（地质工程专业论文）长沙典型粉质粘土的三轴试验及本构模型研究.pdf

摘要 在对前人研究成果的系统学习和思考的基础上，本文以长沙粉质粘 土为研究对象，应用室内外试验、理论分析和数值模拟的综合方法，分 析和探讨了长沙粉质粘土的变形强度特性，在d u n c a n c h a n g 模型的基础 上，提出了长沙粉质粘土的改进非线性弹性模型。通过研究，本文取得 了以下成果： 首先，本文对长沙粉质粘土进行各种应力路径下的三轴剪切试验， 揭示了长沙粉质粘土的变形及强度特征。试验表明，应力应变曲线具硬 化和剪缩特性，而且曲线具有明显的线性段；应力路径对总应力强度指 标有较大的影响，但对有效强度指标基本没影响。 其次，在试验的基础上，对土体的应力应变关系曲线进行归一化处 理，通过对d u n c a n c h a n g 模型的讨论，推导了长沙粉质粘土的改进非线 性弹性模型，并对模型中的参数进行确定。该模型能同时考虑土体的非 线性和剪胀( 缩) 性，以及不同固结压力和第二主应力对地基土的影响。 最后，利用所提出的长沙粉质粘土的改进非线性弹性模型，对基坑 开挖进行模拟分析，并把计算结果与实测结果进行分析比较，探讨了该 模的合理性和可行性。 本课题研究成果将对长沙地区以及在类似土层地区的工程建设有较 好的指导意义。 关键词：粉质粘土，三轴试验，d u n c a n c h a n g 模型，非线性弹性模型， 基坑开挖 t r i 撕a lt e s ta n dc o n s t j t u t i v em o d e lo nt h es i l t yc l a yi nc 1 1 a 1 1 9 s h aa r e a a b s t r a c t 0 nt h eb a s i so fa n a l v s i so ft h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t si nt h ep a s t ， c o m b i n e dw i t ht h es i l t vc l a yi c h a n g s h aa r e a ，i nt h i sp 叩e ra u t h o rh a s a n a l v z e dt h es t r e s s s t r a i na n dd e f o r m a t i o nd l a f a c t e n s t i c so f 也es i l t vc l a yi n c h a n g s h a f 畸e ab vas e r i e so fm e t h o d si f l c l u d i n gl i b o r a t o r yt e s t sa n d6 e l d t e s t s m e o r e t i c a la n a l v s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， a n db a s e do nt h e d u n c a i l 。c h a l l gc o n s t i t l l t i v em o d e l ，am o d i f i e dn o n l i n e a re l a s t i cc o n s t i t u t i v e m o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e d s o m eu s e 如lr e s u l t sh a v eb e e ng e ta f t e rt h o s e f i r s u y ，as e r i e so f t r i a x i a lt e s t sc o n s i d e r i n gs o m ed i 圩e r e n ts 仃e s sp a t h e s f o rs i l t yc l a yi nc h a i l g s h aa r e ah a v eb e e np e r f o r m e d ，w h i c ht h ed e f o “n a t i o n c h a r a c t e “s t i c sa n dt h ei n t e n s i o nc h a r a c t e f i s t i c sh a v eb e e nr e v e a l e d t h et e s t r e s u l t ss h o wt h em a i ns t r e s s s 仃a i nd e f o m a t i o nb e h a 、，i o r s a s h a f d e n i n g ， d i l a t i o na n do b v i o u sl i i l e a ri n t e r 、吼1 t h es 廿e s sp a m h a so b v i o u si n f l u e n c eo n m et o t a ls 仃e s ss h e a rs 廿e n 百hi n d e x e s ，b u ta l i n o s t n oi n n u e n c eo nt h e e a 、e c t i v es h e a rs t r e n g t hi n d e x e s s e c o n d l v ，b a s e do nt h et e s tr e s u l t s ，t 1 1 es 仃e s s s h a mr e l a t l o n s h l pc l l r v e s h a v eb e e nn o r m a l i z e d ，锄dt l l ed u n c a l l c h a l l gc o n s t i t u t i v em o d e lh a sb e c n d i s c u s s e d s oam o d i f i e dn o n l i n e a fe l a s t i cc o n s t i t u t i v em o d e l f o rs i l t yc l a yi n c h 卸g s h aa r e ah a sb e e nd e r i v a t e d ，a i l da l lm e m o d e lp a r a m e t e r sh a v eb e e n d e t e n n i n e d i ti ss h o w nt h a tm em o d e li n 也i sp a p e rc a nb ei n c l u d e di nt 1 1 e n o n l i n e a ra i l dd i l a t a n c y ( s h r i l l l ( a g e ) p r o p e r t i e s ，a n dt h ee 腩c t s o fd i 虢r e n t c o n s o l i d a t i o np r e s s u r ea n dt h es e c o n dm a i ns 缸弓s s t h i r d l y ，t h em o d i f i e dn o n l i n e a re l a s t i cc o n s t i t u t i v em o d e l f o rs i l t yc l a y i nc h a n g s h aa r e ah a sb e e na p p l i e dt ot h ea n a l y s i so fd e e pe x c a v a t i o np r o j e c t ， m e v a l i d i t yo fp r o p o s e dc o n s t i t u t i v em o d e l i sc o n f i r m e db yc o m p a r i s o n so f m ec a l c u l a t e dr e s l l l t sa n dt h eo b s e r v e dr e s u l t s t h er e s e a f c hr e s u l t sc a ng u i d eg o o dd i r e c t i v es i g n i f i c a n c et ot h ea r e ai n c h a n g s h a a i l de n g i l l e e 血gc o n s 仇l c t i o ni 1 1t 1 1 ea r e as i i n i l a rt ot l l es o i ll a y e r k e yw o r d s ：s i l 锣c l a y ，t h 蕊a lt e s t s ，d u l l c a i l c h a l l gm o d e l ，n o i l l i i l e a r e l a s t i cc o n s t i t u t i v em o d e l ，d e e pe x c a v a t i o n 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论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经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 得中南大学或其他单位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对 本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名 之鸥 日期：删年f 月，害日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的 全部或部分内容，可以复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根 据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：墨盛盈鸥导师签名 日期：n 9 年r 月c 日 中南大学硕士学位论文第一章前言 1 1 引言 第一章前言 材料的本构关系就是指这种材料力学特性的数学表达式【”。土的力学特性通常 是指应力一应变一强度一时间等的关系。土是一种具有非线性、弹塑性、非均质性、各 相异性和流变性等力学特性的复杂材料，同时应力水平、应力路径、应力历史以及 土的状态、组成、结构和温度等因素均对其性质有显著影响。因此要建立一种理想 的土体本构模型来全面反映土的这些复杂的特性是非常困难的，并且即使找到了这 种模型，也将因为它太复杂而难于在各种工程土工建筑和地基性能的分析研究中得 到应用，所以对土体性质的研究，应该针对土的主要特性去寻找并建立最简单且能 说明最主要问题的本构模型。 众所周知，土力学问题的计算分析应包括以下三方面的内容： 1 、在试验研究基础上，建立土体的应力一应变模型及数学表达式，即土的本构 模型。这种本构模型必须包含影响其强度和变形规律的主要因素，并尽可能地符合 工程实际的变化规律。 2 、通过试验确定本构模型中所包含的参数。任何一个本构模型的可靠性都是以 合适参数的选择作为基础的，如果选用的参数不符合具体土工问题的实际情况，理 论上再完善的模型也不可能提供正确的解答。 3 、选择合理的计算方法和应用范围。选用一定的解析方法或数值方法合理地求 出外力作用下的土体的应力、应变和位移，并正确地应用到具体的实际工程问题中 去。 本文拟在总结、吸收前人的研究成果以及分析比较这些成果与实际应用的差距 的基础上，确定其研究的主要任务、基本思想和方法。即以长沙粉质粘土为研究对 象，在其应力一应变试验的基础上，结合已有的本构模型，力求建立一个简单实用且 能考虑长沙粉质粘土主要变形特性的本构模型，并在具体工程中加以应用，以检验 所建立模型的适用性。 1 2 长沙粉质粘土的研究现状 长沙市地质条件复杂，主要为新生界第四系沉积层，广泛分布着网纹状粉质粘 土，由于受到特殊的地理气候环境影响，形成特有的花斑网纹状结构，素称花斑红 土。作为一种区域性粘性土，长沙粉质粘土有着特殊的工程性质特征，多年来，一 中南大学硕士学位论文 第一章前言 直受到工程界的关注。早在上世纪7 0 、8 0 年代，以中国有色金属工业总公司长沙勘 察设计研究院为首的专家就对长沙粉质粘土做了详细的分析。长勘院向春尧2 】【3 l 高 工对长沙白沙井红土( q ：b a ) 的工程地质特性和地基评价，着重对长沙地区的花斑红 土从物理力学参数等方面做了详细的研究；肖秋法【4 】利用室内外试验对长沙地区网 纹状粘性土做了地基评价，认为长沙粉质粘土有着良好的物理力学性能，是较理想 的基础持力层；向春尧高工等【5 】还在长沙等地做了大量的静载试验，试验表明长沙 粉质粘土的承载力分别是“一般粘性土”和“老粘土”的四倍和两倍。中国有色冶 金长沙勘察设计研究院还编制了长沙市工程地质图( 1 ：1 0 0 0 0 ) 6 】详细介绍了长沙 粉质粘土的分布情况。熊湘君i7 l 通过利用大量的岩土工程勘察资料，对长沙市的工 程地质分区及岩土工程条件做了比较全面、详细的综合概括评价，认为长沙粉质粘 土物理力学性能优良，是一种不可多得的地基资源，并提出了长沙地层基本组合模 型，分析了长沙粉质粘土的强度机理。 综上所述，近年来对长沙粉质粘土的专项研究比较多，但研究内容和方法都基 本上相似，都是综合整理各工程勘察资料的基础上，利用室内外试验结论，做出工 程性质评价，定性的分析比较多，但定量的分析少。综合各个不同阶段对长沙粉质 粘土的研究成果，概括的总结主要有以下几方面： 1 、确定了长沙粉质粘土的分布，成因及其在土质学上的归属，确认了长沙粉质 粘土是粘土的一个亚类。 2 、对长沙粉质粘土的物理力学性能做了一些归纳，有利于工程应用与评价。 3 、对长沙粉质粘土的工程性质进行了较为深入的研究与分析，认识了长沙粉质 粘土有着良好的物理力学性能，是一种良好的地基资源。 对长沙粉质粘土的研究，始于工程建设和勘察部门，随着研究工作的扩大和深 入，教学、科研部门也相继参与，几十年来取得了较大的进展。但由于这项工作多 是分散、根据某个时期某一目的自发进行，特别是由于试验条件的限制，现有的研 究成果都限于一般常规土工试验基础上，因此存在着局限性和片面性，目前的研究 成果尚不能很全面、系统地反映长沙粉质粘土的工程性质，特别是土体在荷载作用 下的应力、变形以及破坏机制等方面有待加深研究。 1 3 土的本构模型研究方法及发展概况 几十年来，伴随着电子计算机和计算技术以及土工试验技术的发展，在岩土工 程生产实践的推动下，土的本构关系的研究日益广泛和深入，成为岩土工程的重要 领域之一。土的本构关系模型因采用不同的理论，大体上可作如下分类： 中南大学硕士学位论文 第一章前言 土的本构模型 1 3 1 土的弹性模型 弹性模型 线性弹性模型 萎翥鬈篙篙震弹性模型 f 柯西类 非线弹性模型i 超弹性模型 1 次弹性模型 弹擐性模型 边界面模型 f 粘弹性模型 粘弹塑性模型 粘塑性模型 l 粘弹塑性模型 内时模型 损伤模型 微结构性模型 其他类模型 基于弹性理论的土的弹性模型，从上世纪6 0 年代以来有了很大的发展降】，并已 广泛地应用于岩土工程的边值问题分析计算中。对于单调加荷情况，弹性模型一般 比其他类型模型简单。 1 、线性弹性模型 应力( 盯) 与应变( 占) 呈线性关系，服从广义虎克定理【9 】 【1 0 】、【】、【1 2 1 。其表达式为 盯) = 【d 占) ， d 为常系数的弹性矩阵。对于均匀各向同性材料仅有两个独立的弹 性常数。线性弹性模型曾广泛的用于地基和土工建筑物的沉降计算分析等问题，虽 然该模型对土的力学性质做了很大的简化，但由于简单易行，仍能解决一些实际的 工程问题 1 2 】。 2 、非线性弹性模型 众所周知，应力一应变关系的非线性特性是土的主要变形特征，而弹性理论又是 材料本构关系中最简单的一种，因此，将两者结合起来，用分段线性化来建立土的 非线性本构关系就是一种自然而然的事情。绝大多数的非线性弹性模型是建立在弹 性增量理论的基础上，满足增量的广义虎克定理，即 面。) = 【d 】 魔) 。弹性模量矩阵 的弹性系数e 。( 切线弹性模量) 和u ，( 切线泊松比) 或g ，( 切线剪切模量) 和世，( 切 线体积模量) 是随应力水平而变化。这类模型一般利用曲线拟合、内插等方法用数 学函数表示应力应变曲线。 非线性弹性模型中最常觅的有在 ，0 h 砌秽【”1 双曲线基础上的d “盯鲫w 珊d “1 模 中南大学硕士学位论文 第一章前言 型，该模型以其参数少、物理意义明确且易于测定而得到广泛地应用。d “加彻坩砌瑶 模型是在常规三轴压缩试验时的应力应变关系曲线，所有参数都可以从常规三轴试 验求得。该模型能够很好的描述土体非线性特征，但未考虑土体的剪胀性i ”j 【”l 、 应变软化性、变形与应力路径的相关性以及中主应力对强度和变形的影响，也不能 描述土的残余变形。 为了克服d 蜘c 册一c 胁僻模型中的某些缺陷，不少专家学者对其进行了修正。其 中南京水利科学研究院沈珠江等将体变毛和广义剪应变占，分别表示为球应力p 和 广义剪应力g 的函数，即氏= z ( p ，g ) ，t = 工( bg ) ，南水模型表明纯粹剪切可以 产生体积应变，法向应力之和如有变化，可以引起剪切变形；阎明礼1 1 7 】通过两个状 态边界面概念，并利用正常压密土典型规格化性状表示球应力p 和广义剪应力g 的 函数，用于考虑土体的剪胀性；沈珠江1 1 2 l 还将剪应力比一= g p 与应变比毒= t q 之 间的软化关系用数学表达式表示出来，从而考虑了土的软化特性。还有类似的利用 足、g 为变形参数的d d m 哪c 矗妇模型1 1 8 l ， 均，d ，模型，占d f 印砌( 卜坳，b f 模型等。 3 、超弹性模型 超弹性模型又称g 愆e 玎弹性模型，是建立在存在应变势能函数= i 仃。出。或余 能q = f 岛d 盯。基础上的，并假设弹性变形能与应力或应变总量之间存在唯一的关 j 系，这一类模型能保证解的唯一性和稳定性。如：wfc h e n 等1 2 0 l 建议的三阶超弹 性模型，以三个应力不变量乃、疋、厶建立余能函数。从理论观点分析，超弹性模型 能反映土体非线性、剪胀性、应力引起的各向异性、第三不变量的影响及一定范围 应力路径的影响等。但模型参数较多，且没有直接的物理意义，不易合理和唯一确 定。 4 、次弹性模型 次弹性模型又称为最小弹性模型( m i n i m u me l a s t i c ) 【”，仅在增量意义上是弹性 的，该模型考虑应力状态依赖于目前的应变状态及达到这个应力状态的路径。 1 3 2 土的弹塑性模型 试验结果表明，在土的变形中，绝大部分是不可恢复的塑性变形。因此，在传 统金属材料弹塑性理论的基础上，通过考虑土的变形特点来建立其弹塑性本构关系， 一直是岩土本构关系研究的热门话题，并且已逐渐形成了一门新的独立的学科一岩 土塑性力学或广义塑性力学1 1 】、【z l 】l1 2 2 】。由于土的变形与其应力路径密切相关，因此， 土的弹塑性本构关系均是以增量形式表达的。 4 中南大学硕士学位论文 第一章前言 l 、经典理想弹塑性模型 早在上世纪五十年代，d m c 如，和脚r 吲把c d “，d m 6 【9 1 屈服准则和m 如口5 【9 1 屈 服准则结合起来，提出考虑静水压力对土屈服影响的圆锥形屈服面，即d - p 模型。 随后，i 九 豳p ，、g f 6 n 和胁础e 严4 】又在该圆锥形屈服面上加了个帽子，并让圆锥面 和帽子一起随土的加工硬化而膨胀，从而建立了一个可用于土的加工硬化的塑性模 型。 在六十年代，r d 及其合作者【2 5 】在脚，等人研究结果的基础上，通过对正 常固结重塑粘土在三轴试验中力学特性的细致研究，提出了适用于粘性土的剑桥模 型( 硎y ) 。之后，曰砌耐等人【2 6 又对其进行了修正，提出了具有椭圆形帽盖 的修正剑桥模型；开枷。击等【2 7 】在修正剑桥模型的基础上，利用三轴固结排水试验参 数提出了干粉的本构模型；我国学者魏汝伦【2 8 】【2 9 1 利用正常固结粘! 土三轴不排水试 验的应力路径资料，对剑桥模型中能量方程进行修正，提出了一个更具有普遍意义 的模型。模型规定，土的破坏是由于剪应力作用而引起的，且破坏遵从莫尔一库仑 准则；在压应力作用下，屈服面为椭球体，它可以随着压应力的增大而不断扩大( 硬 化) ，但单纯的压缩不会引起土的破坏。该类模型的优点在于：它可以反映土的剪缩 性和静水压力对剪切屈服的影响以及静水压力产生的塑性体变：同时，该模型仅有 三个材料参数，可以方便地用常规三轴试验测得。因此，目前已被国内外广泛地应 用于土的应力一应变一强度问题的分析研究中，而且取得了比较满意的结果。但是， 该类模型仍然存在着以下缺点【3 0 】、【3 l 】【3 2 】【3 3 】：( 1 ) 、一般不适用于严重超固结粘性土 和砂土；( 2 ) 、没有考虑中主应力的影响；( 3 ) 、破坏面具有尖角，不利于塑性应变 方向的确定。尽管如此，该类模型一直被公认为最经典的模型之一，并逐渐发展成 为i 缶界状态土力学【2 ”，尤其是该模型中所提出的一些思想及术语，至今仍广泛应用 于岩土本构关系的研究和实际工程的实践中。 为了更好地模拟土的复杂应力一应变特性，沈珠江【3 4 3 5 l 先后提出了部分屈服 面和三重屈服面模型；殷宗泽【3 6 提出了二个屈服面模型；肫砌以 如地珊r 和，的妒7 1 利用双屈服面模型分析了粘土在循环荷载下的变形特点；向大润等n9 】采用塑性应变 分量的分部屈服面概念，提出了用于增量法计算的分部屈服加载准则，在超弹性理 论基础上，建立了一种土的弹塑性模型。 建立无粘性土的弹塑性本构关系也是土的本构关系研究领域中的一个重要内 容。三础和d 堋” 3 8 】基于砂在真三轴仪上的试验结果，建立了一个弹塑性应力一应 变模型p 9 l ；黄文熙和李广信等人 柏】、【4 1 】利用真三轴试验结果，通过在平面上寻找与 屈服面正交的塑性应变的方向，提出了一个弹塑性模型，该模型始终能满足硬化规 律和屈服函数唯一，保证了边值问题解的唯一性；邵生俊和谢定义【4 2 】基于砂土的压 缩回胀性、剪切非线性的系统分析和包括循环荷载、应力路径偏转等复杂应力条件 中南大学硕士学位论文 第一章前言 下的复杂变形反应，得到了应力应变基本关系，并与砂土的物态变化相联系，建立 了砂土的物态本构关系。 2 、边界面模型 上述弹塑性模型，大多属于等向加工硬化模型，己在某种程度上应用于岩土工 程中，但等向加工硬化模型不能适用于反向大卸荷和周期荷载情况。由于应力路径 在屈服面内，仍然可能产生不可恢复的塑性变形，为了描述这种特性，人们又提出 了一些非等向硬化模型，其中尤以边界面模型最为常见。上世纪七十年代d 咖打册 和p 印d v 【4 3 】提出了边界面塑性模型，该模型与多面塑性模型的主要差别在于塑性硬 化模量场的确定；之后，d 咖玩，等人t 4 4 j 1 4 5 】、降1 对边界面模型的进一步完善做了许 多开拓性的工作。在我国，边界面模型发展也很快，要明伦等【4 7 】在j p m c d 盯模型的基 础上，把弹塑性运动硬化规律和等向硬化规律结合起来，推导了土体的弹塑性本构 关系，应用于软土地基的动变形计算；王建华等【4 8 l 依据非等向硬化模型场理论建立 了具有无穷屈服面的增量弹塑性模型，由此分析软粘土的累积变形和弱化性质；徐 日庆等【4 9 】以蛋形函数作为边界面，用b f o f 固结理论与边界面模型耦合的有限元法分 析了砂井固结排水的路堤沉降。 3 、粘弹塑性模型 岩土材料常具有蠕变性，其应力应变关系与时间有关，考虑时间效应常采用粘 弹塑性模型。该类模型通常由理想弹性模型、理性塑性模型及理想粘性模型并联或 串联组成，如0 幻，忍嘏d 等人【5 0 】利用三轴试验结果提出的粘弹塑性模型，该模 型能够考虑高灵敏度粘性土的蠕变特性。 4 、内时本构模型 内蕴时问理论是冶 铆扫【5 2 1 在1 9 7 1 年提出用以描述耗散材料的粘塑性( 热力学不 可逆) 过程的理论，它的基本概念可以概括为【5 3 0 塑性和粘塑性材料内任一点的现时 应力状态，是该点领域内整个变形和温度的历史的泛涵。胁f 等p 4 j 人认为内时理 论较其他理论简便，而又能比较满意地反映土在复杂受力状态( 卸载、再加荷和周 期荷载) 下的非线性本构关系。李建中利用内蕴时间理论对土的流变性进行了理 论研究，提出了在准三轴条件下土的流变本构方程，并且利用土的三轴流变试验结 果对所得土流变本构方程进行了验证，验证结果表明用内蕴时间理论推导的土流变 本构方程能很准确地描述土的流变性。 5 、损伤模型 损伤模型在土工分析中应用时间不长，最早应用损伤理论是应用于研究金属蠕 变破坏，并逐渐应用到其它领域，形成了损伤理论的基本框架。目前，土工问题分 析应用损伤理论主要是混凝土以及软化性土的研究。 6 、微观力学模型 中南大学硕士学位论文第一章前言 微观力学性质模型的研究也是国内外学者研究的热点。此类模型利用松散介质 理论进行研究，即从分析土的微观性状入手，应用能量原理，概率统计理论或简单 比率理论建立土的力学模型，基本思想是将岩土材料的颗粒介质看作一系列刚性或 弹性颗粒，外荷载通过颗粒的接触点传递，接触点处的接触力与变形和滑移由一种 适用于颗粒在接触点处力学特性的本构关系联系起来。只e c 靳】在微观力学的基础上 对金属粉末的压缩特性进行研究，随后g zz 幻”如毋y f 5 订把其引用到对粘土的力学特 性研究，建立粘土的微观力学模型；孙斌等诤8 】根据速率过程理论、塑性理论和虚功 原理，从土的微结构出发，建立了一个粘性土蠕变的微观力学模型。 近年来，土体本构模型的发展主要以工程实用模型为主，着重某一地区，某一 类型的土。如舶耽6 m 踞e 【5 9 】等人提出了能够预测超固结粘土层土体稳定性的本构 模型；丑慨一4 【印】等人利用改进的三轴试验仪，对非饱和土进行变形研究，提出了非 饱和土的弹塑性模型。我国在实用模型方面的研究也发展很快，黄志国1 6 l 】研究了粘 性土在复杂应力路径下的应力应变特性及非线性k g 模型；施建勇，赵维炳，l e e 凡z 椭伽，馏j p 拍f 以一砬】提出了a s m 模型，即以能量方程为基础推导出各向异性 和小应变条件下粘性土的弹塑性模型，并与修正剑桥模型比较，更能反映粘性土的 工程特性；杨光华和李广信【6 3 】提出广义位势理论，并揭示了目前岩土工程中现有不 同类型的土的本构模型的数学基础和假设关系。 综上所述，从土的本构关系的发展历史及发展进程我们可以得到以下几种认识： ( 1 ) 、土的力学特性是十分复杂的，具有非线性、弹塑性、剪胀性、各向异性和流 变性等，同时应力水平、应力路径、应力历史以及土的状态、组成、结构和温度等 均对其有显著影响。因此，要找到一个土的本构关系数学模型来全面正确地描述所 有这些特性，事实上是很难做到的，针对一定的土，一定的岩土工程条件，做一定 的简化假设是很有必要的。考虑建立岩土本构关系的主要目的是用于解决实际的工 程问题，本构关系的研究应更加注重实用性。( 2 ) 、模型参数应有明确的物理意义， 并能够用尽可能简单的试验方法确定。并且要重视模型参数规律的研究和总结，注 意参数变化的范围和限制条件，如果不能很好的确定模型参数，再严密的本构关系 也不可能应用于实际。 1 4 本文拟研究内容及意义 从前面有关领域历史和现状的介绍可以看出，对长沙粉质粘土研究的文献比较 多，但都是基于某个工程的勘察数据，定性的评价比较多，而定量的研究比较少， 特别是由于受到实验条件的限制等原因，对长沙粉质粘土的本构理论的研究非常少。 本文以长沙粉质粘土为研究对象，以实用为出发点，以循序渐进为原则，旨在揭示 长沙地区广泛分布着的粉质粘土的工程性质，了解其区域分布特点、变形特征以及 7 中南大学硕士学位论文 第一章前言 强度特点，在室内外试验结果以及现有模型的基础上建立相应的本构模型，并将其 应用到工程实践中去。本文的研究将对长沙地区以及在类似土层地区工程建设有较 好的指导意义。 本文研究的主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 大量收集长沙粉质粘士现有的地质学、土质学和土工学资料及工程勘察资 料，并对土性参数进行统计分析，结合室内外土工试验，了解长沙粉质粘土的分布 特征、工程地质分区特征以及对粉质粘土进行地基评价。 ( 2 ) 对长沙粉质粘土原状土样进行各种应力路径的三轴剪切试验，分析长沙粉 质粘土的变形及强度特征，以及在试验过程中孔隙水压力的变化情况。 ( 3 ) 在三轴试验结果的基础上，分析长沙粉质糙土的应力应变关系曲线的归一 化性状，从归化应力应变关系曲线出发，分析现有典型非线性弹性模型的不足， 提出合理的改进非线性弹性模型，并对模型中的各项参数进行确定。 ( 4 ) 用所提出的模型分析实际工程问题，并用实测结果与模型计算结果比较， 检验模型的合理性，并随即调整模型参数使得更合理。 8 中南大学硕士学位论文第二章长沙粉质粘土的工程地质特征研究 2 1 引言 第二章长沙粉质粘土的工程地质特征研究 长沙市位于湘江中下游，湘江自南向北穿越市区，将市区分割成东西两部分。 长沙地貌单元属湘中丘陵区，以湘江为界，西为低山丘陵，东为河流冲积阶地，在 河东南部冲积阶地上，冲沟、残丘错综复杂，沟坑星罗棋布。中部突出部位形成浏 阳河与湘江的分水岭。 长沙地层结构为：新生界的第四系沉积层，该层除表层不规则的分布有1 1 2 m 厚的人工填土外，阶地主要为坡积、淤积、河流冲积物，上部为淤泥质土、粘土、 粉质粘土，底部为砂卵石层。 长沙粉质粘土分布广泛，几乎在整个市区都有不同厚度的分布，并呈现出良好 的物理力学性质，是一套理想的地基土。一般建筑物或部分高层建筑物( 长沙蝴蝶 大厦、华天酒店等) 箱型基础之基底都是该层网纹状粉质粘土，对长沙地区作为建 筑基础持力层的中更新世( q 2 a 1 ) 网纹状粉质粘土进行评价有着重要的工程意义。 本章是在前人研究的基础上，大量收集长沙粉质粘土现有的地质学、土质学和 土工学资料及工程勘察资料，结合室内外土工试验，在以下几个方面进行研究和探 索：( 1 ) 长沙粉质粘土的分布特征；( 2 ) 粉质粘土的工程地质特征；( 3 ) 粉质粘土 的地基评价。 本章研究成果除采用了室内土工试验资料外，还收集采用了有色冶金长沙勘察 设计研究院等单位的资料。 2 2 粉质粘土的分布特征 长沙粉质粘土分布广泛，且都有一定的厚度，达十几米不等，表现出较稳定的 层位规模。从已收集到的工程地质勘察资料分析结果可知，长沙范围内，第四纪网 纹状粉质粘土虽在外观上相近，但其物理力学性质因其所处部位不同而有差异，从 北至南，基本表现为由弱到强的变化的趋势和规律。根据地形地貌特征、地层岩性 特征以及水文地质情况，以长沙阶地分布图【6 4 】为依据，将长沙粉质粘土划分为6 个 区域，见图2 1 粉质粘土分布图。 ! 堕奎堂堡圭兰垡笙苎 苎三皇篓鲨塑堕整圭塑三矍些堕壁堑竺窒 1 、嘶桔i 组 4 、q * 三叉矶组 2 、q n 白水江组 5 、q 。，白沙井组 图2 1长沙粉质粘土分布图 2 3 粉段粘土的工程地质特征 2 3 1 长沙粉质粘土的形成历史及宏观特征 3 、q t - 东山纽 6 、q 。茶园坡组 土的工程性质和土的形成历史密切相关，据我国当前的第四纪地质研究资料， 长沙粉质粘土形成于鄱阳一大牯间冰期，大牯庐山间冰期，庐山一大理间冰期以 及大理冰后期【6 ”。在这期间特定的气候条件下，当时存在于地表浅部的各种土层均 受到强烈的“湿热化”作用，而形成特有的红白相间的花斑网纹结构，因此，长沙 地区的该层粉质粘土俗称为网纹土或花斑红土。研究区网纹状粉质粘土成因除受当 时的古气候条件、新构造运动控制外，还主要受河流的冲积作用控制，其成因类型 主要以河流冲积为主，表现为湘江冲积和浏阳河冲积，其次尚有坡积、洪积类型等。 从大量的地质勘察资料以及野外观察分析，长沙粉质粘土颜色呈暗红、褐红、 黄褐、浅灰、灰白色等，厚度从零点几米到十几米不等，具有明显的花斑网纹状结 构，表i 见为稍湿一湿，坚硬、硬塑、软塑状态。土质一般比较均匀，局部含少量的 铁锰质氧化物及有机质泥炭成分，有较明显的垂直分层现象，表现为颗粒组成由细 中南大学硕士学位论文第二章长沙粉质粘土的工程地质特征研究 变粗，底部为砂砾石层，呈现明显的河流沉积的一般韵律特征，颜色有暗红一黄一 灰白色过度。 该层土在地貌上分属于湘江i - 一v 级阶地和浏阳河阶地i i i 级阶地【6 “。 该层粉质粘土土中常有裂隙，但均密合良好，裂隙面由钢灰色一黑色铁锰质薄 膜胶结充填，般对土的强度无明显影响。野外直感：土的结构强固，土质坚实， 抗水能力强。 2 3 2 粉质粘的工程地质i 生质分析 ( i ) 、垂直分层特征 对于分布于河流阶地上的粉质粘土而言，土的性质在垂直剖面上有明显的分层 现象，表现为自上而下具有以下的规律： 1 、颗粒组成逐渐由细变粗，一般其上部或中上部塑性指数和粘粒含量比较高， 表现为粘土性质，由上而下，塑性指数和粘粒含量都逐渐减小，再下即砂卵石层， 呈现河流沉积的一般韵律。 2 、“湿热化”程度逐渐由强减弱。一般其上部或中上部“湿热化”最强，土的 基质呈暗红、褐红、黄红色，白色部分先呈不连续的蠕虫状单体，再演变为连续的 网络状条纹夹于土中，呈现典型的花斑结构。 3 、土的强度相对由高降低。一般上部或中上部多呈坚塑状态，极为坚实。中部 或中下部转呈硬塑状态，底部则为可塑状态。 上述变化规律，一般以i i 级阶地上的粉质粘土最为明显，i i i 级阶地及”级阶地 的边缘部分位置较不明显。河流相粉质粘土的岩性在平面上也有某种大致的变化规 律，一般而言，高阶地较低阶地，远离河床部位较之邻近河床部位，土色相对更深， 土质更好。 ( 2 ) 、岩性特征 长沙粉质粘土有着特殊的花斑结构，土中的白色网纹从土层顶面至基岩顶面， 逐渐由大致垂直转为大致水平，反映着地下水的运动方向，表明白色网纹的形成与 地下水的淋滤作用有关。在双层构造的河流阶地中，上述情况较少见到，可能是因 为下伏砾石层的透水性较强，上覆土层整个而言都是处在地下水( 上层滞水) 的垂 直渗流带中之故。 长沙粉质粘土的另一特点为土中常有隐裂隙，一为浅部的风化裂隙，通常数量 多而方向杂乱，不连续，裂隙面被灰色或黑色铁锰质薄膜胶结充填，结合良好，一 般对土的强度无明显的影响，但长期处于埋藏状态而胶结不好时使土的强度降低； 二为中深部坚塑硬塑层中的脱水岩化收缩裂隙，类如节理，有大致水平与大致垂 直两种，数量少而延展好，裂隙面平整粗糙而少充填，无相对位移迹象，此裂隙一 中南大学硕士学位论文第二章长沙粉质粘土的工程地质特征研究 般不影响地基强度，但在切坡和深基坑开挖中可能引起局部的块体崩落。 该土渗透性微弱，并有良好的抗水稳定性，试验室试验中几乎不发生湿化崩解， 短期泡水对土质无明显影响。笔者曾在市区某基坑开挖过程中观察一集水井，经充 水浸泡达几个月后检查，井壁因浸水形成的软化层厚度仅3 5 m m 。 ( 3 ) 、土性参数变异性分析 岩土是在漫长的地质年代里形成的，是自然历史的产物，是在人类无力控制的 条件下形成的。因此，岩土的性状表现出很大的变异性。岩土参数变异性的原因有 两种瞄1 、f “】：一种关于地基土本身的问题，主要来自于土本身固有的不均匀性；二 是关于技术上的问题，取样技术，试样的运输和保管，试验装置，试验方法，试验 技术的差别通常也是造成岩土参数变异的原因。 岩土参数的变异性由变异系数6 来表示，它既反映了所测定的岩土性质的变异 性，也反映了实验技术对实验结果重视性的影响，是一个能够综合反映设计参数质 量水平的指标。变异系数6 定义为标准差。与平均值u 的比值，即巧2 盯愚。 本文根据长沙粉质粘土的分布特征，收集了近2 0 个工程的勘察资料，并对粉质 粘土的含水量w 、天然重度r 、孔隙比e 、液性指数儿、压缩系数a l 一2 以及直剪不 排水抗剪强度指标等物理力学参数进行了简要统计分析。表2 1 列出了土性参数的 统计数据，表2 2 列出了土性参数的均值范围和变易系数范围值。 从表2 1 ，2 2 可见： 1 、长沙粉质粘土的空隙比不大，压缩性低，抗剪强度较高，总的来说物理力学 性质良好。 2 、长沙粉质粘土各物理指标的平均值变化范围一般是不大的，不仅同一地点的 指标离散性不大，不同地点指标的差异也很小。这说明长沙粉质粘土比较均匀，在 全市范围内进行系统的统计和综合研究是可能的，地区性的经验对生产实践有很好 的指导意义。 3 、土的含水量、液性指数、压缩系数等指标随着取土深度的增加不同程度的逐 渐增大，而液限含水量和抗剪强度则逐渐降低，这反映了前述的长沙粉质粘土的岩 性变化规律。 4 、天然密度的变异系数一般不超过0 0 5 ，在用概率方法计算土的变形和分析稳 定性时，可不考虑天然密度和天然重度的影响。含水量、孔隙比的变异系数一般太 于o 0 8 ，对指标的取值已有比较明显的影响。 5 、压缩系数的变异系数一般大于o ，1 5 ，用以预估建筑物的沉降会带来较大的随 机误差，为了可靠地进行沉降预报，必须考虑压缩系数变异性的影响。在抗剪强度 指标中，内摩擦角的变异系数一般大于相应的粘聚力的变异系数。内摩擦角的变异 系数一般大于o 1 5 ，粘聚力的变异系数一般大于0 1 0 ，因此强度指标的随机误差对 中南大学硕士学位论文第二章长沙粉质粘土的工程地质特征研究 地基承载力、边坡稳定性、基坑支护和挡土墙土压力的计算结果影响比较大，在应 用概率极限状态设计法时要注意强度指标的变异性。 表2 1长沙粉质粘土综合性质统计表 注：1 、统计量符号：p 一数据频数；一算术平均值；口一标准差；u ”r 一区间概率为7 0 的范围值。2 、平均值为各分区的加权平均值3 、抗剪强度指标为固结快直剪。4 、资料来源： 拳次统计数据为有色冶金长沙勘瓤受计研究院资料 表2 2 长沙粉质粘土参数指标均值变易系数范围 参数捂昧 # y g ，c d e l a 船a ) t 、 ci l 蹦 均值范围 2 1 一z 4 7i9 2 一i 9 8o 5 9 o7 4 1 2 5 一1 65o o t l 一o0 2 l 2 4 8 一m25 95 7 5 变易系数范围o 0 8 6 一o 1 2 4 o 0 1 2 一o0 5 0o 1 0 2 一o 1 6 3o 1 0 卜o 2 1 2 o 2 0 4 一o 3 5 0o 1 5 0 o3 5 2 o 1 3 3 一o2 1 0 13 中南大学硕士学位论文 第二章长沙粉质粘土的工程地质特征研究 ( 4 ) 、矿物化学成分 粉质粘土的工程性质与其矿物化学成分，特别是与其粘类部分的矿物成分密切 相关。粘类中极细小的胶粒主要是由各类岩石、矿物经化学分解后的矿物组成，很 少是由于原生矿物经物理破碎而残留下来的矿物颗粒。粘性土是多矿物组合物，有 粘土矿物，硅、铁和铝氧化物，残留被破碎了的原生矿物，盐类矿物，有机质等。 据湖南省地质研究所在长沙市的粉质粘土中采样，省地质局所做的差热分析结果， 粉质粘土主要由粘土矿物组成，且粘土矿物成分绝大部分为高龄石族矿物：高龄石， 偶有伊利石；化学成分以s i 0 2 、a 1 2 0 3 、f 勖0 3 、f e o 等为主，其次有m n 0 、c a o 、 m 9 0 、n a 2 0 、k 2 0 等。 2 4 粉质粘土的地基评价 由上述分析可知，长沙粉质粘土有良好的物理力学性质，是较理想的基础持力 层。充分、合理、正确地评价和利用岩土体这一工程特性，无疑对工程建设投资、 工程质量、工期均会起到不容忽视的作用。本文根据长沙地区多项工程实践，收集 了长沙地区静载试验资料，对长沙地区作为建筑基础持力层的中更新世( q 2 ) 网纹状 粉质粘土地基进行评价，以期对长沙网纹状粉质粘土地基的研究和认识更加深入， 使岩土工程勘察和基础设计工作做到安全与经济合理的有机统一。 2 4 1 资料来源及试验方法 本次静载荷试验资料取自有色金属长沙勘察设计研究院在长沙黑石铺、长沙有 机化工厂、长沙铁道学院附近等场地进行的压板试验。试验按照冶金部的土的静 力荷载试验规程进行。 试验采用土锚千斤顶反压法，压板面积1 0 0 0 c m 2 ，试压深度3 5 m ，采用5 0 t 油压千斤顶加荷，标准压力表测压，两个对称装置的百分表测沉降，沉降稳定标准 为连续2 小时内每小时的沉降量不超过0 1 m m 。所做全部试验超过了比例界限压力， 部分试验达到或逼近了极限压力。在压力达到比例界限压力之前，土的沉降量微小 且稳定很快；接近极限压力时的稳定时间为1 2 2 0 小时。 2 42 试验成果及其分析 试验主要成果见表2 2 及p s 曲线图( 图2 2 ) 。 l4 中南大学硕士学位论文第二章长沙粉质粘土的工程地质特征研究 ( m m ) 图2 2 长沙粉质粘土p s 曲线图 由表2 2 及图2 2 可知： ( 1 ) 、各种状态的粉质粘土层，其p s 曲线都具有相当清楚明显的线性段，其 变形量轻微且沉将增量( s ) 在工程实用上可足够准确的试为常数。土的沉降稳定 速度也很快，压板试验条件下完成主固结压缩的历时不超过半小时；次压缩( 次固 结) 量和蠕变量虽也存在，但其所占的比例比普通粘性土的要小得多。这就表明， 长沙粉质粘土层普遍存在一种具有弹塑性特征的结构连接强度，这种结构强度在其 被克服之前，是控制土体变形的主要因素。而在普通堆积的粘性土中，p s 曲线的线 性段通常是不明显的，可塑状态更在实际上不存在真正的线性段。 ( 2 ) 、当p s 曲线越过线性段后，土中即逐渐发生粘塑性变形，沉将增量( s ) 呈幂函数形式增大。对于红白坚塑层而言，蓝线的转折是逐渐的并有个相对较为宽 广的“过渡区”；对于黄白硬塑层而言，它的曲线转折相当迅速而比较显著，转折后 的p s 曲线的行径与普通粘性土相似。这种现象可解释为：当土中的弹塑性连接强 0 1 2 3 4 5 6 中南大学硕士学位论文第二章长沙粉质粘土的工程地质特征研究 度被克服后，土的变形即转而主要受结合水膜的粘一塑一弹性变形控制，而各土层 的差别主要是与粘结水膜厚度有关，故而变形量也会有差别。 ( 3 ) 、试验数据表明，长沙粉质粘土有着较高的承载力和较小的变形，具有远