 个土的本构模型，这些模型在岩土工程数值分析中得到了一定程度的应用和验 证。之所以会出现这么多的本构模型，一方面了反映问题重要性，引得众多的学 第l 章绪论 者不遗余力地去研究与开发；另一方面也说明了问题的复杂性，现有的本构模型 总是存在这样或那样的不足，人们不满意，才提出各种各样的方法去改进和提出 新的模型。但由于土是一种极为复杂的工程材料，土的成分、结构、含水量、孔 隙比、当前的和先期的应力状态及荷载特性( 如单调荷载、比例荷载、周期荷载 等) 等均会影响土的性质，从而影响土本构模型的选择。因此，我们可以得出这 样的结论：没有一种土的本构模型能够既适应在各种情况下所有土的应力应变性 状，又具备在实际应用中所必要的简单性。 纵观本构模型的发展历史，可以发现：其理论或是基于宏观唯象学发展的， 或是直接借用其他材料( 金属、混凝土等) 的本构模型，对其加以适当的修改而提 出的。现有的各种本构模型正如沈珠江院士所指出的，实际上都是针对饱和扰动 土和砂土发展起来的。虽然这些理论在预测工程性状、验证某些原理的合理性等 方面己发挥了积极作用，但它们都难以描述由于土的结构性而引起的各种非线性 行为，其计算结果与实际有一定的差距。所以，有必要把土在受力后所表现的变 形、稳定等方面问题和土的结构变化作为一个整体来研究，即开展土的结构性研 究并建立相应的本构模型，这己经成为目前土力学研究中十分重要而紧迫的课 题。 过去在研究本构模型时建立的本构方程在很大程度上反映了土体的力学性 态，但没有很好地反映土体的物理性质，其本构模型的参数变化很大。对于不同 的土，力学参数是一个变量，对于同一种土也不足反映土的不同状态，因此必须 考虑土的物理性态变化。 软土是软弱粘性土的简称，包括淤泥、淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土等，多 为海相、河相或泻湖相沉积。它主要由细粒土组成，直径小于0 1 的颗粒一般占 土样总重的5 0 以上，软土具有天然含水量高、压缩性大、承载力低、物理状态 呈软塑到流塑等特点。本文主要针对杭州地区代表性的饱和软粘土在受施工扰动 影响下的物理、力学性质的变化进行试验研究，并与天然状态土的性质进行对比。 同时在以往研究的基础上，引入扰动度概念，建立杭州软土在扰动状态下土结构 重新排列及扰动的应力应变物理力学模型。 2 浙江大学硕士学位论文受扰动土性状室内试验研究邵允铖2 0 0 8 年5 月 1 2 土体扰动的类型 土体扰动形式不同大致可分为取样扰动和施工扰动两种。 h v o r s l e v ( 1 9 4 9 ) 等根据取样观测研究，认为膨胀是在非吸水条件下发生的， 是由溶于孔隙水中的空气在应力卸除时析出或气泡体积增大而引起的，分析了土 样从原位取出后的膨胀特性，并将其归结为原位应力的解除、含水量和孔隙比的 改变，土结构的破坏、化学变化等。 奥村( 1 9 7 4 ) 研究了正常固结粘土在“理想”取土过程中气泡体积、孔隙水压 力、饱和度、孔压系数及平均有效应力的变化。分析表明，土样的饱和度、 孔压系数及平均有效应力随取土过程而减小，即扰动程度增加。 l a d d 和l a m b e ( 1 9 6 3 ) 定性地阐述了钻孔取土全过程中的扰动所产生的有效 应力变化。 s k e m p t o n 和s o w a ( 1 9 6 3 ) 年研究了土样扰动所引起的有效应力变化，考虑应 力卸除的影响，即“理想”取土的影响或“理想”土样中应力的变化。 魏汝龙( 1 9 8 7 ) 研究了软粘土取样扰动的影响，认为取土扰动作用主要由以下 因素引起：将土样从地基中取出而卸除上覆和周围压力，引起作用于土中的有效 应力发生变化；卸去的应力部分由土的孔隙水表面张力代替，这样使得孔隙水承 受负压，有一部分溶解于水中的气体逸出，从而使土样中的残余有效应力降低， 体积稍有膨胀；取土、运输、贮存和加工土样时引起的附加扰动。 胡中雄( 1 9 9 7 ) 归纳了土样扰动的原因，并列举了不同的扰动情况，即应力解 除、人工扰动( 包括钻探扰动、取样扰动、运输扰动、土样制备扰动等) 、环境 扰动( 包括储藏条件、实验窒的介质和环境、试验室的湿度和温度等) 、生物扰 动等。 沈珠江( 1 9 9 8 ) 将取土扰动的原因分为以下两个方面：卸荷作用所引起的土 样的总应力和孔隙水压力的变化；取样时的机械扰动作用，包括取土器的压入和 切样扰动等。 n a g a r a j ( 1 9 9 0 ) 对取样扰动对压缩曲线的影响进行了分析，并给出了修正的方 法。 在室内试验测定土的性质时，土体扰动这个问题常常被忽视了，造成很大误 第1 章绪论 差，土样采取、运输、贮藏和试验过程中都存在扰动。在目前的条件下，我们无 法得到“真正不扰动”的土样，不可避免的和人为的扰动必然存在，因此室内试 验的结果必然与原位情况有出入。如何来估计扰动的影响是当代土力学研究领域 内一个有挑战的课题。从以往的研究结果可以看出，取样扰动的主要影响因素有： 土样应力释放和重分布引起的扰动：土样取出后，原位的天然不等向应 力状态变成各向总应力相等，且等于0 ，土样的平均有效应力大小也发生了变化， 从而引起土样扰动。 土样中气体逸出引起的扰动：上述卸去的应力一部分由土中孔隙水的表 面张力代替，这样使孔隙水承受负压，而使一部分溶解于水中的气体逸出，从而 使土样中的残余有效应力降低，体积稍有膨胀，土样产生扰动。 机械扰动：这是最复杂的扰动因素，也是影响最大的因素。自土样从地 基中取出到室内试验的各个环节均会受到不同程度的机械扰动作用。机械扰动主 要表现在使土样产生变形，从而破坏其天然结构。其中取土器是决定土样扰动程 度的关键因素，钻孔方法、取土操作、土样的运输和贮藏、试验的切削和安装等 均会引起土样机械扰动。 对原位土体而言，渗流场或孔隙压力场等变化会对土体产生一定程度的扰 动，而施工扰动( 比如机械作用和加、卸载或振动荷载等) 也会改变原位土体的 性质，通过扰动度这一概念来建立一套研究施工现场土体受扰动后土性变化规律 的理论体系，意义很大，建立这一体系需要考虑的影响因素很多，任务很艰巨。 土体受施工扰动的主要影响因素有： 1 应力状态的改变； 2 含水量及孔隙比的变化； 3 土体结构性部分破坏； 4 化学成分分离与混合； 5 土体成分分离与混合； 6 土体压密状态或固结状态的改变； 7 其它参数的改变，如压缩系数、压缩模量、黄土的湿陷性参数等。 4 浙江大学硕士学位论文受扰动土性状室内试验研究邵允铖2 0 0 8 年5 月 1 3 土体扰动研究现状 土体受扰动后强度发生变化，对于这种变化的研究，学者们一般从三个方面 进行探索研究：土体结构性研究，土体损伤研究，土体扰动研究。这三个方面并 不绝对孤立，互相交叉，又互相区别。 1 3 1 土体结构性研究 土体结构性研究一般从两个方面入手进行，一个是土的结构性物理力学模 型，一个是土体结构性研究。 1 3 1 1 土的结构性力学模型 ( 1 ) 微结构模型 微结构模型是指根据土的微观结构和粘土微粒的物理化学性质建立的土本 构模型，以此来反映土的宏观力学行为，它的基本思路出自t a y l o r ( 1 9 3 8 ) 提出的 材料中不同方向微滑面上的应力应变关系。 微结构模型包括定性模型和定量模型。定性模型较多，比较有代表性的是 o s i p o v ( 1 9 9 0 ) 归纳的八种类型的微结构模型，以及由高国瑞( 1 9 8 0 ) 提出的综合分 类方案。对于定量模型，1 9 7 7 年m a t u s 等引入了基于统计方法的结构因子概念。 随着非线性理论的发展，土微结构定量模型取得了一定的进展，1 9 9 2 年刘松玉 建立了基于土工试验基础的粒度分维表示法。1 9 9 9 年，苗天德、刘忠玉、任九 生基于微结构突变失稳假说，给出了一个完整失陷变形黄土的本构模型，此模型 对粘性土非常具有启发意义。王常明( 1 9 9 9 ) 研究了软土固结过程中微结构参数的 变化，提出了微观结构因子的概念，并用其构造了一个反映变形本质的固结蠕变 本构模型，为流变学的深入研究提供了一个新的途径。肖树芳、雷华f b ( 2 0 0 0 ) 用 微结构参数的不同变化建立了反映软土塑性体应变和塑性偏应变机理的弹塑性 本构模型。 这些研究对土在复杂受力条件下变形、破坏机制进行了有益的探索，但从建 立软土结构性力学模型的角度，无论在深度还是广度上都要求加强微结构受力过 程中的动态研究。 ( 2 ) 宏观本构模型 自r o s c o e 提出第一个全面考虑土的压硬性和剪缩的著名剑桥模型以来，土 第l 章绪论 的本构模型研究有了长足的进展。近些年来，l e t o u c l ( 1 9 9 0 ) ，b u r l a n d ( 1 9 9 0 ) ， w o o d ( 1 9 9 0 ) ，a l o n s o ( 1 9 9 0 ) ，k a v v a d a s ( 2 0 0 0 ) 等用试验证明，对于结构性土f 即结 构效应显著的土) ，一般的弹塑性本构模型是不能满足要求的，例如，它不能描 述结构性土的应变软化问题，也不能描述在应力作用下天然结构强度逐渐衰减的 过程。又如仅以塑性体应变的增长作为土应变硬化的模型，反映不了结构性土塑 性偏应变硬化的规律。因此，改进土的本构模型使其包含尽量多的目前已了解的 各种结构效应己成为许多学者的共识，并在这方面开展了多种途径的研究。其中 一种是采用多屈服面模型，如采用两个屈服面分别描述土塑性体应变和塑性偏应 变硬化特征的双屈服面模型，又如w o o d ( 2 0 0 0 ) 提出在剑桥模型上再加上两个屈 服面的气泡模型来建立土的结构性模型等。多屈服面结构模型虽是一种很好的想 法，但所需测定的参数过多，因此沈珠之e ( 1 9 9 5 ) 提出一种一个屈服面、两种硬化 参数的双硬化模型，提出了从损伤角度建立结构性模型的思路，并建立了粘土堆 砌体结构模型。肖树芳、雷华阳( 2 0 0 0 ) 通过大量试验也建立了一种海积软土的结 构性双硬化模型。 1 3 1 2 土体结构性研究 近年来，土的结构性研究引起了人们的广泛关注。从宏观上讲，土都具有结 构性，土结构性的强弱是与土的先期固结压力、沉积时间、沉积条件以及土的物 理化学成分等相关的。从微观上说，土的结构是指土体颗粒和孔隙的性状、排列 形式及颗粒间的相互作用。胡瑞林( 1 9 9 5 ) 认为土的微结构主要由结构单元特征、 颗粒的排列特征、孔隙性和结构联结四个方面的特征来描述。土的结构性是指土 结构的力学效应，即受力时土的结构与其力学行为的相互影响。由于土是具有复 杂多样结构的三相多孔介质，不同的结构对土的强度、渗透性和应力一应变关系 特性有极大影响。土的结构对土的力学性质影响的强烈程度，可称为土的结构性 的强弱。 由于实验室的土样和野外土都不可避免地处于地球的重力场中，故排列不可 能完全随机，且颗粒间也不可能完全独立无联系，因而不管是原状土还是室内重 塑土总是表现出一定的结构性。室内制样的方法、程序和环境，在天然情况下土 的生成、搬运、沉积、固结及在千万年地质历史中所受到的各种变故都会使土形 成不同的或特有的结构性。由于原状土是长期地质历史的产物，因而比室内重塑 6 浙江大学硕士学位论文 受扰动土性状室内试验研究邵允铖2 0 0 8 年5 月 土具有更强的结构性。在同样的密度及含水量情况下，原状土与重塑土性质有很 大差别。以往土力学研究中的理论及模型大都是建立在对重塑土试验的基础上， 因而对于土的结构性的考虑是不够的。自然界和工程实践中大量存在和涉及的是 原状土，因而考虑土的结构性对土的力学性质的影响是一个重要的课题。土的结 构性对土的应力应变强度的影响以及土的结构性破坏后应力应变强度性质的变 化是土力学理论和实践中的一个重要研究领域。 t e r z a g h i ( 1 9 2 5 ) 首先提出土了的微结构的概念，他把粘粒悬液在电解质的作 用下形成的絮凝沉积物在一定上覆层荷重压力作用下形成的结构，称为蜂窝状结 构。微结构的提出，是土体结构性研究初步阶段的标志。 直到1 9 6 9 年，g i l l o t t 将扫描电镜系统应用到细粒土微结构中，土体结构性 研究还是停留在概念性定性研究的基础上。 1 9 7 0 年至1 9 8 4 年，x 光衍射和偏光显微镜的应用使土的微观结构研究逐渐 定量化，1 9 7 3 年8 月在瑞典哥德堡召开了首届国际土结构会议，是土体结构性 研究进入定量化的里程碑。 19 8 5 年以来，一些学者建立了考虑微观结构的宏观本构模型，并在土体结 构性数值计算方面取得了一定进展。 一些学者为了避开直接求取描述土结构性的参数，直接建立了土体结构性与 工程性质的关系，如谢定义( 1 9 9 9 ) 提出了一个土的结构性参数： a a m p = 等 ( 1 1 ) 式中岛、s 、墨分别为原状样、饱和样和重塑样在某一压力下的变形量( 或应变量) 。 m d l i u 和j p - c a r t e r ( 1 9 9 9 ) 根据原状结构性土和重塑土的压缩试验，提出 土的结构参数结构压缩因子么和结构指数s ，并在此基础上提出了土的结构性压 缩模型；2 0 0 0 年他们又根据等向压缩试验中天然粘土体积的变化，提出结构破 坏因子b ，用此参数来反映天然粘土结构破坏的速率。 龚晓南( 2 0 0 0 ) 建议根据结构屈服应力与先期固结压力的关系来判断土结构 性强弱，并据此将粘粒土的结构性分为弱结构性( o k o = 1 ) ，较强结构性z ( 1 c r k o ： 1 ) 。 第1 章绪论 肖树芳、雷华 j n ( 2 0 0 0 ) 用微型贯入仪对土在各种受力状态下的贯入强度进行 了大量的测定，并结合土的微观结构定量参数进行了有意义的探索，提出用贯入 比的值聊反映软土的结构性及其在塑性体应变及塑性偏应变过程中的变化，聊 值表示为： 聊= 聊c 聊o( 1 2 ) 式中m 。为天然软土的贯入强度；柳。为不同偏应变下剪切面上的贯入强度。 为了反映不同地区的海积软土结构强度与前期固结压力的关系，王冠英、肖 树芳( 2 0 0 4 ) 定义结构稳定系数为： 聊。= q p 。( 1 3 ) 式中g 为天然软土的结构强度；p 。为前期固结压力。 通过宏观结构性参数与微观结构性参数相结合，探讨结构性土的变形的物理 本质，从而确定土结构性划分的定量标准，这是目前国际上土结构性参数定量化 研究的热点。 1 3 2 土体损伤研究 损伤是指在各种工程荷载条件下，材料内凝聚力的延展性减弱，导致土体体 积单元破坏的现象。 k a c h a n o v ( 1 9 5 8 ) 在研究金属一维蠕变断裂问题时引入了一个与连续性变量 相对应的变量d ，称为损伤变量。此后损伤力学被推广用来模拟金属的疲劳、蠕 变及延展塑性变形的损伤，也被用于研究岩石和混凝土等脆性材料的损伤问题。 近年来才被广泛用于土力学相关研究中。由于损伤造成有效断面积减小，有效应 力增加，所以，最简单的损伤模型是线弹性损伤模型，如果假设损伤对应变的影 响只是由于有效断面积的减少和有效应力的增加，那么只需将无损伤或损伤前材 料的本构关系应用于有效应力部分，就可得到损伤材料的表观本构关系。其损伤 变量为： 。= 筹= 竽( 1 - 4 ，彳彳 浙江大学硕士学位论文受扰动土性状室内试验研究邵允铖2 0 0 8 年5 月 式中么为材料的初始横截面积；4 母为受损后其损伤面积( 包括微裂隙和空隙) ；万 为净面积或有效面积。d = 0 表示材料无损伤或初始状态；d = 1 0 表示材料达到 完全损伤状态。根据材料受力变形和强度的微观机理定义损伤变量，是建立合理 有效的损伤模型的关键。 传统的土力学方法难以描述土结构性破损对土力学性质的影响，而连续损伤 力学的出现与发展，可以满足“动态 描述材料力学性质的要求，正好为这一问 题的解决提供了理论准备。 沈珠江、张为民( 1 9 8 8 ) 最早提出土体的损伤理论，他们首先定义一种理想的 原状土和一种完全损伤土，前者指天然沉积土，后者指原状土受到力学因素的作 用后“结构性 完全丧失的土体( 如重塑土) ，实际土体的变形和破坏过程可以视 为由原状土到损伤土的演变过程。 沈珠：i 6 e ( 1 9 9 3 ) 、施建勇、赵维炳等先后提出了弹塑性损伤模型、非线性弹性 损伤模型、粘弹塑性损伤模型等本构模型。损伤力学在土力学领域中的应用研究 在我国比较活跃，国外的报道比较少。 孙红、赵锡宏等将损伤理论和经典土力学结合，尝试建立“损伤土力学”， 采用损伤力学对地基沉降进行了研究，他们建议的瞬时沉降公式为： ( 1 5 ) 式中卸，为土层中心高程处的附加应力；a h ，为土层厚度；历为初始弹性模量； d ，为损伤变量；k 为综合位移系数；口为材料参数；p d 为初始损伤应力阀值。 对于固结沉降，他们认为与应力水平有关，当应力小于先期固结压力时，土体没 有发生损伤，压缩变形小，应取相应的j 玉缩指标c ；当应力大于先期固结压力 时，土体发生损伤，压缩变形大，应取相应的压缩指标c c 。 王立忠、赵志远等( 2 0 0 4 ) 在d u n c a n c h a n g 模型的基础上引进损伤的概念，考虑 土体的结构性，对d u n c a n c h a n g 模型进行了有意义的修正。把土体的应力应变 关系分为应变软化型和应变硬化型，当固结压力低于结构屈服应力时的应力应变 9 绣一d 丝加j鱼驰嘞。两心鬯两咖 = = j ，一k b 第1 章绪论 关系则为前者，当固结压力高于结构屈服应力则为应变硬化型关系。引入损伤比 c o ，对d u n c a n c h a n g 模型进行修正，把应力应变关系曲线分为三个阶段。在第 三阶段土的结构已全部破坏，此时土的性质接近于重塑土的性质，应力应变关系 用下式表示： ( 1 6 ) 何开胜( 2 0 0 1 ) 根据土体微观变形机理的研究结果，在堆砌体模型的基础上， 采用过应力理论，提出结构性粘土的粘弹塑性损伤本构模型，定义损伤参数d 为： d ：鱼二! e o e ! ( 1 7 ) 式中e 为现有孔隙比；印为初始孔隙比；白为稳定孔隙比。损伤演化规律采用 ( 1 8 ) 式中q 为等效损伤力；q o 为初始损伤力。 d e s a ic s ( 1 9 9 2 ) 首次把损伤力学的基本理论应用于接触面本构关系。 胡黎明、濮家骝( 2 0 0 2 ) 根据土与结构物接触面的直剪试验，在复合体的理论 基础上建立了粗糙接触面损伤力学本构模型，用以反映接触面剪切变形过程中的 应变软化和剪胀现象，假设损伤演化过程只与接触面剪切应变有关，则损伤状态 变量为： d = 卜e 冲( 一俐6 ) ( 1 9 ) 式中口，b 为与粗糙度线相关的参数，与正应力无关；占f 为接触面塑性剪切应变。 张子新等( 2 0 0 4 ) 根据损伤理论，定义损伤变量d 为： 州音 m 浙江大学硕士学位论文受扰动土性状室内试验研究邵允铖2 0 0 8 年5 月 式中e l 为无损伤扰动时的模量；局。为有效模量。 目前应用损伤理论研究结构性土，主要有复合体模型、堆砌体模型和连续体 模型三种类型，损伤变量的演化方程多为与应变有关的经验公式，或与孔隙比演 化有关，或基于能量势函数的流动，或由室内试验所求。 1 3 3 土体扰动研究 施工对周围土体的影响成为施工扰动。土体受到扰动，其结构受到影响，相 应的物理力学指标都会发生变化，扰动的程度称为扰动度，用d 来表述。徐建 平等( 2 0 0 0 ) 对土体取样扰动的影响研究进行了综述，建立了受取样扰动土体特性 的指标体系，以便对土体取样的扰动程度进行评价。这些土样扰动的研究成果可 以借鉴，但它与土体受施工扰动的影响有着很大的区别。对施工扰动，特别时基 坑开挖所引起的土的工程性质的变化的研究还不是很多。 1 3 3 1 扰动状态概念 扰动状态概念( d i s t u r b e ds t a t ec o n c e p t 缩写为d s c ) 的思想，首先由美国著名 学者c s d e s a i 于1 9 7 4 年提出。在扰动状态概念( d s c ) 中，假定作用力( 如机械 力、热力、环境力等) 7 i 起材料微观结构的扰动，致使材料内部微观结构发生变 化。由于扰动，材料内部的微观结构从( 最初的) 相对完整( r e l a t i v ei n t a c t 缩写为 p d ) 状态，经过一个自调整或自组织过程，达到( 最终的) 完全调整( f u l l ya d j u s t e d 缩写为f a ) 状态( 通常为临界状态) 。在这种自调整或白组织过程中，材料可能包 括导致产生微裂隙的损伤或导致颗粒相对运动的强化，这个扰动过程可用一个函 数d ( 扰动函数) 来描述，通过宏观量测来描述扰动的演化，从而对材料的性状进 行模拟。 扰动状态概念认为材料单元可用相对完整状态和完全调整状态来表示。在作 用力导致的材料变形过程中，材料单元被认为是由随机地处于相对完整状态部分 和完全调整状态部分所组成的混合物，如图1 1 所示。 相对完整状态可用线弹性、弹塑性或其它合适的模型来表示，完全调整状态 则可用临界状态或其它合适的模型来表示，表示材料达到一个恒定能量耗散状 态。实际材料的观测特性可以通过扰动函数，用处于相对完整状态和完全调整状 态的材料的特性来模拟。 第1 章绪论 露 ，= 趸，1 ，、， ：一：r 。、一。童，h t 。蕊 一誓”； 图1 1 土体调整状态示意图 目前，扰动状态概念应用范畴较广，许多材料都利用了扰动状态概念加以描 述，如在不同荷载( 力口载、卸载及循环加载) 作用下，材料的硬化及软化行为、模 拟材料界面的力学行为、砂十液化等。并且此概念现已推7 一应用到混合硅、油砂 以及电子包装材料等特定材料的本构模型中。此外，基于扰动状态概念的相关有 限元分析模型也已建立。 在国外，扰动状态概念较早在土体中得到应用，而围内才刚刚起步。1 9 9 2 年，d e s a i 首先把扰动状态概念用于建立材料的本构模型，之后，相继有些国内 外学者把其应用到无粘性土、粘性土、沥青混凝土、不同上体的界面等，得到了 较好的效果。 彳i 过在他们采用的模型中，都是直接从金属或变形过程中无明显体积应变的 同体材料出发，对于模型中的扰动参数只考虑偏应变的影响，而对于土体这种具 有受力后明显发生体应变的材料，未考虑其体应变的影响。所以在本论文所建立 的扰动状态模型中综合考虑了体应变和剪应变这两个因素的影响并提出了当量 扰动的概念。 1 3 3 2 扰动度 饱和士土样扰动的孔隙水胜力评价理论是建立在h v o r s l e v 提出的概念基础 上，即不排水抗剪强度取决r 原始有效应力状态和含水量。假设土样从原化取出 后，含水量没有发生任何变化，则根据有效应力原理，原位应力的解除应转变为 孔隙水压力的变化。孔隙水j 玉力u p 由f 式计算： 甜，= 一芦 k o a ( 1 一k 。) ( 1 11 ) 式中y 为土的重度；z 为取上的深度；k o 为静止侧压力系数；a 为孔隙水压力系 浙江大学硕士学位论文受扰动土性状室内试验研究邵允铖2 0 0 8 年5 月 数。 扰动指标d 定义为残余孑l 隙水压力u r 与孔隙水压力坳的比值，即： d ：生 “p ( 1 1 2 ) 当d = 1 时，表示土样未被扰动，当d = 0 时，表示土样完全扰动。 l a d d 和l a m b e ( 1 9 6 3 ) 认为饱和土样的不排水模量受扰动的影响最为敏感，可 以利用不排水模量的变化来评价土样受扰动的程度，提出了估算取样扰动度d 的表达式： d ： 垦 二垒! ! 【e 。卜 e 5 。 ( 1 - 1 3 ) 式中历。为实际土样的不排水模量，由试验室测定，其中脚标5 0 表示取应变 达到5 0 破坏应变时的不排水切线模量； e s o 为重塑土样的不排水模量，由试验 室测定。其中脚标5 0 表示取应变达到5 0 破坏应变时的不排水切线模量；阮 为“理想土样 的不排水模量。所谓“理想土样 是指只经受应力解除而没有遭 受任何其它扰动影响的土样。 s c h m e r t m a n n ( 1 9 5 5 ) 提出了一种定量评价取样扰动程度的方法，按下式计算 取样扰动度乃： a e 九2 石 ( 1 - 1 4 ) 式中p 为在压力p 。作用下的力学压缩曲线与实际压缩曲线的孔隙比差值；a e 。 为在压力p 。作用下的力学压缩曲线与完全扰动曲线的孔隙比差值。 从上式可以看出，扰动指数越小，土样受扰动越小。扰动指数变化范围在0 l 之间，根据扰动指数可以进行分类评价。 扰动指数一般大于0 ，只能反映取样扰动引起孔隙比变小的扰动情况，不能 反映出加载和卸载时的扰动工况，也具有一定的局限性，不能全面地描述出各种 第1 章绪论 不同扰动影响下的土体性状的变化情况，因此要找一个更全面、更恰当的扰动度 的定义计算公式，它不仅能反映工程实施中碰到的大部分扰动影响，而且在所定 义的扰动度计算公式的基础上，能定量地反映出由于扰动影响的类型、作用时间 和程度的不同而引起土体物理、力学和渗透指标的变化。 张孟喜1 9 9 9 年根据p g p 空间中类似于土体的破坏面，提出施工扰动度， 其表达式为： 九：一a d ：地鲁掣( 1 - 1 5 )以= 一= 芦= = = = = = = = = 一 1 3j 。d p ；+ g ；+ p ； 。 式中a d 是由施工扰动引起的应力路径平均应力、偏应力和孔隙比变化的矢量 和；d 是按照潜在的应力路径及孔隙比的变化方式计算的从初始状态到破坏曲面 的三个变量的矢量和。 其理论有一个重要的缺陷是在式中把不同量纲的参数放在一起，却没有指出 这样做的理论根据。 徐永福( 2 0 0 0 ) 把施工扰动分为应力扰动和应变扰动两类，根据现场监测结果 研究，定义了一个施工影响度： d ：1 一m e m o ( 1 1 6 ) 式中：m e 、分别为土体受施工扰动影响后和未受施工扰动影响的力学参数。 徐永福等( 2 0 0 2 ) 定义应力扰动比r 为： r ：鱼 g o 式中盛为土体的原位有效应力；万：为受盾构掘进影响后土体的有效应力。 ( 1 1 7 ) 为反映盾构施工引起周围土体的应力扰动程度，定义应力扰动影响度d 为： d = i r ( 1 1 8 ) 式中d 为应力扰动影响度，d 0 , 1 。应力扰动影响度越大，周围土体应力扰动 程度越高；d = 0 ，周围土体没有应力扰动；d = i ，周围土体应力扰动最大，如基 1 4 浙江大学硕士学位论文受扰动土性状室内试验研究邵允铖2 0 0 8 年5 月 坑底面的土体。 1 3 3 3 施工扰动 施工的方式是千变万化、错综复杂的，施工对土体的扰动机理也各不相同， 孙钧等( 2 0 0 4 ，2 0 0 5 ) 对各种工程活动中，土体受施工扰动的诸因素、施工对软土 工程性质的影响及控制方法进行了阐述。 徐永福等( 2 0 0 3 ) 通过盾构施工的现场监测，分析了盾构掘进对周围土体的影 响程度，估算了土体孔隙水压力引起土体不排水强度的降低程度。蒋洪胜、侯学 渊( 2 0 0 3 ) 以上海地铁二号线工程为工程背景，通过在地下污水管道周围的地层中 测定地层的超孔隙水压力和土层的移动( 包括地层的分层沉降以及地层在两个方 向的水平位移) ，研究了在盾构掘进接近、穿越以及远离测孔区3 个施工阶段， 隧道周围不同区域的土层呈现出各自不同的移动特征。 徐日庆、魏纲( 2 0 0 4 ，2 0 0 5 ) 研究了顶管施工引起土体扰动的机理，提出了更 加准确的土体扰动分区图，对某顶管工程进行了现场监测，现场测试结果很好地 验证了土体扰动理论。与此同时，房营光( 2 0 0 3 ) 也对顶管施工的扰动理论进行了 研究。 周火明等( 2 0 0 4 ) 采用岩体声波测试和现场岩体变形试验等手段，研究了三峡 船闸边坡卸荷扰动区范围以及岩体力学性质弱化程度。盛谦( 2 0 0 2 ) 以三峡船闸高 边坡为工程背景，采用多种手段与方法，对高边坡开挖扰动区和工程岩体的力学 特性进行了系统研究与分析。王洪德等( 2 0 0 3 ) 通过对链子崖危岩体防治工程进行 前以及施工过程中的地表绝对位移、裂缝相对位移、钻孔深部位移、岩体应力和 锚索张拉力等监测资料的分析对比，讨论了防治工程施工对链子崖危岩体变形的 影响。 v e s i c ( 1 9 7 2 ) 、胡中雄等( 1 9 8 8 ) 、蒋明镜( 1 9 9 5 ) 及潘林有( 1 9 9 9 ) 等采用+ - t l 扩张 理论对打桩的挤土效应进行了分析，张孟喜等( 2 0 0 4 ) 还通过模型试验，研究了打 桩引起的侧向挤压应力变化，打桩对桩周土体的密实度与变形的影响等扰动特 性，并划分了不同的扰动区域。刘吉福等( 2 0 0 3 ) 按照平面应力问题、应用圆柱孔 扩张理论分析了竖向排水体施工的挤土效应。王立忠等( 2 0 01 ，2 0 0 2 ) 分析了塑料排 水板的施工扰动和打桩对软粘土强度和灵敏度的影响，并从软粘土的强度与深度 的关系出发，讨论了十字板剪切强度的回归方程。 第l 章绪论 基坑的开挖过程是一个动态的过