（岩土工程专业论文）土体结构性弹塑性本构模型研究.pdf

摘要 摘要 首先介绍了考虑土体结构性研究的重要意义，接着介绍了国内外关于结构性土体的研 究现状，并从理论、试验、数值模拟几个方面对结构性土体的基本性质和本构模型进行研 究，提出了可以考虑土体结构性的弹塑性软化及硬化模型。 采用在原料土中掺入水泥的方法，人工制各大孔隙结构性土。对人工制备结构性土样 试验研究表明：人工制备结构性土在固结、变形及应力应变关系等方面与天然土的规律一 致。 根据不同应力路径下等应力比压缩试验的应力应变关系，确定出不同应力路径下结构 性土体的屈服应力，从而确定出模型的初始屈服曲线。 根据不同应力路径下等应力比压缩试验的塑性应变增量来拟合塑性应变增量与应力 状态之间的关系，而无需像经典塑性理论一样假定土体服从正交流动规则； 以塑性功为硬化参数，根据常规三轴排水剪切试验建立结构性弹塑性模型硬化规律。 提出的结构性弹塑性模型是在试验结果的基础上建立起来的，没有经典塑性理论的一 些基本假设，使得模型更加合理。 试验表明，胶结较强的结构性土具有明显的初始屈服面，在初始屈服面内，土体表现 为弹性，超过初始屈服面土体表现为弹塑性。当固结压力低于结构屈服应力时，土体胶结 越强，对应的峰值应力越大，软化越明显；结构完全破损后，应力趋于稳定值，即残余应 力，残余应力值与结构性的强弱无关而与围压大小相关。 此外，介绍了关于应变软化材料有限元数值模拟的一些研究进展，并且介绍了适合应 变软化材料有限元数值模拟的位移控制法。 用所提出的结构性弹塑性软化模型编制了有限元程序，对天然结构性土体地基上的浅 基础问题进行了数值模拟，为了便于比较，还使用了剑桥模型进行了对比计算，分析结果 稳定可靠。 关键词：结构性，胶结，应力路径，本构模型，有限元，应变软化，应变硬化，浅基础 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ei m p o r t a n c eo fr e s e a r c ho nt h es t r u c t u r eo fs o i l i si n t r o d u c e d f i r s t l y a n d t h e nt h e d e v e l o p m e n to fr e s e a r c h o nt h es t r u c t u r eo fs o i li sr e v i e w e d ，f o l l o w e db yt h es t u d yo nt h e f u n d a m e n t a lb e h a v i o r o fs t r u c t u r e ds o i lb a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ld a t a a ne l a s t o p l a s t i c c o n s t i t u t i v em o d e lw h i c hc a l ls i m u l a t et h es t r a i ns o f t e n i n ga n ds t r a i nh a r d e n i n gi sp r e s e n t e d b yp u t t i n gs o m ea m o u n to fc e m e n ti n t os o i ls a m p l e ，s t r u c t u r e ds o i l w i t hm a c r o p o r e si s p r e p a r e d as e r i e so f t e s t sa r ec a r r i e do u to nt h em a r l m a d es t r u c t u r e ds o i ls a m p l e s i ti sc l e a r f r o mt h et e s tr e s u l t st h a tt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fn a t u r a ls t r u c t u r e ds o i l sc a l lb ew e l l d u p l i c a t e db y t h em a l l m a d es t r u c t u r e ds o i l b a s e do nt h e c o m p r e s s i v e t e s to nd i f f e r e n ts t r e s s p a t h s ，t h e i n i t i a l y i e l d i n g c u r v ei s c o n f i r m e db a s eo nt h ey i e l d i n gs t r e s s e so fac e r t a i ns t r e s sp a t h s ，a sw e l la st h ed i r e c t i o no ft h e i n c r e m e n to f p l a s t i c a ls t r a i n p l a s t i c a lw o r ki su s e da s t h e h a r d e n i n gp a r a m e t e r t od e t e r m i n et h e h a r d e n i n g r u l e t h es t r u c t u r e de l a s t o p l a s t i cm o d e li sp r o p o s e db a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ld a t aw i t h o u t s o m e h y p o t h e s i s a st h ec l a s s i c a l p l a s t i c a lt h e o r y ，w h i c h m a k e st h em o d e lm o r er e a s o n a b l e i tc a nb ei n s t r u c t e df r o mt h et e s tt h a tt h es t r u c t u r e ds o i lh a sa ni n i t i a ly i e l d i n gc u r v ei n w h i c hi sc h a r a c t e r i z e db yt h ee l a s t i c a lp r o p e r t i e s w h e nt h ec o n f i n i n gp r e s s u r ei sl e s st h a nt h e y i e l d i n gs t r e s st h ep e a k s t r e s sr i s ea n ds t r a i ns o f t e n i n ga g g r a v a t e sw i t ht h ei n c r e a s eo fc e m e n t ，融 a d d i t i o n ，t h es t r e s st e n d st ob e s i m i l a rw h e nt h ec e m e n ti sd a m a g e dc o m p l e t e l y f u r t h e r m o r et h er e s e a r c ho nt h ef e mm o d e l i n go fs t r a i ns o f t e n i n gm a t e r i a li sr e v i e w e d f o l l o w e d b y t h ei n t r o d u c t i o no faf e m m o d e l i n g b a s e do nt h ed i s p l a c e m e n t c o n t r o l l e dm e t h o d a t y p i c a le x a m p l ef o rt h es h a l l o wb a s eo nt h en a t u r a ls o i l i s a n a l y z e db yt h ep r o p o s e d s t r u c t u r e dm o d e la n dt h a tb yt h ec a m b r i d g em o d e lf o rc o m p a r i s o nw i t hf e m i ti ss h o w e dt h a t t h er e s u l ti sr e l i a b l e k e yw o r d ：s t r u c t u r e ，c e m e n t ，s t r e s sp a t h ，c o n s t i t u t i v em o d e l ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，s t r a i n s o f t e n i n g ，s t r a i nh a r d e n i n g ，s h a l l o wb a s e 第一章绪论 1 1 结构性模型的研究意义 第一章绪论 土体的结构性，是指土体颗粒及孔隙的性状和排列型式( 或称组构) 及颗粒之间的相 互作用( 胶结) 。土体结构性的形成原因是多种多样的，土颗粒的矿物成分、沉积条件及 孔隙水中的化学成分都会影响到土体的结构性。在地层形成以后，由于物理、化学作用， 如次固结、卸荷、风化、徐变、触变及淋洗作用都会改变原来的结构而形成新的结构性。 所以说土的结构性是土的生成条件和环境的自然历史产物。由于成因不同，结构性的强弱 程度及稳定性也有所差异。 工程实践及室内外试验都表明，绝大多数天然土都具有一定的结构性【1 1 2 】，有些土体还 具有很强的结构性，比如湛江粘土口 ，这种结构性对土体性质有强烈的影响。结构性会使 土体具有较大的孔隙比和较高的含水量；应力一应变关系曲线的初始段呈现出明显的弹性 特征；在结构未破坏时具有较强的透水性和较高的固结系数，结构破坏后急剧降低：压缩 曲线具有较高的准先期固结压力o 。，曲线初始段很平缓，超出o 。后出现陡降，并向重塑 土压缩曲线靠近；结构性会使土体强度有明显的增大，结构性越强则土体强度增大越多 3 | 4 。 结构性增大了土体骨架的刚度，呈脆性破坏，其破坏应变较小。在实际工程中，结构性土 会在缺乏预兆的情况下产生突然的破坏【5 1 ：另外，土的结构性是不可逆的，一旦破坏短时 间内很难恢复，从而加大了土体的压缩量，对工程造成不利影响。因此，人们就自然地很 想预估天然土在荷载作用下的变形规律及可能的破坏区域，从而为结构物的设计、地基加 固设计提供依据。t a v e n a s 、l e r o u e i l 6 , 7 1 等人发现，在一定的地面堆载作用下路堤地基的大 量结构破坏和侧向挤出只限于土层的上部，而对于结构性保持完整的土层，现有的理论研 究成果和实测的结果相差甚远( 如图1 所示) ，只有建立考虑结构性的结构性数学模型才 能做出较准确的计算。对于我国广泛分布的深厚结构性软土，考虑到经济上原因，不可能 对整个软土层进行地基处理加固，因而软土下卧层结构性受施工的影响较小，结构保持较 完整。由于埋深较大，排水路径较长，渗透条件差，所以这部分土体固结沉降持续发展的 时间很长，往往会导致地基产生较大的工后沉降和不均匀沉降，影响建筑物的正常安全使 用。因而，就必然要知道考虑结构性后土体受荷的变形规律，以预估结构性土体的固结和 结构物的工后沉降，及对结构荷载和加荷速率提供设计依据。 7 q 海大学硕士论文 尽管人们对结构性这一问题非常重视，土力学的奠基人t e r z a g h i 早在1 9 2 5 年就对土 的微观结构进行了研究，并提出了粘土的“蜂窝状”结构【8 】，但至今仍却缺乏合理的本构 模型来描述它。现有的一些计算都是使用依据重塑土而建立起来的本构模型，其忽略了结 构性这个土力学特性的诸要素中最为重要的一个要素 9 1 ，即使著名的剑桥模型也没有考虑 土体的结构性。因而建立结构性的本构模型变的迫切重要。我国著名学者沈珠江认为土体 结构性数学模型是2 l 世纪土力学研究的核心问题 1 。 图1 路堤地基侧向变形( 摘自赵志远硕士论文) 【“ 1 2 结构性模型的研究现状 土体的结构性与土体形成过程有关，是土体沉积环境、颗粒特性及沉积后各种地质力 作用等各种因素综合作用的产物。从广义上讲，任何土体都可能具有结构性，正常压密土、 超压密土、欠压密土都可能具有结构性，砂土也可能具有结构性 ”1 。 谢定义【l3 】认为，土体结构性研究存在着三大途径。一是由2 0 年代沿袭和发展下来的 微结构形态学的研究方法，试图通过对土体微观结构的研究建立结构性土微观力学模型。 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像处理技术的发展给它的进一 步发展提供了良好的条件，但它在全面描述结构性几何特征和联结特征方面的困难以及测 试技术的复杂性成为了微观研究方法的最大障碍。二是固体力学的研究方法，它努力从数 ， 第一章绪论 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 此推导和反映土体的宏观力学行为。这类研究，有的受到第一种研究方法的启发，出现了 在某些方面的渗透和结合，显示出将微观力学变量和宏观力学变量联系起来建立土体本构 模型的目的；有的受到土力学中揭示规律的影响，带有现代力学发展意义的特色，但在结 构性的表征方式和结构性受到损伤时变化规律的正确反映方面，还很不完善，有很多工作 要做。三是土力学的研究方法，它在长期以来得到了土力学工作者的重视，但它或局限于 说明不同结构性士体具有不同的力学规律，或只针对某些土体的特殊性质而提出某些对症 的表述参数( 如结构强度、先期固结压力、湿陷系数、灵敏度和液化度等) ，从总体上看， 仍然缺乏实质、系统、全面的研究，使对于结构性的研究长期游离于土性规律基本关系研 究之外，但可以认为，这类方法在土体结构性的研究中仍然具有很大的潜力和良好的发展 前景。 总的来说，土体的结构性研究还处于一个较初步的阶段，有许多东西值得去研究，因 此，上述的三种研究途径往往是交织在一起的。 1 2 1 结构性土的微观研究 土体的微观结构最早由t e r z a g h i ( 1 9 2 5 ) 提出，他把粘土颗粒在电解质中由于自重 作用形成的絮凝沉积物结构称为“蜂窝结构”，后来c a s a g r a n d a 1 4 和g o l d s c h m i t ”1 提出了 卡片或书本结构，认为高灵敏性粘土中粘土颗粒是按不稳定的片架结构排列，而低灵敏性 粘土则具有较大的密度和较稳定的排列。这些都是以单个颗粒的几何排列为基础，用于解 释天然沉积土的结构形成作用。l a m b e , 6 3 7 和s e e d 1 8 1 则从压实土着手，强调颗粒定向排 列的作用。这些都是从一般化学原理和土的工程性质的不同表示间接推断。随着科学技术 的发展，光学显微镜、偏光显微镜、x 一射线衍射等技术手段在土微结构观测中得到有效 地应用和推广，陈宗基 ”1 将粘土片状颗粒中的接触方式分为点面接触、边面接触和面面接 触，并把粘土片状颗粒的相互作用形象地绘成三维网格。常宝琦f 2 0 1 提出土体结构是颗粒排 列的规律性和颗粒间联结性质规律性的统称，结构可分为构造和粘聚力两部分，前者纯属 几何特征，后者是土体各相问的作用对颗粒位移的阻力。林崇义【2 ”首次提出黄土受力破坏 是结构的逐渐破坏，土体的结构是土颗粒的性状、表面特征及其相互排列和胶结的情况， 以及骨架抵抗外力、物理化学作用的能力。n k t o v e y r 2 2 1 提出了土体结构的微观图像定量 分析的方法，对于分析微观图像具有重要的意义。y o n g 和m i t c h e l l 吲借助于电子显微镜 1 河海大学硕士论文 及其它测试手段，将单粒结构发展到团粒结构。高国瑞 2 4 , 2 5 1 借助电子显微镜对中国黄土的 微观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，另外对中国海相沉积 土的微观结构与工程力学性质关系进行研究，将中国海相沉积土微观结构划分为十种类 型，并指出不同的微观结构具有不同的工程力学性质。谭罗荣、张海英【2 6 1 应用了偏光显微 镜、扫描电子显微镜和x 射线衍射仪对结构性较强的湛江粘土的组构特征及扁平颗粒的定 向排列特征作了观测和测定，并研究了联结组构单元之间的胶结物质的作用，提出了一种 结构模式用以阐述湛江粘士的特殊性质，建议了湛江粘土结构的形成过程。施祖元【2 7 1 对四 种原状结构性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。吴义祥【2 8 】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做 了定量分析。刘松玉f 2 9 】和刘长礼【3 0 】等则采用了分形几何方法对土体微观结构进行研究。 胡瑞林【3 1 认为土体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，并提出“土体微观结构力学”概念。夏佳等【3 2 1 对现代河漫滩软土固结压缩 时微观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，受荷后结构发生改变，土 体结构中基本单元由无向排列趋于垂直于荷载方向的定向排列。谢定义 3 3 1 借助电镜扫描结 果，认为孔隙分布曲线是定量描述黄土结构的有效方法，可以解释黄土的结构性。陈嘉鸥 弘4 】对珠江三角渊粘土进行研究，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。 1 2 2 土体的结构性数学模型 1 微结构模型 微结构模型中比较著名的有q s i p o v e 3 5 1 归纳的八种类型的微结构模型，以及高国瑞3 5 】 提出的综合分类方案，这些仅用于对土体作定性分析。在定量分析方面，m a t u s o 3 6 1 等引 入基于统计方法的固结过程的结构因子肘，并给出了m 和固结压力p 的关系： m 3 击厄面丽砸丽丽 m = 0 ，1 3 l o g p + o 3 6 式中m 为结构因子，表示颗粒的定向程度；9 表示所观测的第i 组颗粒的倾角；n 为 该组所观测到的颗粒数。 第一章绪论 吴义祥2 8 1 提出了能反映结构强度的结构熵： e = e 排列e 颗粒e 联结 其中e 舞列和e 颗粒都已给出表达式，而e 联镕的表达式至今未见报道。 k r i z e k 3 7 1 通过扫描电镜、偏光显微镜和x 射线等手段综合研究了扁平颗粒的取向， 并将研究结结果与应力0 和应变e 联系起来，表达式为： 庐竺隆! 竺尘 1 + i l n ( o ) 曰( 目) h o e 目：o 式中( p ) 描述了颗粒相对参考轴的取向分布，x ( o ) 和b ( o ) 表示单个颗粒和参考轴之 间的某种力学性质与夹角0 之间的函数关系。 刘松玉提出建立于土工试验基础上的粒度分维表示法： 其中b 为双对数坐标下m ( r ) ( m r ) 的直线段的斜率，而m 为土样的总质量，m ( r ) 为粒径 小于r 的颗粒累计质量。 谢定义给出了一个反映土结构性的定量参数一综合结构势： s 。， 旷罢2 尝2 丁s r a s 式中s 。、s ，和只分别为原状试样、饱和试样和重塑试样在某一压力下的变形量。土体的 联结越强，扰动重塑引起强度的损失越大，在力作用下发生的变形越大，即m ，越小；土 体的排列越不稳定，浸水后在力作用下结构破坏越大，发生的变形也越大，即m ，越大。 2 宏观结构性模型 结构性土受荷时具有明显的初始屈服面，在初始屈服面内，土体结构性基本保持完 整，土体应力应变为弹性，刚度大变形小；在初始屈服面外，土体结构发生大量破损，刚 度急剧降低，力的微小增量会导致变形较大的增长。国外很多学者对结构性土初始屈服面 的形式进行了研究。d i a z r o d r i g u e z 3 9 1 研究了著名的墨西哥城天然粘土初始屈服面，认为 屈服面的形状与土体内摩擦角有关，结构屈服应力与先期固结压力的比值随内摩擦角的增 大而降低。s m i t h 4 0 1 通过控制应力路径的三轴压缩试验研究了b o t h k e n n a r 粘土的屈服性 河海大学硕士论文 质，他把土的性质分成几个边界，并分别研究了在不同边界内土体应力应变关系。g r a h a m 4 1 1 对不同地区的结构性粘土的屈服特性和屈服面的形式做了归纳总结，认为屈服面的形状和 大小与的沉积环境、各向异性和应力历史有关；并且可以使用天然土k 。压缩试验的前期 固结压力对屈服应力进行归一，得到统一的屈服面，此屈服面在t s f ( 口- + p t 一盯 坐标面下关于k o 线( 单向压缩应力路径) 对称，在p g 坐标 面下没有对称性质。n a g a r a j 叫对天然灵敏性粘土进行了研究，认为其压缩曲线在e l o g p 坐标面下可分成三段，第一段为水平线；第二段为一陡降曲线可用下列经验曲线拟合， e = x ( 1 0 9 0 - ) ”+ 占 式中a ，b 和1 3 为三个经验系数；第三段与重塑土的压缩曲线重合；并提出了扰动试样压 缩曲线的校正办法和一个评介试样扰动的参数，另外还给出了一个确定现场无扰动试样屈 服应力的经验公式。w o n g 4 3 1 研究了灵敏性胶结粘土屈服前后的力学性质，给出了屈服面 的形式，并根据非正交流动法则推导了一个硬化结构性本构模型。l i u e 4 4 1 根据多种结构性 土的等向压缩曲线，定义了一个结构性土压缩曲线公式： a e = a e i ( = 芝) 6 p p y f p a e i 为初始屈服( p ，_ p ；f ) 时结构性土压缩曲线与重塑土压缩曲线孔隙比之差，b 为反 映结构破损速率的定量参数。随后“u 【4 5 1 又根据结构性土压缩公式在剑桥模型的基础上推 导出个反映土体结构性的弹塑性本构模型，并研究了模型参数的敏感性。r o u a i n i a 4 6 1 和 k a v v a d a s 4 7 1 提出了两个相似的结构性边界面模型，通过边界面的变化来模拟土体结构的 变化，具有较强反映结构性的能力，但使用的参数复杂，没有明确的物理意义，参数取值 也较困难。f u s a oo k a l 4 8 1 仿照内时理论，建立了一个用应力张量、应力历史张量和内变量 描述的弹塑性本构模型，试图模拟结构性粘土的应变“硬化型”和“软化型”应力应变关 系，但它只能模拟出其中的一种，主要模型参数随应力路径不同而不同，且参数的确定也 是一个问题。 国内学者以沈珠江为代表也着手建立反映土体结构性的本构模型。苗天德4 9 1 根据黄土 的扫描电子显微镜观察结果和土力学试验结果，提出湿陷变形是由于黄土微结构失稳造成 的，利用突变理论建立了湿陷性黄土的微结构失稳模型，并根据现代联系介质力学方法推 导出了湿陷性黄土的本构关系。谢定义5 0 h 哿结构性定量化参数引入土的变形本构关系和强 第一章绪论 度本构关系，得到了以综合结构势为基础的土的变形一强度本构关系。雷华阳1 通过对天 津市欠固结海积软土的大量试验，引入了一个反映结构变化的结构定量参数，建立了结构 定量参数与力学参数之间的关系，并提出了一种综合考虑结构性影响的应力应变关系。饶 为国 5 2 】把反映结构性的一个定量化参数综合结构势引入到剑桥模型中，得到了一个可 以反映土体结构性的修正模型。沈珠江酬根据稳定状态原理提出的广义吸力的概念【5 4 ，把 一切增加颗粒间抗滑阻力的因素统称为广义吸力，通过广义吸力把饱和土的有效应力原理 推广为广义有效应力原理，并在此基础上提出了应变软化( 减压软化，剪胀软化，损伤软 化) 材料的广义孔隙压力模型。 沈珠江【5 5 1 率先把损伤力学应用于土体，认为天然结构性土的逐渐破损是从原状土逐渐 向扰动土的变化过程。随后又提出了结构性粘土的弹塑性损伤模型5 6 埽口非线性损伤力学模 型【5 ”，认为从开始加荷到最后破坏，土体结构将发生改变，如果把初始状态的原状土当作 一种材料，完全破坏以后的土体当作另一种材料，则变形过程中的土体可以看作原状土和 损伤土两种材料的复合体，把损伤土所占的比重。称为损伤比，则土体变形过程中的结 构变化可以用损伤演化规律来描述。外荷载由原状土和损伤土共同承担： 扫) = ( 1 一国) 口f ) + 国 盯d ) 式中 q 和 ) 分别为原状土和损伤土应力，损伤比m 随体积应变旬和剪切应 变s 5 增大而增大，建议采用下列规律：w = 卜e x p ( 一d 占。- b e s ) 随后沈珠江f 5 8 】院士又提出了结构性粘土堆砌体模型，该模型认为天然粘土颗粒之间的 胶结强度是不一样的，内部存在胶结比较弱的面或带，如像砖墙的灰缝或岩石的节理。荷载 增大到一定程度后，薄弱处先发生破损，如像砖墙先沿灰缝发生裂缝一样。裂缝之间为保持 完好的小块体或团粒。随着荷载的进一步增大，小土块逐步破裂成更小的土块。由此可以 推论，土的总应变将由团粒的弹性应变，团粒之间滑移引起的塑性应变和团粒破碎引起的 损伤应变三部分所组成。如果采用正交流动法则，则相应的应力应变关系可以写为： a s = c l o j + a p ， n ， + a dz x g n 。 其中 c 】为弹性柔度矩阵；爿。和爿。分别为塑性系数和损伤系数，即v 和g 增加一 个单位时引起的塑性应变增量； n ， 和 n 。 代表塑性应变增量方向。 近来，沈珠江院士又提出了一个岩土力学分析的新理论：岩土破损力学。它把岩土 材料抽象成由结构体和结构面( 结构块和结构带) 组成的双重介质材料，并把研究的焦点 河海大学碗土论文 由均匀的基质体内存在裂缝、空洞等虚体的扩展转向不均匀的结构体( 实体) 的破损；完 全破碎以后的岩土材料不再看作失效材料，而只是劣化的仍然能承受一定荷载的散粒体材 料。 土的结构性研究与工程实践存在较大的距离，沈珠江【6 。】认为正确的研究方向应是走 宏观与微观相结合的道路，弄清土体变形的微观机理，并以此为纽带，把应力应变联系起 来，重建土的本构关系，核心问题是建立土体的结构性数学模型。从结构性的观点出发， 不应把土体看作具有固定变形模量和强度指标的材料，只能认为原状土在剐开始受力时有 一定的模量，其结构完全破坏时有一定的强度，而受力的中间过程则是从原状土向重塑土 逐渐转化。 1 3本文的主要研究工作 本文的主要内容包括： 1 利用人工制备的结构性土试样进行了常规三轴排水剪切试验、单向压缩试验、等向压 缩试验、等应力比压缩试验，揭示了结构性土体的固结、变形及应力应变关系特征； 2 在试验的基础上，提出了结构性土体的结构性应变软化和应变硬化弹塑性模型； 3 介绍了应变软化材料的有限元数值分析方法： 4 用结构性弹塑性软化模型对天然地基浅基础问题进行有限元分析且与剑桥模型计算结 果进行比较分析。 第二章结构性土人工制备方法及其基本性质研究 第二章结构性土人工制备方法及其基本性质研究 2 1 结构性土的人工制备 l ，概述 绝大多数天然土都具有结构性。正由于土体的结构性，要从现场取得大量同样力学 性状的未扰动结构性土样是极其困难的。取样时的机械扰动，如土样与取土器产生的摩 擦或在外力作用下的变形、应力释放和温度变化对试样的扰动以及土样取样后运输、储 藏和切样造成的人为扰动6 ”都会破坏土的结构，这些都会对土体结构性研究带来很大的 困难。如果能在室内制备出力学特性与现场相同的结构性试样，则对结构性的研究无疑 具有重大的意义。 考虑到天然结构性土取样和试验的变异性，有很多国内外学者对结构性土的人工试 验室制备进行了研究。国内外很多学者采用掺入胶结材料，如波特兰水泥、石膏或石灰 来模拟颗粒间胶结的办法来制备结构性试样，并通过试验研究发现，人工制备结构性试 样的性质和现场的结构性试样具有一致的特性6 2 _ 7 0 1 r o t t a ( 2 0 0 3 ) 7 1 1 提出，在不同围压下形成胶结，制各结构性试样来模拟现场不同 深度孔隙比的变化。试样在很短的时间内( 不到l 小时) 配样和装样，使得水泥来不及初 凝，然后把试样在不同围压下固结4 8 d , 时，使试样在胶结过程中产生不同孔隙比来模拟 现场不同深度的结构性土。蒋明镜、沈珠江 7 2 3 通过在原料软土中掺入微量水泥和冰粒的 方法人工设定化学胶结和大孔隙组构，水泥本身的水化物和水泥与土硬凝反应所产生的 水化物模拟颗粒间的胶结作用，冰粒融化后形成大孔隙模拟颗粒间的组构，两者结合模 拟天然结构性粘土。 2 试验试样制备 试验采用粉质粘土，风干后过0 5 m m 的筛子，称为原料土。为模拟天然结构性土体 的大孑l 隙特性，试样制备时控制原料土干密度为1 2 9 c m3 。采用击样法制样，分别加入 原料土质量的2 、5 、1 0 普通硅酸盐水泥，分三层与原料土伴匀后击实，然后放在 饱和缸中抽气饱和，在水中养护6 天，再抽气养护一天，制成具有结构性大孔隙土样。 原料土的颗分曲线和物理性质指标分别如图2 1 、表2 1 所示。 河海大学硕士论文 1 0 0 皿咄8 0 蜒 刊6 0 受 4 0 媒 竺2 0 0 表2 1原料土的物理性质指标 o 10 o l0 0 0 1 土粒直径( m m ) 图2 i 土体颗分曲线 液限塑限塑性指数土粒比重不均匀系数曲率系数 ( )( ) ( g m3 ) 2 7 31 9 38 o2 6 91 6 8l i5 2 2 试验内容及试验方法 7 3 1 单向压缩试验 环刀尺寸内径为6 1 8m m ，高度为2 0 i n t o ，加荷速率为1 ：l ，荷载等级分别为2 5k p a 、 5 0k p a 、1 0 0k p a 、2 0 0k p a 、4 0 0k p a 、8 0 0k p a 、1 6 0 0k p a ，施加每一级荷载后，按6 s 、 1 5 s 、i m i n 、2 m i n l 5 s 、4 m i n 、6 m i n l 5 s 、9 m i n 、1 2 m i n l 5 s 、1 6 m i n 、2 0 m i n l 5 s 、2 5 m i n 、 3 0 m i n l 5 s 、3 6 m i n 、4 2 m i n l 5 s 、4 9 m i n 、6 4 m i n 、i o o m i n 、2 0 0 m i n 、4 0 0 m i n 、2 3 h 、2 4 h 记 录试样高度的变化。以2 4 h 后记录试样高度变化作为固结稳定标准。 2 等向压缩及回弹试验 采用三轴圆柱试样，试样直径为6 1 8m i l l ，高度为1 2 5m m ，试样在围压作用下固结 排水。对于等向压缩试验，围压大小分别为2 5 k p a 、5 0k p a 、7 5k p a 、1 0 0k p a 、1 5 0k p a 、 2 0 0k p a 、2 5 0k p a 、3 0 0k p a 、4 0 0k p a 、5 0 0k p a ，测记每级围压作用下固结稳定时的 排水量。回弹试验和压缩试验同时进行，分别在围压大小为2 5 k p a 、5 0k p a 、7 5k p a 、 1 0 第二漳结构性土人工制各方法及其基本性质研究 t 0 0k p a 、2 0 0k p a 、3 0 0k p a 、4 0 0k p a 、5 0 0k p a 时卸荷，固结稳定后记录排出水量。 3 无侧限压缩实验 采用三轴圆柱试样，试样直径为6 1 ，8m 爪，高度为1 2 5m ，试样两端及试样周围涂 抹一层薄凡士林，试样剪切速率为2 0m m m i n ，通过计算机采集每次试验的轴向变形、 轴向压力。 4 三轴排水剪切试验 采用三轴圆柱试样，试样直径为6 1 8m m ，高度为1 2 5m m ，试样在某一围压o - ，下 固结排水后，进行排水剪切，剪切速率为0 0 2 4m m m i n 。围压分别取为2 5 k p a 、5 0k p a 、 1 0 0k p a 、1 5 0k p a 、2 0 0k p a 、3 0 0k p a 、4 0 0k p a ，通过计算机采集每次试验的轴向变 形、轴向压力、排水管读数。 5 等应力比( 应力路径) 压缩试验 采用三轴圆柱试样，试样直径为6 1 - 8m i l l ，高度为1 2 5f i l m ，同时施加围压和轴向压 力，并使得轴向应力和围压比值保持为一常数，即1 1 ：n a t 。围压每次增加1 0k p a ， 口3 轴向压力根据应力比计算得到。试验加荷的应力比7 7 ( = 里) 分别为0 2 9 5 、0 5 3 6 、 p 0 7 3 9 、0 9 1 、1 1 8 5 、1 3 9 7 、1 5 6 4 、1 9 0 6 ，每级荷载作用下固结稳定后记录轴向变 形和排水管读数。 2 3 结构性土的应力变形特性 1 压缩性质 天然软粘土的孔隙比往往要比同垂直压力下的重塑土的孔隙比高出o 2 o 4 7 钔。 从这一点看，天然粘土似乎都是欠固结土。事实当然不是如此。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。根据大量取自 不同深度的天然土样孔隙比与上覆压力的统计结果，b u r l a n d 2 1 提供了表征天然沉积土 压缩过程的沉积压缩曲线( s c l ) ，如图2 2 所示。此图下方的一条所谓的固有压缩曲线 ( i c l ) 是指重塑土在含水量为( 液限) 与1 5w f 之间( 一般取1 2 5 ) 的单向压缩曲 线。图2 3 、图2 4 分别为湛江粘土和人工制各结构性土单向压缩曲线，由图可以看出， 河海大学硕士论文 人工制备结构性土和天然结构性土压缩特性具有一致的规律。 图2 2 天然土的沉积压缩曲线图2 3 湛江粘土单向压缩试验【3 1 4 1 3 1 2 1 1 1 o 9 0 8 11 01 0 01 0 0 0 1 0 0 0 0 p ( k p a ) 图2 4 人工制备结构性土单向压缩试验 另外，从图2 3 、图2 4 可以看出，结构性土压缩曲线可以分为三个阶段。第一阶 段土体承受的荷载较小，土体结构保持较完整，土体颗粒之间的胶结发挥着重要作用， 土体主要是初始结构的自我调整，变形很小；第二阶段当荷载超过土体结构屈服应力时， 此时土体颗粒间的胶结力已经不足以承受外荷载，土体结构发生大量破损，这时土体变 形除了颗粒间的滑移外，还伴随着结构的塌陷，相应的土体压缩性要远远大于重塑土的 压缩性。在不排水条件下，此时必然会产生孔隙压力的急剧上升。由于原来由骨架承受 第二章结构眭土人工制各方法及其基本洼质研究 的一部分应力转嫁到孔隙水上，孔隙压力系数县= 锣咯盯一甚至可能大于l 。由于b 1 ，在 荷载增加的同时有效应力不增加甚至减少，原位压缩曲线大体上成为垂直线。这时候土 体的变形主要是剪切变形，所以伴随着大量的水平位移；到了第三阶段土的性质已接近 重塑土，颗粒间的滑移成为变形的主要原因，压缩曲线开始趋向于重塑土的压缩曲线。 2 固结性质 天然结构性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。图2 5 、图2 6 分别为未扰动的及重塑的湛江粘土和人工制 备结构性土的固结系数c 。与固结压力p 的关系曲线。由图可以看出，人工制备结构性 土和天然结构性土固结特性也具有一致的规律。当固结压力低于结构屈服应力时，固结 系数c 。要比相同固结压力下的重塑土的圃结系数大的多，且基本保持为常数；当固 结压力接近屈服应力时，固结系数c 1 急剧下降，最后趋于重塑样的固结系数。 1 01 0 01 0 0 0 p ( k p a ) 图2 5 湛江粘土的c ，一l o g p 曲线p 1图2 6 人工制备结构性试样c 。l o g p 曲线 3 应力应变关系 对于结构性较弱的土体( 水泥含量为2 的人工制各试样) ，其屈服应力较小，其应 力应变关系多为双曲线关系，剪应力随剪应变的增大而增大，当应力达到峰值后，试样 处于完全塑性状态，应力值与应变值无关，如图2 7 所示。 对结构性较强的土体( 水泥含量为5 、1 0 的人工制备试样) ，在固结压力小于土 体屈服应力时，在应变较低时，应力迅速增大，应力应变呈弹性关系，之后结构性开始 0 8 6 4 2 0 一n5毛_【一3 河海大学硕士论文 破损，应力应变关系曲线逐渐弯曲，由于此阶段结构破损较小，土体压密对强度的增大 较结构破损对强度的减小占优势，因而土体应力随应变的增加而增大，一直达到峰值； 超过峰值后，结构开始大量破损，此时结构破损对强度的减小较土体压密对强度的增大 占优势，因而土体应力随应变的增而减少，最终结构完全破损，应力趋于稳定指，即残 余应力。当固结应力高于结构的屈服应力时，土体结构在固结时就发生大量破损，土体 应力应变关系呈双曲线关系，不存在明显得初始线弹性阶段。其应力应变关系曲线如图 2 8 、图2 9 所示。 李作勤( 1 9 8 2 ) 1 2 】、t a v e n a s ( 1 9 7 7 ) 7 5 1 等学者的研究表明：对结构性较强的粘土， 当固结压力高于结构屈服应力时，应力应变关系呈应变硬化型；当固结压力低于结构屈 服压力时，应力应变关系呈应变软化型，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。 对于具有相同胶结强度的结构性土( 如图2 8 、图2 9 所示) ，当围压低于结构屈服 应力时，随着围压的增大，峰值应力和残余应力都相应增大，软化趋势变弱，峰值应力 对应的剪切应变增大；当围压高于屈服应力时，应力随剪应变增大而增大，最后达到极 限状态。 051 01 52 0 。( ) 图2 7 人工制备结构性试样( 水泥含量2 ) 排水剪切试验应力应变关系 喜咖垂耋枷湖删。 第二章鲇构性土人工制备方法及其基本性质研究 051 01 52 0 a ( ) 图2 8 人工制备结构性试样( 水泥含量5 ) 排水剪切试验应力应变关系 1 2 0 0 生1 0 0 0 78 0 0 。6 0 0 4 0 0 2 0 0 0 01 015 a ( ) 图2 9 人q - 带, j 各结构性试样( 水泥含量l o ) 排水剪切试验应力应变关系 本文还研究了具有不同胶结强度的结构性土的应力应变关系( 如图2 1 0 2 1 3 所 示) ，发现结构性增大了土体的刚度；当固结压力低于结构屈服应力时，土体胶结越强， 对应的峰值应力越大，软化越明显：结构完全破损后，应力趋于稳定值，即残余应力， 残余应力值与结构性的强弱无关而与围压大小相关。当圃压高于屈服应力时，应力随剪 应变增大而增大，应力应变关系为双曲线关系。 0 咖 渤 批 枷 。 亩乱兰n o i h b 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 o 0 河海大学硕士论文 5 2 _ 5 l o 1 5 a ( ) 图2 1 0 不同水泥含量人工制备结构性试样排水剪切试验应力应变关系( o3 = 5 0k p a ) 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 0 -_ 5 2 _ 5 1 0 a ( ) 图2 1 1 不同水泥含量人工制备结构性试样排水剪切试验应力应变关系( o3 1 0 0k p a ) 严 -_ z 一一 05 l o 2 - 5 1 0 2 0 图2 1 2 不同水泥含量人工制备结构性试样排水剪切试验应力应变关系( o3 = 2 0 0k p a ) 6 ：1 谳 _ “ 。 一厶_ 慧 p 一羔 忿， 苟l号ol一。 k彳 ( 官m 荸n 0 1 一o - - _ “ 一一二 。卅 ， m m 咖珊啪啪蝴湖猢o 一日乱_)o i _ o 、) ，l 5 a l 第二章结构性土人工制备方法及其基本陛质研究 o 2 i5 1 0 a ( ) 图2 1 3 不同水泥含量人工制备结构性试样排水剪切试验应力应变关系( o3 = 4 0 0k p a ) 4 初始屈服( 结构破损) 前土体力学性质 结构性土具有明显的初始屈服面，在初始屈服面内，土体表现出一定的弹性非线性 性质，弹性模量受胶结强度的影响较小，而围压对弹性模量有一定影响，围压越大，弹 性模量越大。不同胶结强度及不同围压下初始弹性模量如表1 所示。 w o n g 4 3 】对胶结粘土屈服前的力学性质进行了研究，发现土体在屈服之前表现为拟 弹性，他认为土体在屈服之前的性质可以用非线性弹性来模拟，可以通过弹性模量( e ，) 和泊松比( v ) 两个独立的参数来反映土体性质。通过不同应力路径下的排水剪切试验 得出，较低的围压下土体弹性模量较低，围压接近屈服应力时，由于土体颗粒间一些胶 结已经开始破损，土体抵抗外力的能力开始降低，因而得到的弹性模量也较低。 表1结构性土初始弹性模量 水泥含量初始弹性模量初始弹性模量初始弹性模量 ( )( o3 = 2 5k p a )( o3 = 5 0 k p a )( o3 = 1 0 0 k p a ) ( m p a )( m p a )( m p a ) 5 2 5 53 2 43 5 9 1 0 2 7 83 4 43 9 2 o o o o 心旧0黜啪伽黜。 苟l 专n o l _ 【。 河海大学硕士论文 本章采用在原料土中掺入不同含量的水泥的方法，模拟具有不