（岩土工程专业论文）考虑结构性的黄土弹塑性本构关系探讨.pdf

兰州理工大学硕士学位论文 摘要 结构性是土最为内在的根本特性之一，它是决定土的力学特性的一个根本因 素。但由于土形成原因复杂，使其具有极强的个性，明显的区域性，所以土的结构 性也千差万别。为此作者针对兰州地区黄土采用描述宏观力学行为的方法进行了一 系列室内试验，对黄土的结构性进行了分析研究，旨在建立个考虑黄土结构性的 弹塑性本构模型。 论文首先基于谢定义和邵生俊等提出的对土的结构性的研究方法，对兰州地区 原状黄土、重塑黄土、饱和黄土进行了压缩、固结、三轴剪切试验，分析和总结了 结构性参数的变化规律。在上述工作的基础上，提出了一个新的反映土的结构性损 失的指标m ，并得出结构性损失参数随其影响因素( 轴向应变、湿度和围压) 的变 化规律，建立了结构性损失参数m 与其影响因素的关系。 其次，基于沈珠江的把变形中的土体看作原状土和重塑土两种材料的混合物， 并且用双弹簧模型描述两者分担应力的思路，在土的本构模型中引入土的结构性损 失参数m ，提出一种考虑结构性影响的弹塑性本构模型。 最后，对土结构性模型有关研究方面进行了展望。 本论文的研究工作是对具有结构性的黄土本构模型研究及其实际应用的一种 新尝试。 关键词：黄土，试验研究，结构性损失参数，弹塑性模型 兰州理工大学硕t 学位论文 a b s 打a c l a b s t r a c t s t r u c t u r ei so n eo ft h ei n t r i n s i cc h a r a c t e r i s t i c so fs o i l ，m o r e o v e r , i ti sa b a s i cf a c t o rt h a td e t e r m i n e st h em e c h a n i c sb e h a v i o ro fs o i l h o w e v e r , t h e r e a s o nt h a tt h es o i lf o r m si s c o m p l i c a t e ，s o i tc a u s e s e x t r e m e l ys t r o n g d i s t i n c t i o na n da no b v i o u sr e g i o n a t i t y , a n dt h es t r u c t u r eo fs o i li sv a r i o u s a d o p t i n g t h em e t h o do ft h e m a c r o s c o p i c a l m e c h a n i c sb e h a v i o rt h a ti s d e s c r i b e dt oh a v es e r i e so f l a b o r a t o r y t e s t st ot h el o e s so fl a n z h o ua r e a ，a n d t h es t r u c t u r eo fl o e s si s a n a l y z e d a n dr e s e a r c h e di no r d e rt h a to n e c o n s t i t u t i v em o d e lo fl o e s st h a tc a r lr e f l e c tt h es t r u c t u r eo fl o e s si ss e tu p a t f i r s t ，b a s e d o nx i e d i n g y i s 、s h a os h e n g j u n s e t cr e s e a r c h a p p r o a c h e s t os o i l s s t r u c t u r e ，t h e v a r i a t i o n r e g u l a r i t y o ft h es t r u c t u r a l p a r a m e t e r i s a n a l y z e d a n ds u m m a r i z e d t h r o u g h t h e c o m p r e s s i o n t e s t ， c o n s o l i d a t i o nt e s t ，v i a x i a ls h e a rt e s to nu n d i s t u r b e dl o e s s ，r e m o l d e dl o e s s ， s a t u r a t i o nl o e s so fl a n z h o ua r e a f u r t h e r m o r e ，b a s e do na b o v ew o r k ，an e w i n d e xmt h a tc a r ld e m o n s t r a t et h es t r u c t u r a lr e l e a s ei ns o i la n dt h ev a r i a t i o n r e g u l a r i t y o ft h ei n d e xa n di t si n f l u e n c ef a c t o r ( a x i a ls t r a i n 、h u m i d i t y 、 c o n f i n i n gp r e s s u r e ) i s d r o w nu p ，a tt h es a m et i m et h er e l a t i o no ft h e s t r u c t u r a lr e l e a s ei ns o i la n di t si n f l u e n c ef a c t o ri so b t a i n e d s e c o n d l y , b a s e d o nt h et h i n k i n go fs h e n z h n j i a n g st h e o r yw h or e g a r d s t h e d i s t o r t i n g s o i la st w om i x 札t r eo fm a t e r i a ls o i l ：u n d i s t u r b e d s o i la n d i 】 兰州理工大学硕士学位论文a b s 仃a c l r e m o l d e ds o i la n du s e sad u p l e x s p r i n gm o d e lt od e s c r i b et h es t r e s so ft h e t w o s h a r e ，t h ei n d e xm o ft h es t r u c t u r a lr e l e a s eo fs o i li si m p o r t e da n dan e w k i n do fc o n s t i t u t i v em o d e li s p r o p o s e d t oe s t i m a t et h es t r e s s s t r a i n r e l a t i o n s h i pc o n s i d e r i n g s t r u c t u r e f i n a l l y , t h er e l e v a n tr e s e a r c ha i m i n g a tt h es t r u c t u r a lm o d e lo fs o i lh a d b e e nl o o k e df o r w a r d t h ew o r ko ft h ea r t i c l ei san e ww a yo nt h es t r u c t u r a lm o d e lo fl o e s s a n di t sp r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：l o e s s ，s t r u c t u r e ，s t r u c t u r a l r e l e a s e p a r a m e t e r , e l a s t i c - p l a s t i c m o d e j i i i 兰州理工大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 问题的提出及意义 第一章绪论 天然土是由固体土颗粒、水和空气所组成的多相材料。空气和水是固体土颗粒 所形成的骨架中的空隙填充物，并且空隙体积近似等于或大于固体骨架。由于固体 颗粒间的联结没有混凝土和金属材料那样牢固，所以颗粒重新排列产生的体积应变 将会改变孔隙体积。这将决定了在外加荷载作用下土的应力应变关系比混凝土、 钢等建筑材料更加复杂。其复杂性主要来源于：土的变形和强度特征主要受以下因 素的影响很大，如土的结构( 例如，颗粒大小、颗粒形状、构造面、矿物成分、粘 结作用或键) 、密度、含水量、排水条件、空隙饱和度、加载速率、约束压力、加 载( 或应力) 历史、当前应力状态以及本身的和由应力( 或应变) 引起的各向异性。 土的结构性是指土颗粒或土颗粒集合体以及它们之间的孔隙的大小、形状、排 列组合及联结等综合特征。土的结构性除了包括土的骨架和孔隙的几何特征( 即土 颗粒和孔隙的大小、多少、形状和分布等) 外，从土力学的角度考虑还包括颗粒之间 的联结特征。如果将孔隙看作是反映颗粒排列的一个方面，那么土的结构性还包括 土中颗粒的排列特征( 几何特征) 和联结特征( 力学特征) 。结构性是土最为内在的 根本特性之一，不同的土具有不同的初始结构性，因而具有不同的力学性质，土的 应力应变关系与土的结构性有明显的关系”1 。 实际上现有的各种本构模型都是针对饱和扰动土和砂土发展起来的。这样的土 的本构模型己经抹煞了土本身所固有的许多特性，未能真正地考虑实际的土体( 原 状土) 的结构性，因而工程计算结果难以模拟土体的实际状态，往往会出现较大计算 误差( 这种误差有时可能高达数十倍) 。3 。由于模型本身存在明显的结构性偏差，致使 其实测变形深度往往要小于计算变形深度，正如沈珠江所指出的，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、稳定等方面的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 土力学研究中重要而紧迫的问题。 基于上述原因，本论文就针对具有较强结构效应的兰州黄土，采用邵生俊 在三轴试验的基础上提出的既能反映土颗粒微观排列的结构性，又能反映土颗粒间 由于特殊的胶结结构而综合表现出的宏观力学特征，可以开展对土的结构性进行研 究的结构性参数m ，通过相关室内试验，总结应力应变变化规律，对兰州黄土的 变形过程即结构发生变化的过程进行结构性的定量研究，从而揭示兰州黄土结构性 参数m 。与其影响因素之间的变化规律，然后建立结构性参数与其影响因素之间 的数学表达式。最后，在上述基础上引入一个新的概念一结构性损失参数m ，建立 兰州黄土的结构性弹塑性模型，即一种能反映兰州黄土在受力或含水量变化后，土 体结构重新排列的应力应变力学模型。 兰州理工大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 土的本构模型的研究现状 土体应力应变关系是土工计算中的一个关键问题。国内外学者对土的变形规 律作了较为广泛的研究，提出了众多的本构模型。大致可以分为唯象本构模型和微 观结构模型两大类。 弹性模型是材料本构关系中最简单的一种。最常见的弹性模型有k o n d e r m l 双曲 线基础上的以e 、“为变形参数的d u n c a n c h a n g ”模型和以k 、g 为变形参数的 d o m a s c h u k v a l l i a p p a n 模型，b a t t e l i n o m a j e s 模型”1 和n a y l o r 模型“。 d u n c a n c h a n g 模型因参数少、物理意义明确且可以利用常规三轴剪切试验确定而成 为国内外广泛采用的岩土模型，但该模型的缺点是没有反映中主应力、剪胀性、应 力路径和土体的各向异性。为了克服d u n c a n - c h a n g 模型的这些缺点，沈珠江”“和 阎明礼“2 1 分别用体应变和剪切应变表示成球应力p 和剪应力q 的形式，从而反 映了土体的剪胀性。 以上为双参数弹性模型，其最大的缺点是无法考虑剪胀性。为此，a 1 一s h a w a f “ b y r n e 3 和沈珠江“钉分别建议用三参数剪胀模型。还有考虑更多因素的四、五、七 和九参数的模型等等。 另外，还有超弹性和次弹性模型，由于所采用的参数较多，且参数的物理意义 不明确，所以在工程中应用的不多。 在弹性状态下，应变唯一圭电决定于应力状态，而在塑性状态下，应力不仅与应力 状态有关，还与加载历史、加卸载状态、加载路径以及物质微结构的变形等有关。 所以弹塑性模型能更好地反映物体本性的变化。并且，在的变形中，绝大部分是 不可恢复的塑性变形。因此，通过考虑土的变形特点来建立其弹塑性本构关系便成 了岩土工程研究的重点和热点。到目前为止，弹塑性模型主要分为两类。一是从具 体试验资料出发，直接确定屈服函数，加载硬化规律等，如临界物态模型，拉特一 邓肯模型，吴天行模型和黄文熙模型等：二是从能量理论出发，导出屈服函数，并 选出加工硬化规律，从而建立应力一应变关系，如剑桥模型，南科所模型等。因为 在弹塑性模型中，土的变形与加载路径有关，所以，其表达式常常以增量的形式表 达。塑性增量理论主要包括三部分：屈服面理论流动规则理论加工硬化理论。 弹塑性模型种类很多，是土本构模型中发展最完善、应用最广泛的一类模型。 它是以弹性模型和塑性模型为依据的。塑性理论最早是由r h i l l ( 1 9 5 0 ) 提出的。 而最早的土工弹塑性模型是直接借用适用于金属材料的经典理想塑性模型中应用 较为广泛的m o h r - c o u l o m b 模型和d r u c k e r p r a g e r 模型。1 9 5 7 年，d r u c k e r 等首先提 出了塑性帽盖模型的基本思想，并开创了加工硬化弹塑性理论。随后，英国剑桥大 学的r o s c o e 和他的合作者根据重塑粘土的三轴试验提出了物态边界面、临界状态线 和弹性墙等概念，进而以加工硬化塑性力学作为理论框架，对正常固结重塑粘土建 立了第一个土的弹塑性等向硬化帽盏模型，即著名的剑桥模型。这标志着人们在土 体力学特性认识上的第一次飞跃。在c a m c l a y 模型中，土体作为加工硬化材料，并 认为体服从相适应的流动规则，其屈服面由锥形破坏面和帽型流动面组成，模型 流动面的形状是弹头形，c a m - c l a y 模型的建立对现代土力学的发展产生了深远的影 响。随后，r o s c o e 和b u r l a n d 又将模型流动面的形状由弹头形改为椭圆形，称之为 修正剑桥模型“。之后，l a d e 和d u n c a n 根据砂土的真三轴试验结果，提出了一种适 用于非凝的弹塑性硬化模型。后来，l a d e 又对屈服面函数作了修正，将该模型推广 2 兰卅i 理工大学硕士学位论文 第一章绪论 应用于正常固结的粘土中。 魏汝龙、k h o s l a 和w u ( 1 9 7 6 ) 又把椭圆屈服面在应力空间中推广到更一般的情 况。 帽盖模型最初被用来描述砂土的本构性状。后来被延伸应用于粘土、岩石等其 他地质材料。由于帽盖模型能给出唯一、稳定的应力一应变关系，模型的材料参数可 以方便地从几种标准试验资料中确定。而且，由于其明显的适应性和灵活性，近几 年来获得了广泛的发展和应用。为了更好地模拟地质材料在塑性屈服前的非线性性 状，提出了变模量帽盖模型“。该模型只是在公式中增加了与非线性弹性常数相关 的项，并没有给计算增加多大的困难，但模型却具有了更广泛的适应性，因为该模型 不仅能描述塑性屈服前的非线性、剪胀性等特性，还能描述屈服后的各种破坏性状 与塑性硬化性状，这就使得本构模型在岩土工程中获得广泛的应用。 岩土类材料的屈服函数及其描述的屈服面，随应力状态而变化的事实早己被公 认，直至近代复杂应力状态下的高压实验技术出现后，又进一步认识到土体这类材 料在较低围压下表现为应变软化，塑性体积膨胀，屈服面向内收缩；在较高或极高 围压下，则表现为应交硬化，塑性体积压缩，屈服面向外扩张；其间存在塑性体积 变形为零的所谓临界应力状态；在兰轴等压即静水压力下，材料也将会屈服，屈服 面应当是封闭的曲面。因而，先前那些基于库仑定律的子午线内线性增长的屈服函 数，如摩尔一库仑锥、德鲁格一普拉克圆锥及改进为非线性增长的抛物型、双曲型 等开口屈服面，如果被无限制地引用，则屈服极限可随静水压力无限增长，这显然 与试验结果不相符。从材料属性来看，这些屈服函数夸大了岩土材料的软化性，更 难于反映材料的应变硬化n “”1 。近年来出现了加帽盏的封闭屈服面，它可以由两段 曲线组成，交点可以不连续，也可以光滑连接，还可以用统一的完整曲线表达。比 如，a t k i n s o n 等建议的所i 胃r o s c o e h o v r s l v 模型，由椭圆和直线相连“”。n o v a 提出 的建议是把直线段改成反置弹头型曲线，并把椭圆与该曲线的连接点放在叩= 娑线 2 上”3 。这类模型往往以塑性体应变为硬化参数。 沈珠江对所有的屈服面进行总结提出了统一的屈服面，原则上前面所述的帽盖 模型都可以作为统一屈服面，但像椭圆型和弹头型屈服面，左侧凸出太多，离开破 坏包线的实际形状太远，显然是不合适的。因此，统屈服面应当类似反置的弹头 型曲线那样，左边是小头，右边是大头。这类屈服面可以分为两类，一类是蛋型， 两头是圆的，另类是水滴形，一头尖，一头圆。它们的统一表达式可以写成下式： f = p ( h ) = 吒，f 0 ( 叩) ( 1 1 ) 式中，f o ( 印) 只是叩= q _ _ 0 0 的函数。并根据矗( 玎) 的不同可以分成五类”o 3 。 叩。 。 在封闭屈服面中大多都采用塑性体应变作为硬化参数，沈珠江为了更好的模拟 软土的软化现象，采用了塑性体应变和塑性剪应变作为硬化参数的双硬化模型脚。 李广信在清华模型的基础上以塑性功为硬化参数对砂土的软化进行模拟，建立 了砂土的应变软化模型。他认为根据试验数据，采用清华模型思路确定的屈服面软 化段和硬化段具有相同的形式，并采用椭圆方程”1 描述。 理论上讲，硬化参数可以有六个，双硬化参数或三硬化参数模型比起单硬化参 兰州理工大学预士学位论文第一章绪论 数模型更接近理想情况，因此能更好地反映复杂受力状态下的变形特性。“。所以， 有许多学者开展了多硬化参数模型的研究。双屈服面的设想最早是r o s c o e 建议的， 他提出弹头形屈服面的同时还补充了一个水平的剪切屈服面。以后p r e v o s t 、 v e r m e e r 和o h m a k i 等都提出了各自的双屈服面模型。其中流行最广的是l a d e 建议的 双屈服面模型瞄3 ，其表达式为： f 彳= ，1 2 + 2 1 2 r3，( 1 2 ) = ( - 2 7 ) ( 习” 【0 3岛 式中，i ij ：和厶分别为第一、第二和第三应力不变量：z 和呃分别称为压缩和剪切 屈服面，各自是压缩和剪切塑性功的等值面。此外，对压缩屈服面假定了正交流动 法则，对剪切屈服面采用了非正交的势函数。 沈珠江最早建议了下列双屈服面“”： 腿l n 警q 毒一。， 正=旦ln等竽一面osi-brl = 够 。 盯 2 g 5 并假定斤是塑性体应变等值面，厶是塑性剪应变等值面。式中e ，c ，a ，b ，d 和n 为6 个 参数；g 为弹性剪切模量。 殷宗泽提出了双屈服面模型，他认为土体的塑性变形是由于土颗粒之间产生了 相互错动滑移引起的，士体的塑性交形由两部分组成，一部分与土体的压缩相联系， 主要表现为土颗粒滑移后引起体积压缩的颗粒的位移特性；另一部分与土体的膨胀 相联系，表现为土颗粒滑移后引起膨胀的颗粒的位移特性。即体积屈服面和剪切屈 服面形式如下”“： p + 亚q 21 w )。， 詈j 赤2 彤 其中，p = 妄( q + 吼+ o r 3 ) ，q = ( 口l 一吒) 2 + ( 吒一吧) 2 + ( 吒一q ) 2 ，m ，m 2 ，g 为弹 j、2 性常数，a 是主要反映剪胀还是剪缩的一个参数。模型参数的确定需要做各向等压 试验、回弹试验和常规三轴排水剪切试验。该模型对弱软化型土比较适用，能反映 土的剪胀现象。 为了比较真实地描述循环荷载条件下土的本构特性，更好地模拟土的复杂的应 力一应变特性，1 w a n ，m r o z 提出了多重屈服面弹塑性模型。p r e v o s t 采用多重屈服面 的概念提出了不排水条件下粘土的本构模型。之后，又将此模型推广用于研究排水 兰州理工大学硕士学位论文第一章绪论 条件下土的力学性质。 国内也有学者提出多重屈服面模型，比如沈珠江的二重屈服面，三重屈服面； 郑颖人的三重屈服面，沈珠江”所提出的屈服面，没有考虑罗德角的影响，其形 式为： _ ( p ，q ) = p 正( p ，q ) = q ( 1 5 ) 五( p ，g ) ：叩：里 盯 ，屈服面称为压缩屈服面，正屈服面称为剪切屈服面，五屈服面称为剪胀压硬 屈服面，：反映应力偏张量和应力球张量与偏应变张量和球应变张量的交叉影响。 郑颖人。“在广义塑性力学基础上建立的屈服面考虑了罗德角的影响，其形式为： 髟= l ( p ，g ，护) ， 彤= f a p ，g ，护) ，蜡= 石( p ，q ，p ) ( 1 6 ) 边界面模型最早由d a f a l i a s 和p o p o v 提出并应用于金属材料的循环加载，k r i e g 等发展了较为简单的土的各向异性应变硬化塑性力学模型，d a f a l i a s 和h e r r m a n n 采 用边界面模型的公式来描述粘土在循环加载条件下的性状。相比于多重屈服面模型 边界面模型无需记忆多个屈服面的位置和大小，相对比较简单。但无论是塑性理论 还是流变理论都难以全面反映土的客观性质。 1 3 土结构性本构模型及其结构性方面的研究 纵观土结构性研究的历史，上世纪2 0 年代到5 0 年代以手持放大镜为工具，上世 纪5 0 年代中期到6 0 年代后期，光学显微镜、偏光显微镜和x 一射线衍射等技术开始运 用到土结构性的定量化指标的研究中1 。直至上世纪8 0 年代，在广泛研究的基础上， 出现了描述微结构形态诸要素的方法和反映结构性影响的力学模型，显示出将微观 力学变量和宏观力学变量结合起来建立土本构模型的企图。目前，在国际上，俄罗斯 及东欧一些国家在微结构研究领域中作出了较为突出的贡献。m i t c h e l l 、k c o l i i d s 和m c g o w n 提出了许多微观结构的概念，分析了其工程意义。与此同时，由于计算机 技术的不断提高，计算机图象处理系统被引入到土的结构性的研究中，使土的结构 性定量化研究水平上了一个新的台阶。t o v e y 等首次采用电子显微镜照片对土结构 进行了定量分析研究。m i t c h e 1 出版了 f u n d a m e n t a l o fs o i lb e h a v i o r 书， 书中对粘土类和岩石微观结构及其控制因素的定量分析进行了系统的阐述。粘性土 微观结构定量化研究中一个了不起的突破的标志是以b a z a n t 教授领导的研究小组 相继对粘性土的变形、蠕变、岩石和混凝土断裂等方面建立了微观力学模型1 。虽 然在粘性土微观结构参数选取方面还有许多欠缺，但是毕竟第一次在建立粘性士本 构关系中考虑了微观结构因素，它标志着土的结构性的研究进入到了一个新时期。 我国开展土微观结构的研究工作要比国际上晚几十年，但研究的技术手段起点 较高，取得的成绩也是令人欣喜的。高国瑞、王永炎、腾志宏等对黄土的微观结构 进行了观察和分类，并与黄土湿陷性的关系进行了探讨。“”3 。胡瑞林等通过微结构要 兰州理工大学硕士学位论文第一章绪论 素定量分析，研究黄土在压力作用下的微结构要素变化规律，初步揭示了黄土宏观 变形的微结构控制机理。苗天德等( 1 9 9 0 ) o “利用突变理论建立了湿陷性黄土的 微结构失稳模型。刘松玉提出了建立于土工试验基础上的粒度分维法d = 3 一b 。吴 义祥从理论上给出反映结构强度的描述结构状态的结构熵e = 五凶& 。e 麟。谭 罗荣、施斌、李生林等对膨胀土的微观结构与工程性质的关系进行了详细的研究， 取得了一批很有价值的成果脚。李向全、胡瑞林、张莉从粘性土土体结构系统观 点出发，建立了土体结构形态概念模型，对软土力学特性有了更深层次的认识o ”。 李生林、吴义祥分别成功地研制了冷冻真空升华干燥仪，填补了我国微观结构各样 技术的空白。谭罗荣、施斌利用x 光衍射仪对粘性土中扁平粘土矿物颗粒定向排列 进行了定量测定。吴义样、旖斌应用了计算机图像处理技术对微观结构形貌进行了 定量研究，取得了重大进展。 从土的微观结构角度来建立土的本构关系，只是近十几年的事。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交关系。这些关系的建 立有两个前提。，即微滑面上的应力是宏观应力张量的分量( 静态约束) ，微滑面上 的变形是宏观应变张量的分量( 动态约束) 。z i e n k i e w i c z 和p a n d e 、p a n d e 和s h a r m a 、 p a n d e 矛o x i o n g 应用塑性理论描述了土的结构性状。但他们只考虑了静态约束，未考 虑土的应变软化性。b a z a n t 和o h 、b a z a n t 和g o m b a r o v a 发现土在静态约束下，当应 变软化发生时，其微滑面是稳定的。目前，国际上比较有影响的微观结构模型主要 有二类：一类是由b a t d o r f 和b u d i a n s k y 创立的经典塑性滑动理论发展形成的重叠片 和微滑面模型；另一类为c u n d a l l 和s t r a c k 建立的颗粒模拟模型，近几年己应用到 了水泥、纤维和砂等复合材料的本构关系模型中。国内，施斌曾利用上述第一类微 观力学模型建立了各向异性粘性土蠕变的微观力学模型，取得了较好的拟合效 果。 国内学者以沈珠江为代表在着手建立反映土体结构性的本构模型，如弹塑性损 伤模型”、非线性损伤模型“”和堆砌体模型h 盯等。赵锡宏等n 叮的软土弹塑性各 向异性损伤模型以热力学理论为基础，提出考虑各向异性损伤的能量指标概念，并 在此基础上建立损伤势函数，进而建立软土的弹塑性损伤模型。肖树芳等”钔首次 引入c s d e s a i 的扰动状态概念，将其应用到结构性软土的建模中，建立了软土的 结构性弹塑性扰动状态模型。雷华阳h ”首次将贯入强度引入，提出了个能较好 地反映土体强度变化的结构性指标，将该指标与硬化参数之间建立相应关系，并应 用到弹塑性模型。 上述表明，现代微结构研究的重心已有所偏移，就是由原来的定向研究朝着微 结构定量化的方向努力，寻找土体微结构与工程特性的直接制约关系。但若要全面 描述结构性几何特性和联结特征，还应当进一步完善已有的结构量化信息提取手 段，继续开拓新的途径。 在结构参数方面，为了寻找一个能全面反映土颗粒的排列特征和联结特征的定 量化指标，谢定义提出利用扰动、加荷和浸水这三种因素与结构性之间的关系，吸 收土力学中在表征结构性方面的有效概念来加以实现。他指出，结构性参数应该能 够反映以下基本认识和关系： ( 1 ) 结构性的强弱，不只是土结构强度的大小，而应对土的联结和排列两个方 面综合反映。 ( 2 1 任何土均有自己的初始结构性，它在加荷或浸水过程中，会发生初始结构 兰州理工大学硕士学位论文第一章绪论 性破坏和次生结构性形成的耦合变化。 ( 3 ) 特殊土结构性的概念应该与其特殊的力学行为相对应，使土的结构性指标 能够描述出特殊土的特殊性质。 ( 4 ) 结构的联结特征称为结构的可稳性，结构性较强的土才是强结构性的土。 ( 5 ) 土的结构性实质是一种土物理状态的显示，是土生成条件、生成环境的自 然历史产物。 ( 6 ) 土的结构性既然是一种复杂的客观存在，那么研究土结构性最好的方法应 该是使土的结构性破坏，让它的结构势充分表现出来。 基于上述的基本认识，寻求有效结构势指标的基本思路应为： ( 1 ) 走土力学的研究途径。在极难对各结构要素由分别定量化到综合定量化的 条件下，应该用简单可靠的方法，从土的变形、强度特性入手，直接寻求一个合理、 灵敏、稳定并适用于各种土类的结构性指标。 ( 2 ) 用释放结构势的方法，如扰动、加荷、浸水等来寻求结构性的定量化指标。 ( 3 ) 以压缩试验为基础，对原状土试样、它的饱和土试样以及它的重塑土试样 分别在压缩仪上作压缩曲线，得到三条压缩曲线，作为研究结构性的基本依据。此 称为三线法。 ( 4 ) 以综合结构势聊。为土结构性参数 s ； m 。堕：昱：曼里 2 蒿。蓝2 。矿 s ， ( 1 7 ) 式中，品，s 。，s ，分别为原状土试样、饱和土试样和重塑土试样在某一压力p 下 的变形量。 ( 5 ) 适用于特殊土类并能够反映压力影响的动态过程。 邵生俊认为压缩试验受侧限变形的局限性，不能反映剪切变形发展结构性的 变化。于是在三轴试验的基础上，提出了一个既能反映土粒微观排列的结构性，又 能反映土粒间由于特殊的胶结结构而综合表现出的宏观力学特征，从而可以开展对 土的结构性进行研究的结构性参数厅。其表达式为： 所一：! ! ! 二垒k ( 0 i - - 0 3 ) y ( 1 8 ) 。( q c r y ) ，( q 一) 。 在分析大量试验数据的基础上，证明了结构性参数的合理性，灵敏性和稳定性， 揭示了一与影响土结构性的因素之间的变化规律，使黄土的结构性定量化研究有 了一个新的基础。 本论文将在邵生俊等人所做工作上做进一步的研究。 兰州理工大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 本论文的主要工作及技术路线 本文在收集、查阅和整理大量中外文献的基础上，开展土的结构性及其力学本 构模型的研究，主要工作有以下几个方面： 1 、结构性力学试验研究 通过对兰州地区黄土进行原状、重塑、饱和试样的三轴试验和固结试验，根据 邵生俊提出的结构性参数。分析方法，定性地分析兰州黄土的结构性随不同的影 响因素( 轴向变形、围压、湿度) 变化的关系。 2 、结构性的定量研究 通过上述的分析，建立结构性参数与其影响因素之间的表达式。 3 、土结构性弹塑性模型研究 以上述建立的结构性参数表达式为基础，在魏氏模型中考虑黄土的结构性从而 建立适合黄土的结构性弹塑性模型。 本文研究工作的技术路线如下图所示： 图1 1 黄土结构性模型研究技术思路图 兰州埋工大学硕士学位论文第二章兰州黄士结构性定量化试验研究 第二章兰州黄土结构性定量化试验研究 人们认识到的土的力学行为的不确定性、不规则性和模糊性，正是其结构复杂 性的具体反映。士体在外部荷载作用下，各种土颗粒可表现出滑动、滚动、挠曲或 压碎等效应，而且在排水条件下，土骨架间的水和空气被挤出，与此同时，土颗粒 相应发生重新排列，土体发生变形。因此与金属材料不同，土体在剪应力作用下， 不仅发生剪切变形，还会产生体积改变。在静水压力作用下，土体也会产生塑性变 形。显然，土的力学性质从本质上来说是取决于其结构性。前人在研究土的结构性 时是从土的微结构性研究入手的。人们从长期对土的结构性研究中，已开始认识到 它对解释土的力学行为的本质与规律起到了很大的作用，土的微结构性的研究目的 主要有二：一是根据微结构的研究成果，定性地说明某些工程特性的渊源；解释某 些特殊的工程力学现象：二是企图根据微结构研究资料的数学处理，通过特定的量 化分析建立结构状态参数与其对应的宏观力学参量之间的联系，得到微结构与宏观 特性之间的定量关系。微结构的研究前一目的可以很好的达到，但是第二个目的是 不太容易实现。最现实和最有前景的途径是寻求一个能直接反映结构性本质的结构 性参数。基于此，本文以兰州黄土为研究对象，采用室内三轴试验来研究黄土的结 构性。 2 1 试验方案 2 1 1 土样基本物理力学性质 土样采白兰州市兰工坪某处，属黄河南岸级阶地，采样深度为3 6 米，根 据物理力学试验，可得到黄土的土性指标见表2 1 。表2 1 中的数值均为所取试样的 土工试验的平均值。天然含水量在3 9 4 3 ，天然千重度在1 3g c m 3 1 3 3g e m 3 。 黄土试样物理力学指标表21 i 天然含水量天然干重度液限塑限粘聚力内摩擦角 湿陷系数 l( ) ( g e m ) ( )( )( k p a )( 。) i 4 ，1 _ 3 l 2 6 51 7 52 62 2 40 0 2 4 2 ，1 2 试样制备 试样尺寸为 1 0 1 2 0 0 r a m m m ，原状土样和重塑土样的含水量分别为4 、9 、1 3 、1 6 、1 9 。含水量的改变是通过先把含水量为4 的试样按照比规定 尺寸略大的尺寸制备，然后埋入比预定含水量9 、1 3 、1 6 、1 9 约高3 4 的扰动土里一周左右的时间，做试验时再制成规定的尺寸，因含水量的蒸发等因素 从而使扰动土的含水量有所降低，实测含水量分别为8 9 、1 3 i 、1 5 7 、1 9 3 ，虽实测含水量与预定含水量有一定差异但差异不大，在后面定量分析中取预定 9 兰州理3 - _ 大学碳：j 二学位论文第二章兰州黄土结构性定量化试验研究 含水量。原状土采用切土器削样制作的方法，制样时严格控制土样的尺寸；重塑土 样采用制备原状土样后所余扰动土在控制和原状土样相同的干密度和含水量的条 件下，通过三轴仪上配套的击实器分层击实制备；饱和试样是通过饱和器制备的。 2 1 3 试验规划 试验仪器采用南京水利电力仪表厂的应变式三轴剪力仪和三联固结仪，为满足 本课题研究的需要，需要做的主要试验如下： ( 1 ) 压缩试验和回弹试验：压缩试验中，压力等级分别采用1 2 5 、2 5 、5 0 、 1 0 0 、2 0 0 、3 0 0 、4 0 0 、5 0 0 、6 0 0 、7 0 0 、8 0 0 、9 0 0 、1 0 0 0 k p a 。施加每级压力后， 2 4 h 后测定试样高度变化作为稳定标准，回弹试验中，压力等级分别采用1 2 5 、2 5 、 5 0 、1 0 0 、2 0 0 、3 0 0 、4 0 0 k p a ，回弹起始压力分别为1 0 0 、2 0 0 、3 0 0 k p a 。回弹时， 在某级压力下稳定后卸载，逐级卸载，每级荷载卸后2 4 h 测定试样的回弹量。 ( 2 ) 常规三轴试验：用三轴仪使原状土样、重塑土样和饱和土样在蟊= c o n $ l 的压力下固结1 2 小时以上后，进行排水剪切试验，剪切速率为0 3 m m m i n 。围压 分别取哦= 5 0 、1 0 0 、1 5 0 、2 0 0 、3 0 0 、4 0 0 k p a ，记录每次试验的量力环百分表读 数和轴向变形百分表读数。剪切以量力环百分表读数出现峰值后或变化不大时，且 应变持续增长3 5 ，或从压力室外看到土样有明显的裂纹错动后认为试样破坏。 2 2 固结压缩试验 图2 1 为原状土样、重塑土样和饱和土样的e l o g p 关系曲线图。 l o g p 图2 1 e l o g e 关系曲线 从图2 1 上可以看出： ( 1 ) 兰州黄土的压缩曲线大致经历平缓段、陡降段，最后趋于重塑土压缩曲 线段。原状土在固结压力小于结构屈服应力时，压缩性较小：当固结压力达到结构 1 0 兰州埋丁大学硕士学位论文 第二章兰州黄土结构性定量化试验研究 屈服压力并继续增大时，压缩性急剧变大，土的压缩曲线出现了陡降段。随着固结 压力的进一步增大，原状土的压缩曲线与重塑土的压缩曲线逐渐趋于一致。 ( 2 ) 导致原状土与重塑土之间的这种差别，主要与土结构性有关。原状土在 固结压力未达到结构屈服应力时，主要是初始结构性的自我调整，变形很小，表现 为线性应力应变关系。当固结压力达到结构屈服应力时，土初始结构大部分被破 坏，应力的微小增量会导致变形的较大增长。当固结压力达到结构屈服应力而继续 增大时，随着变形的增长，士的初始结构最后完全破坏，与重塑土的结构趋于一致。 ( 3 ) 由原状土样和饱和土样的对比与原状土样和重塑土样的对比可以发现， 压力对土的压缩性影响很大，水对黄土的结构性的破坏比外力的扰动影响更大。这 也是黄土湿陷性存在的一个有力说明。 ( 4 ) 由以上分析可以发现，黄土是一种典型的结构性土，其结构性同时受湿 度和应力两个因素的影响，并且前者的影响比后者的影响更甚。所以研究黄土的结 构性必须考虑这两个因素。 2 3 三轴固结排水抗剪试验 土的应力应变关系是建立土体结构性本构模型的基础，土的结构性的定量是 建立土结构性本构模型的关键。本节将通过原状土、重塑土和饱和土的三轴固结排 水剪切试验对比分析土结构性对土应力应变关系的影响。 在固结排水三轴剪切的条件下，随着应变的发展，原状土体内部颗粒排列和胶结 结构不断发生调整，原生结构逐渐破坏，次生结构逐渐生成。原生结构在压剪作用下 的抗力构成主要表现为胶结产生的抗力，水膜吸力作用产生的抗力以及嵌固摩擦作 用产生的抗力三部分。通过重塑扰动和浸水饱和可分别使原状土由胶结作用、土粒 空间排列、水膜吸力作用所表现出的结构势充分地释放。综合比较分析原状土、重 塑土和饱和原状土剪切变形过程中抗剪应力变化，可以揭示结构性随轴向应变的变 化规律。因此黄土的结构性参数应该是动态变化的，并且在相当程度上涵盖粒度、 密度和湿度等影响土力学性质的因素。结构性参数的最终表达式应该是粒度、湿度、 密度、应变和应力等的函数。 基于以上的认识，对原状黄土、饱和黄土以及相同含水率和干密度的重塑黄土 进行三轴试验，依据它们的应力应变曲线，可以得到给定应变条件下不同结构状态 土各自的主应力差( q 一矾) 。( q 一吧) ，和( 吼一吒) 。来反映扰动、浸水和加荷作用下土 的结构性变化。其中，( q 一码) ，( q q ) ，和( q 吧) ；分别表示天然沉积黄土、扰 动重塑土样和浸水饱和土样在剪切过程中的主应力差。由原状士与重塑土的主应力 差比值及原状土与饱和土的主应力差比值可以综合反映土粒空间排列和粒间联结 特征所反映的结构性。因此，根据释放结构势的方法可定义如下的结构性参数”3 ： 胧：! 堡二曼蔓! 鱼二垒生( 2 1 ) 2 一( 盯1 - 0 3 ) r 商 憎u 从式( 2 1 ) 可以看出：土的原始结构联结越强，在同一轴向应变时，其主应力 差越大，扰动重塑后的强度损失越大，土的结构性参数越大：浸水作用下结构性破 坏越大，饱和原状样的强度损失越大，土的结构性参数也越大。随着应变的发展， 兰州理工大学硕士学位论文 第二章兰州黄土结构性定量化试验研究 原状土样的结构性逐渐损失，次生结构逐渐生成，伴随着结构强度逐步损失，该参 数反映的结构性在不断变化。 根据上面的分析，将可发现轴向应变、湿度和围压是结构性的三个主要影响因 素，下面将从这三个方面研究。 2 3 1 轴向应变对结构性的影响 图2 2 、2 3 、2 4 分别为原状土样、重塑土样和饱和土样在吼= l o o k p a 下的固 结排水试验的应力应变曲线。 轴向变形c 图2 2 原状土在围压为1 0 0 k p a 下应力应变关系 从图2 2 ，2 3 ，2 4 中可以看出： ( 1 ) 原状土样在轴向应变小于1 2 时，呈现线性关系。随着轴向应变的增大， 进入塑性阶段，呈现塑性硬化。重塑土样的应力应变关系和原状土样的相比，其弹 性阶段和塑性阶段区分不太明显，并且塑性硬化程度较原状土样的强。而饱和土样 的应力应变关系和重塑土样的相比硬化程度更强些。其间的差别主要是土的结构性 所致。 ( 2 ) 在原状土样、重塑土样和饱和土样的应力应变关系曲线上，取相同的轴 向应变对应的主应力差，具有原状主应力差大于重塑土主应力差，重塑土主应力 1 2 兰州理工大学硕士学位论文 第二章兰州黄土结构性定量化试验研究 差大于饱和土主应力差的特征。当轴向应变较小时，随着应变的增大，原状土与重 塑土或原状土与饱和土之间主应力差的差值增大，当轴向应变增大到一定程度时， 这一差值将会变小，特别是原状土样和重塑土样之间。 图2 5 是结构性参数m 。在围压为1 0 0 k p a 下随着轴向应变的变化关系曲线，开 始有试验点较低，而后急剧增大，然后随着轴向应变的增大，结构性参数里减小 趋势，并且减小的速度是越来越慢。 轴向应变e a 图2 5 结构性参数在围压为1 0 0 k p a 下随轴向应变的变化 2 3 2 湿度对结构性的影响 图2 6 ，2 7 分别是原状土和重塑土在w = 4 0 ，9 0 ，1 3 o ，1 6 0 ，1 9 0 ， 围压为1 0 0 k p a 时的三轴固结排水剪切试验的应力应变关系曲线。图2 8 为在围压 1 0 0 k p a 下，不同含水量的黄土的结构性参数随轴向应变变化的关系曲线。 比较在围压为1 0 0 k p a 下，不同含水量时的原状士应力应变关系曲线，表明含 水量对黄土的结构性和强度有明显的影响。在围压为1 0 0 k p a 下，其应力应变曲线均 呈硬化型，其主应力差随着轴向应变的增大均里增大趋势。随着含水量的升高，其 硬化程度由弱硬化型转变成硬化型继而转变成强硬化型应力应变曲线。在同一轴向 应变时，其主应力差随着含水量的升高而减小，且其减小的速度越来越慢，说明含 水量在由低含水量开始增大时对其结构性的影响最大，其后的影响越来越小。在剪 切过程中所有试样均是出现剪缩现象，且试样破坏时也均是呈现鼓胀状。 比较图