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浙江大学硕士学位论文 扰动土及其量化指标黄斌2 0 0 6 年2 月 摘要 工程实施过程中，土体或多或少的都会受到扰动，受到扰动的土体其性状 会不断发生变化，通常测定的物理参数、力学参数和渗透参数只能反映某一状 态下的性状。本文试图通过扰动理论来描述不同状态下的土体，充分考虑土的 物理性态变化与应力状态变化对土体力学性质的影响。 本文主要工作和研究成果如下： ( 1 ) 定义了一个扰动的概念：土体受到外界影响发生性状改变称为扰动。 扰动的程度称为扰动度。扰动包括土体强化与土体软化两个方面，损伤可归结 为土体软化扰动。 ( 2 ) 对d e s a i 提出的扰动状态概念进行修改，建立了反映土体的物理性质、 应力状态的扰动度定义，由三轴剪切试验和固结试验结果推导出扰动度的具体 表达式，提出一个既能反映土体强化又能反映土体软化的通用扰动度表达式。 ( 3 ) 将扰动度应用到非极限状态土压力中，用扰动度较好地解释了平动位 移模式下的土压力分布。 ( 4 ) 建立了初始切线模量与围压、超固结比、初始孔隙比之间的关系式， 并通过三轴试验进行验证。然后通过扰动度建立了切线模量与初始切线模量之 间的关系式。 ( 5 ) 通过扰动度修正了本构方程中的各力学参数，将扰动度成功地引入土 体本构模型中，建立了扰动本构模型，充分考虑了各力学参数在全过程中的变 化。 关键词：扰动；扰动度；非极限状态土压力；初始切线模量；切线模量：扰动 本构模型 摘要 a b s t r a c t d u r i n gt h ep r o c e s s i n go fc o n s t r u c t i o n ，t h es o i l i sd i s t u r b e dm o r eo rl e s s ，i t s s t a t ei sc h a n g e dc o n t i n u a l l y t h ep h y s i c a lp a r a m e t e r , m e c h a n i c a lp a r a m e t e ra n d i n f i l t r a t i o np a r a m e t e rt h a ta r eu s u a l l yd e t e r m i n e dc a no n l yr e f l e c tt h ep r o p e r t i e si na c e r t a i ns t a t e s o i li nd i f f e r e n ts t a t e sw a se x p r e s s e di nt h et e x tt h r o u g ht h e o r yo f d i s t u r b a n c e ，a n di ti sn e c e s s a r yt oc o n s i d e rp h y s i c ss t a t ea n d s t r e s ss t a t eo ft h es o i l t h em a j o rw o r k sa n dr e s u l t so ft h i sd i s s e r t a t i o nw e r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h i st e x th a sd e f i n e dac o n c e p to fd i s t u r b a n c e ：w h e ns o i li si n f l u e n c e db y e x t e r n a lf a c t o li t sp r o p e r t yh a sc h a n g e d t h a ti ss o i ld i s t u r b a n c e t h ei n t e n s i t yo f t l l ed i s t u r b a n c ei sc a l l e dt h ed i s t u r b a n c e d e g r e e d i s t u r b a n c e i n c l u d e ss o i l s t r e n g t h e n i n ga n ds o i ls o f t e n i n g ，a n ds o i ld a m a g ei sas o f t e n i n gd i s t u r b a n c e ( 2 ) t h ed i s t u r b a n c e s t a t ec o n c e p tt h a td e s a ip u tf o r w a r dw a sm o d i f i e d ，a n d d i s t u r b a n c ed e g r e ew h i c hr e f l e c tt h ep h y s i c a lp r o p e r t ya n ds t r e s ss t a t ew a ss e tu p a n dt h ed i s t u r b a n c ed e g r e ee x p r e s s i o nw a sf o u n d e dt h r o u g hc o n s o l i d a t i o nt e s ta n d t r i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t t h e ni ti sp r o p o s e dad i s t u r b a n c ed e g r e ee x p r e s s i o nw h i c h c a nr e f l e c tt h es o i ls t r e n g t h e n i n ga sw e l la st h es o i ld a m a g i n g ( 3 ) d i s t u r b a n c ed e g r e ew a sa p p l i e d t oe a r t hp r e s s u r eu n d e rn o n - l i m i ts t a t e a n d b y t h ed i s t u r b a n c e d e g r e ei t h a s e x p l a i n e dt h e e a r t hp r e s s u r ed i s t r i b u t i o no f t r a n s l a t i o nm o v e m e n tm o d ew e l l ( 4 ) t h er e l a t i o n sb e t w e e ni n i t i a lt a n g e n t i a lm o d u l u s ，c o n f i n i n gp r e s s u r e ， o v e r c o n s o l i d a t i o nr a t i oa n di n i t i a lv o i dr a t i ow e r ed e d u c e d ，a n dw e r ep r o v e d t h r o u g ht r i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t a n dt h er e l a t i o nb e t w e e nt a n g e n t i a lm o d u l u sa n d i n i t i a lt a n g e n t i a lm o d u l u st h r o u g ht h ed i s t u r b a n c ed e g r e ew a sf o u n d e d ( 5 ) t h r o u g hd i s t u r b a n c ed e g r e e ，e a c hm e c h a n i c a lp a r a m e t e ro fc o n s t i t u t i v e e q u a t i o n si sm o d i f i e d i t i ss u c c e s s f u li nl e a d i n gt h ed i s t u r b a n c ed e g r e ei ns o i l c o n s t i t u t i v em o d e l ，ad i s t u r b a n c ec o n s t i t u t i v em o d e lw a sf o u n d e d ，a n di th a v ef u l l y c o n s i d e r e dt h ec h a n g eo fe a c hm e c h a n i c a lp a r a m e t e ri nt h ew h o l ec o u r s e k e yw o r d ：d i s t u r b a n c e ；d e g r e eo fd i s t u r b a n c e ；e a r t hp r e s s u r e i nn o n l i m i ts t a t e ； i n i t i a lt a n g e n t i a lm o d u l u s ；t a n g e n t i a lm o d u l u s ；d i s t u r b a n c ec o n s t i t u t i v em o d e l i i 浙江大学硕士学位论文扰动土及其量化指标黄斌2 0 0 6 年2 月 1 1 引言 第一章绪论 土不同于金属材料，金属材料是工厂生产的，而土是自然历史的产物。工 程用土与金属材料在结构形式上有很大的区别。土体是多相体，有固相、液相 和气相，饱和土只存在固相和液相，干土只有固相和气相，这决定了土体性质 的特殊性。不同种类土其颗粒大小和矿物成分差别极大，组成土的三相物质性 质、相对含量及其结构特征等因素，对土的密度、松密、干湿及软硬程度等物 理性质、力学性质有着决定性的作用。在工程实施过程中，土的状态不断发生 变化，通常测定的物理参数、渗透参数和力学参数只能反映某一状态下的性状， 为了充分反映土的全过程性状，必须考虑它在全过程中的变化。 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 态的变化等。这些因素变化会导致土性状的变化，描述土性状的物理参数、渗 透参数和力学参数也将发生改变。 岩土体的变形和稳定问题是岩土工程领域的两个根本问题，围绕这两问题 相应发展了许多理论，它们在不同程度上指导了岩土工程实践。但随着土木工 程的功能化、城市的立体化、交通的高速化，对软土的变形、稳定预测及控制 提出了更高的要求，如何发展和完善软土变形、稳定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，到目前已经约有数百个土的本构模型，这些模型在岩土工程数值 分析中均得到了相关的应用和验证。之所以会出现这么多的本构模型，一方面 反映问题重要性，引得众多的学者不遗余力地去研究与开发，另一方面也说明 问题的复杂性，现有的本构模型总存在这样或那样的问题，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， 第一章绪论 或是直接借用某些简单的材料( 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，这已经成为目前土力学研究中 十分重要而紧迫的问题。 过去在研究本构模型时建立了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 ，lm l i 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。本文主要针对我省软土地区代表性的饱和软粘 土和非饱和砂性土在受施工扰动影响下的物理、力学和渗透性质的变化进行试 验研究，并与天然状态土的性质进行对比。拟将受扰动影响后的土的应力状态 及达到这种状态的应力路径作为初始条件，建立不同初始条件下土的应力一应 变关系曲线、强度指标、渗透固结指标、流变指标等。本文引入了扰动度这个 概念，建立软土的非线性弹性扰动状态模型。 1 2 土体扰动介绍 按照扰动的形式不同土体扰动大致可分为取样扰动与施工扰动。 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 研究领域内一个及其困难的课题。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 浙江大学硕士学位论文 扰动土及其量化指标黄斌2 0 0 6 年2 月 面张力代替，这样使孔隙水承受负压，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，而人为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： 应力状态的改变； 含水量及孔隙比的变化： 土体结构性部分破坏； 化学成分分离与混合； 土体成分分离与混合； 土体压密状态或固结状态的改变； 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。 1 3 土体扰动研究现状 关于土体受扰动后的土体性状变化的研究，学者们从下面三个专题进行研 究探索，分别是土体结构性研究、土体损伤研究、土体扰动研究，这三个专题 互相交叉，又互相有区别，下面分别对三个专题研究现状进行简介，而本文的 重点是第三个专题即土体扰动研究。 1 3 1 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。从广义上讲，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和 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 第一章绪论 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基本是建立在对重塑土 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，是土体结构性研究的初步阶段的标志。 一直到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。 1 9 8 5 年至现阶段，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结构性的参数，直接建立土体结构性与工 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： 驴等 q 一。 式中瓯，s 。，s ，分别为原状样、饱和样和重塑样在某一压力下的变形量。 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，并导致土 体体积单元破坏的现象。 4 浙江大学硕士学位论文扰动土及其量化指标黄斌2 0 0 6 年2 月 卡恰诺夫( k a e 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应用来模 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。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，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 的本构关系。其损伤变量为： d ：尘：尘丝( 1 _ 2 ) aa 式中彳为材料的初始横截面积；彳为受损后其损伤面积( 包括微裂隙和空隙) ； j 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”描述材料的力学性质的要求，正好为 这一问题的解决提供了理论的准备。 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) 。现实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。 沈珠江、孙林、施建勇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在我国研 究比较活跃，国外的报道比较少。 孙红，赵锡宏等( 1 9 9 9 ) 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： i 、p a h , k ：后y “智巨( 1 一d f ) ( 1 3 ) 【口= a ( p p a ) 式中穰为土层中心高程处的附加应力；红为土层厚度；e 为初始弹性模量； 口为损伤变量；k 为综合位移系数：a 为材料参数；以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， 第一章绪论 土体没有发生损伤，压缩变形小，应取相应的压缩指标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e 。 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 ：鱼兰( 1 - - 4 ) e o e s 式中e 为现有孔隙比；为初始孔隙比；e s 为稳定孔隙比。 损伤演化规律采用 q = q o + ( q m - q o ) 4 - 2 1 n ( 1 一d ) ( 1 - - 5 ) 式中g 为等效损伤力；q 。为初始损伤力。 d e s a i ( 19 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直剪试验，在复合体的理 论基础上建立粗糙接触面损伤力学本构模型，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，设损伤状态 变量为： d = 1 一e x p f _ 口r ) ( 1 6 ) 式中a ，b 为与粗糙度线相关的参数，与正应力无关：s ? 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： d ：1 一鱼( 1 _ 7 ) 巨 式中e 无损伤扰动时的模量： e 。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 这里提出一个扰动的概念：土体受到外界影响发生性状改变称为扰动。扰 动的程度称为扰动度，用d 来表述。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，用什么指标来体现这种变化，是研究的重点。 6 浙江大学硕士学位论文扰动土及其量化指标 黄斌2 0 0 6 年2 月 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 ) d ? ，假定作用力( 如机 械力、热力、环境力等) 引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r i ) 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 y a d j u s t e d 缩写为f a ) 状态( 通常为临界状态) 。在这种自调整或自组织过程中材料 有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 可通过一个函数d ( 扰动函数) 来描述，可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。 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。 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( a n 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、砂土液化等。并且此概念现已推广应用到混合硅、 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，扰动状态概念己在土体中较早得到应用，而在国内才刚刚起步。 19 9 2 年，d e s a i 首先把扰动状态概念用来建立材料的本构模型，并相继有些国 外学者把其应用到无粘性土、粘性土、不同土体的界面等，得到了较好的效果。 1 3 3 2 扰动度的定义 l a d d 和l a m b e 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： rf1f d = 墨上塑 ( 1 8 ) e 卜 式中巨。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 第一章绪论 达到5 0 破坏应变时的不排水切线模量； e 。】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； e 】“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 计算取样扰动指数，d ： ，。= 卫( 1 9 ) “ e o e l 式中土样初始孔隙比； p 实际压缩曲线上，前期固结压力p ，所对应的孔隙比； e l 完全重塑压缩曲线上，前期固结压力砩所对应的孔隙比。 从公式( 1 - - 9 ) 可看出，扰动指数越小，土样受扰动越小。扰动指数变化 范围在0 1 之间。根据扰动指数可以进行分类评价，见表1 1 。 表l 一1 扰动指数分类评价标准 扰动指数厶 扰动程度 0 7 0非常大扰动( 重塑) 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扰动工况，也具有一定的局限性，不能全面地描述出各 种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 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对土体物理、力学和渗透指标产生的变化。 钱德拉s 德赛( c h a n d r as d e s a i ) ( 1 9 7 4 ) 提出扰动状态概念( d i s t u r b e ds t a t e c o n c e p t ，d s c ) ，德赛的扰动因子包含的因素广泛，一般可表示为 d = d ( f ，p o ，p o ，r ，t ，f ) ( 1 1 0 ) 式中f 为应力应变历史参数，可用塑性应变或塑性功的轨迹表示；p o 为初始 密度；p o 为初始压力；r 为颗粒间接触面性质；丁为温度；f 为时间。 浙江大学硕士学位论文扰动土及其量化指标 黄斌2 0 0 6 年2 月 张孟喜( 1 9 9 9 根据p q e 空间中类似于土体的破坏面，提出了施工扰动 度 乃=等2丽xa02+aq2+ae2 c _ u ) 式中凹由施工影响引起的平均应力、偏应力和孔隙比变化的矢量和； d 原位土体的平均应力、偏应力和孔隙比的矢量和。 式( 1 1 1 ) 中卸、a q 、p r 和g ，必须进行无量纲化，否则的话量纲有问 题，可采用大气压力见或先期固结压力对它们进行无量纲化。 徐永福( 1 9 9 9 ) 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 d( 1 1 2 ) 朋。 式中m d 、m 。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( 2 0 0 2 ) 定义应力扰动比r 为： 尺：堕( 1 - - 1 3 ) 式中7 土体的原位有效应力； 受盾构掘进影响后土体的有效应力。 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 = 1 一r( 1 1 4 ) 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 = 1 ，周围土体应力扰动最 大，如基坑底面的土体。 1 3 3 3 土体扰动研究的特色 扰动状态概念的主要特征： ( 1 ) 扰动状态概念是一种新的理论分析方法 扰动状态概念认为材料在外界作用下产生的变形和破坏是其“自调整 的 过程，其基本原理简单明了，在思想方法上具有新颖性、独特性和先进性。 ( 2 ) 扰动状态概念是- g e 机理性的研究方法 扰动状态概念是通过材料的相互作用机制来模拟观测响应的，它把相对完 整状态和完全调整状态看作是由于自调整而引起材料内部微结构变化的结果， 9 第一章绪论 它虽然强调对微结构的考虑，但并不要求对颗粒或在微观尺度上进行本构定义， 因而在某种程度上更有利于揭示材料的变形和破坏机理。 ( 3 ) 扰动状态概念是一种整体性的研究方法 扰动状态概念能反映材料的过程力学响应，包括峰值前后的行为及其变形 破坏特性的描述。 ( 4 ) 扰动状态概念较其它理论方法更具优势 扰动状态概念既可表示材料的强化过程，又可表示软化或损伤过程。 扰动状态概念把由和f a 两部分构成的混合物作为一个整体进行统一 的描述，而不是把单独定义的材料颗粒与裂隙的响应加以叠加。 扰动状态概念在分析问题时，不需要考虑微裂纹相互作用和微观力学模 型。一 1 3 4 土体扰动与土体损伤之间的主要区别 扰动状态概念在某种程度上与传统的损伤理论有相似之处，如扰动函数与 损伤变量的定义是相似的。但是，采用这样的函数形式并不是扰动状态概念或 损伤理论所特有的，自然界的许多事物的进化与衰退现象都采用了这样一种较 通用的函数形式。 扰动理论与损伤理论的主要区别有以下两点： ( 1 ) 扰动函数代表着材料强化或软化两方面，而损伤变量只代表材料的软 化。比如说，在压缩试验过程中，对于软粘土或松砂它们的强度得到了强化， 而对于岩石、密砂或混凝土来说，它们的强度却是损伤或软化的。可以说损伤 理论中的无损和损伤状态只是扰动状态概念r i 和f a 状态中的一种特殊情况， 把f a 状态的材料认为是一种性质变化了的材料比用损伤了的材料更符合实际， 更具有普遍意义。 ( 2 ) 对于扰动状态概念，可以解释当材料变形过程中因扰动减小，材料强 度在先前受到扰动而软化后，继而又发生强度的增长的现象。这样的材料模型 可以通过扰动状态概念得到很好的解决，而这用传统的损伤理论是解释不了的。 总之，损伤理论可以认为是扰动状态概念的一种特殊情况。 1 4 本文的主要工作 本文在收集、查阅和整理大量中外文的基础上，开展了土体扰动及其量化 指标的研究，主要工作有以下几方面： ( 1 ) 扰动概念及其量化指标的研究 l o 浙江大学硕士学位论文扰动土及其量化指标黄斌2 0 0 6 年2 月 内容包括：a ) 对d e s a i 提出的扰动状态概念与假设进行局部修改：b ) 建 立了反映土体的物理性质、应力状态的扰动度定义，由三轴压缩试验和固结试 验成果推导出扰动度的具体表达式；c ) 提出一个既能反映土体强化又能反映土 体软化的通用扰动度表达式。 ( 2 ) 扰动度应用于土压力和切线模量 内容包括：a ) 将扰动度应用到非极限状态土压力中，用扰动度较好地解释 了平动位移模式下的土压力分布；b ) 推导出初始切线模量与围压、超固结比、 初始孔隙比之间的关系式，并通过三轴试验进行验证，然后通过扰动度建立切 线模量与初始切线模量之间的关系式。 ( 3 ) 扰动度在本构方程中的应用 内容包括：a ) 通过扰动度修正了本构方程中的各力学参数，将扰动度成功 地引入土体本构模型中，充分考虑了各力学参数在全过程中的变化：b ) 通过工 程算例进行分析验证。 浙江大学硕士学位论文 扰动土及j 量化指标 黄斌2 0 0 6 年2 月 2 1 引言 第二章扰动概念及其量化指标 土体受扰动后，其应力状态、孔隙比、含水量等都会发生变化，进而影响 土体的强度与变形特性。在这些影响因素中，士的应力状态孔隙比与含水量的 变化是非常重要的方面，决定着强度指标、压缩系数、压缩模量等参数，因此 土体扰动度d 的表达为下面的函数： 肚，尝，盖，船，舢， q 叫， 式中印，叮，& ，w 分别为扰动引起的p ，g ，p ，w 值增量；p ，w 分别 为土体的孔隙比和含水量 p = ( 一+ 2 0 - 3 ) ，3 ，g = 1 9 - i 一q7 ，0 - 1 、0 3 分别为土 体最大、最小有效主应力；瓴，吼分别为沿应力路径从初始状态到极限状态 ，g 值增量。本文在没有特别指明处p 均指有效应力量。 式( 2 - - 1 ) 表达的扰动度，要求扰动影响的应力、孔隙比、古水量的变化 路径是单调的，而且本文中扰动度的表达都有这个要求。 含水量主要是由于降雨、地下水位升降及施工降水引起，施工活动本身对 含水量的影响较小因此作者将土中一点的应力状态、孔隙比作为扰动性评价 的基本因素，来建立扰动的评价系统，因此土体扰动度d 的表达式为： 肚，c 詈，毒，址， 他1 ， 式中各变量与式( 2 - - 1 ) 相同。 本文讨论的扰动评价只限于静力范围，不包括振动扰动。另外扰动效果区 分为有利扰动和不利扰动，以桩基施工为例，打桩使得桩周附近土体产生强烈 扰动土体结构被破坏，但随着时间的增加，土体固结，该区土体强度饿复， 并有可能超过原有强度，这属于有利扰动。 并有可能超过原有强度，这属于有利扰动。 浙江大学硕士学位论文扰动土及其量化指标黄斌2 0 0 6 年2 月 2 1 引言 第二章扰动概念及其量化指标 土体受扰动后，其应力状态、孔隙比、含水量等都会发生变化，进而影响 土体的强度与变形特性。在这些影响因素中，土的应力状态孔隙比与含水量的 变化是非常重要的方面，决定着强度指标、压缩系数、压缩模量等参数，因此 土体扰动度d 的表达为下面的函数： 肚厂( 尝，毒 e ，a w ) ( 2 1 ) 式中卸，幻，a e ，a w 分别为扰动引起的p ，q ，e ，w 值增量；e ，w 分别 为土体的孔隙比和含水量；p = ( q + 2 q ) 3 ，q = q 一0 3 ，q 、吧分别为土 体最大、最小有效主应力；瓴，吼分别为沿应力路径从初始状态到极限状态 p ，g 值增量。本文在没有特别指明处p 均指有效应力量。 式( 2 - - 1 ) 表达的扰动度，要求扰动影响的应力、孔隙比、含水量的变化 路径是单调的，而且本文中扰动度的表达都有这个要求。 含水量主要是由于降雨、地下水位升降及施工降水引起，施工活动本身对 含水量的影响较小，因此作者将土中一点的应力状态、孔隙比作为扰动性评价 的基本因素，来建立扰动的评价系统，因此土体扰动度d 的表达式为： d 一厂( 参，爱e ) 1 ， 式中各变量与式( 2 1 ) 相同。 本文讨论的扰动评价只限于静力范围，不包括振动扰动。另外扰动效果区 分为有利扰动和不利扰动，以桩基施工为例，打桩使得桩周附近土体产生强烈 扰动，土体结构被破坏，但随着时间的增加，土体固结，该区土体强度恢复， 并有可能超过原有强度，这属于有利扰动。 第二章扰动概念及其量化指标 本文定义的扰动为，土体受到外界影响而发生性状改变，因此可以认为固 结与剪切都属于扰动，下面先介绍扰动状态概念，然后分别介绍固结试验与三 轴剪切试验中扰动度的建立。 2 2 扰动状态的概念 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，是一种针对材料的受力扰动而发展起来的 本构模拟方法。经过多年的发展，目前扰动状态概念的应用己经涉及多个领域 材料本构模型的建立，如岩土体、混合硅、油砂以及电子包装材料等特定材料。 笔者将在c s d e s a i 的扰动状态概念的基础上，做些局部修改，阐述自己对扰 动状态的一些理解，建立新的扰动状态概念。 2 2 1 扰动状态概念的基本原理 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) 引起材 料微结构的扰动，致使材料内部微结构发生变化。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 r ei n t a c t 缩写为r i ) 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。在这 种自调整或自组织过程中材料有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，可通过一个扰动函数d ( 或称扰动度) 来描述扰动过程中的某一 状态，即描述材料从相对完整状态转变为完全调整状态过程，笔者认为扰动函 数是通过扰动演化来作为一个过程量，此函数可通过宏观量来描述扰动的演化， 从而对材料的本构关系进行模拟。 扰动状态概念认为材料单元的观测行为可用相对完整状态和完全调整状态 的两种行为来表示。在力的作用下材料变形的过程中，材料单元被认为是由相 对完整状态部分和完全调整状态部分组成的混合物，如图3 1 所示。 浙江大学硕士学位论文 扰动土及其量化指标黄斌2 0 0 6 年2 月 局部失稳示意图 最终状态 口相对完整区域 _ 完全调整区域 图2 一l 扰动状态概念的基本原理 该概念假定施加的荷载会引起两部分的相互作用，从而导致材料微结构的 变化。结果是：最初相对完整的材料，在它的微结构自调整或自组织的过程中 被不断地调整并局部达到完全调整状态。白调整意味着材料能够调整内部的结 构，使它能有效地承受外界荷载。这些调整包含内部的改变，如结构的塌陷， 颗粒的旋转、常规运动以及微裂纹的产生等。 相对完整状态对应着材料未受扰动影响的初始状态，完全调整状态对应着 裂纹或孔隙的扩展而最终导致的极限状态。处于相对完整状态下材料的响应可 从试验材料的初始物理力学性能得到，完全调整状态下材料的响应可从试验材 料的极限状态物理力学性能得到，而实际材料的观测特性可以通过扰动度，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。 2 2 2 扰动状态的几个基本概念 ( 1 ) 相对完整状态 处于相对完整状态的那部分材料的响应被认为是排除了扰动因素( 包括材 料的摩擦、各向异性、微裂纹、损伤、软化以及硬化等) 的影响。从该意义上讲， 此状态表示一种相对于受扰动状态而言的“完整”状态，可以认为是材料的初 始状态。 ( 2 ) 完全调整状态 处于完全调整状态的材料可认为已达到了极限状态，它的结构使其特性不 同于处于相对完整状态材料的特性。完全调整状态的材料通常用以下三种状态 模型来描述： 1 4 第二章扰动概念及其量化指标 材料不具有任何强度，就如同连续介质的损伤模型中的孔隙一样。 材料抗剪强度很小，可以当作为零，但能承受静水压力，就象一个受约 束的液体。 材料在给定的静水压力下具有抗剪强度并达到临界状态，此时只发生剪 切应变而无体积应变，可当作受约束的固液混合体来处理。 ( 3 ) 扰动函数 扰动函数即扰动度d 是用材料的应力状态孔隙比、含水量、温度等因素 构成的函数，它通过扰动演化的宏观量来表示扰动过程，它表征材料在外界影 响下由相对完整状态向完全调整状态转变的程度。 扰动度d 可以为正值，也可为负值。d 为正值时，扰动度基本等同与传 统意义上的损伤参数国，扰动影响使得材料性能降低；d 为负值时，扰动影响 使得材料性能强化。因此，损伤理论可以认为是扰动理论的一种特殊情况。 ( 4 ) 扰动状态基本方程 由上述可知，材料的实际力学性能可以由相对完整状态和完全调整状态两 部分的力学性能叠加而得，下面给出扰动状态的基本方程： m = ( 1 一d ) + d m ( 2 - - 3 ) 式中m 、坂分别为观测的、相对完整状态的和完全调整状态的物理( 力 学) 参数；d 为扰动度。 如果完全调整状态下的物理( 力学) 参数帆为0 ，则式( 2 - - 3 ) 变为 m = ( 1 一d ) 鹄 ( 2 4 ) 根据完全调整状态模型的描述，土样三轴剪切试验极限状态即残余应力阶 段其切线模量为0 ，固结试验中土样固结反方向极限状态下，即土样卸荷回弹 至极限状态时，变得极其松散，其压缩模量也可以看作是0 。 由式( 2 4 ) 可得 浙江大学硕士学位论文 扰动土及其量化指标黄斌2 0 0 6 年2 月 d ：i - m ( 2 5 ) m “ 式( 2 - - 5 ) 为用受扰动影响前后的物理( 力学) 参数表达的扰动度，即常 用的扰动度。 2 3 三轴压缩试验扰动度的建立 扰动度是用来评价土体受外界影响的程度，在三轴压缩试验中，笔者重点 考虑了土体应力状态及孔隙比的变化。如果土体受到扰动后，沿着扰动应力路 径及孔隙比变化路径达到了极限状态曲面，认为扰动程度最大，即扰动度d 为 1 ；如果土体根本未受到扰动，则认为扰动度d 为0 。 按照式( 2 - - 2 ) ，沿孔隙比变化路径，扰动度为 肚厂c 爰，盖，a e ) 叫参，盖，毒，( 2 - - 6 ) 式中印，卸，a e ，w 分别为扰动引起的p ，g ，e ，w 值增量