基于扰动状态理论的软土压缩变形试验

1、第40卷第2期Vol.40No.2吉林大学学报(地球科学版)2010年3月JournalofJilinUniversity(EarthScienceEdition)Mar.2010基于扰动状态理论的软土压缩变形试验李军霞,王常明,张先伟吉林大学建设工程学院,长春130026摘要:基于扰动状态理论对漳州和东莞软土扰动样和重塑样单向压缩变形的结构性特征进行了分析,利用重塑样试验数据还原了原状样的压缩曲线,将变形中的土体视为相对完整状态和完全调整状态的混合物,定义原状土样为相对完整状态、重塑土样为完全调整状态,且分别用土弹性模型和修正剑桥模型表达,扰动函数与荷载对数具有较好的幂函数关系,因此建立了土

2、体应力应变关系扰动状态模型,并通过压缩试验结果对模型合理性进行了验证。结果表明,该模型能较好地描述土体压缩变形特性,且参数确定简单易行,为软土地基工程沉降分析提供了一定参考。关键词:软土;扰动状态概念;压缩变形;扰动状态模型中图分类号:P642.1文献标识码:AExperimentalResearchofStateTheoryLxia,WANGChang2ming,ZHANGXian2weiofConstructionEngineering,JilinUniversity,Changchun130026,ChinaAbstract:One2dimensionalcompressivestruc

3、turaldeformationpropertiesofdisturbedandremoldedsoftsoilsamplesinZhangzhouandDongguanareanalyzedbasedonthedisturbedstateconcepttheory.Thecompressioncurveoftheremoldedsampleisrestoredtotheoriginalstate.Thesoilcanbetakenasamixtureoftwoconstituentpartsintherelativeintactandfullyadjustedstates.Bydefinin

4、gundisturbedsampleintherelativeintactstateexpressedbyelasticmodel,remoldedsampleinthefullyadjustedstateexpressedbymodifiedcambridgemodelandthedisturbancefunctionhavingagoodpowerfunctionwithlogarithmload,thedisturbedstatemodelofstress2strainrelationshipissuggested.Thereasonabilityofthismodelhasbeenve

5、rifiedbycompressiontestdata.Theresultsshowthatitiseasytodeterminetheparametersandthemodelissuitabletodescribecompressivedeformationpropertiesofsoftsoil,whichcanprovideareferenceforthesettlementanalysisofsoftsoilfoundationengineering.Keywords:softsoil;disturbedstateconcept;compressivedeformation;dist

6、urbedstatemodel0前言者都进行了大量的研究工作。刘祖德等1应用损伤力学理论和断裂力学理论建立了结构性土体破损的土体的结构性本构关系研究是岩土工程的重要研究公式;沈珠江院士2基于岩土破损力学理论将课题之一。在土体结构性的本构模型方面,许多学岩土物质视为结构块和结构带组成的组合体进行了收稿日期:2009205212基金项目:国家自然科学基金项目(40572153),女,河北河间人,博士研究生,主要从事岩土工程与地质灾害方面的研究,E2mail:lijx6study作者简介:李军霞(1982),男,浙江绍兴人,教授,博士生导师,主要从事工程地质与岩土工程方面的研究,E2mail:通讯联

7、系人:王常明(1966wangcm。第2期李军霞,王常明,张先伟:基于扰动状态理论的软土压缩变形试验土体结构性的研究;王常明等3从土的力学行为与验在双面排水情况下进行,分级加荷,见表2,每级微观结构相结合的角度探讨了土体单向压缩特征,荷载持续时间为24h。表2荷载等级并建议了一个考虑非线性蠕变特性的压缩本构模型;Desai4应用扰动状态理论建立起土的本构模型,之后也有学者建立起砂土5、粘性土6的扰动状态模型。近年来,随着DSC理论的系统化发展,DSC理论在土方面的代表性研究有结构性土次塑性DSC模型7、结构性粘土DSC模型8、粘性土应Table2土样名称漳州扰动样、重塑样东莞扰动样、重塑样Lo

8、adlevel加、卸荷/kPa12.5-25-50-75-100-200-100-50-100-200-400-800-160012.5-25-37.5-50-75-100-200-400-200-100-200-400-800-力应变和压缩变形分析9。美国著名学者Desai提出的扰动状态概念理论(disturbedstateconcept,DSC)的基本思想是将材漳州、东莞的扰动样与重塑样压缩曲线如图1料单元变形看成是由处于相对完整(relativeintact和图2所示。可以看出,state,RI)状态部分和完全调整(fullyadjusted为直线,导致土的压state,FA)状态部分所

9、组成的混合物,材料在荷载ep,失去了明显的转化,由初始RI状态逐步转变为FA,系进行模拟。向压缩试验结果,曲线进行还原,以DSC理论为基础,定义原状土样为相对完整状态、重塑土样为完全调整状态和扰动函数,建立软土压缩变形扰动模型,为软土地基工程沉降的数值分析提供参考。1基于扰动状态理论的软土压缩特性分析图1漳州土样的e2p曲线试验土样为漳州和东莞地区的滨海环境沉积软土,因取样、运输、制备等客观因素影响,土样发生一定程度的扰动,故定为扰动样;重塑样则是将土样混合均匀后而制备成与扰动样大小相同的土样。扰动样的基本物理性质指标见表1。表1Table1扰动土样名称漳州软土东莞软土Fig.1e2pcurv

10、esofsoilsamplefromZhangzhou土样物理性质指标Physicalindexesofsoilsamples含水率/%69.6050.05取样深度/m14.02.32.8天然密度/(gcm-3)1.571.72孔隙比1.961.36扰动土样名称漳州软土东莞软土液限/%67.3040.83塑限/%31.5731.63塑性指数液性指数35.7524.381.011.56图2东莞土样的e2p曲线Fig.2e2pcurvesofsoilsamplefromDongguan折点,压缩曲线出现微弧度和趋于重塑样压缩曲线针对漳州、东莞的扰动样和重塑样分别进行了段;这与土的结构性有关,可用扰

11、动状态概念理论进单向压缩试验。试样高为2cm,面积为30cm2,试357吉林大学学报(地球科学版)第40卷行解释。在压缩初始阶段,土样处于RI状态;随着线弹性特征,得到RI状态本构关系11:i荷载的增加,土孔隙中的水被挤出,土粒相互移动靠i(1)=。v=iiK1+e-lnp0拢、重新排列组合,土样初始微结构被破坏,孔隙体iv为RI状态土的积减少,曲线出现微弧度。土样内部初始微结构的式中:上标i表示相对完整状态;破坏导致RI状态土体减少,FA状态土体增多,RI状态土体持续地转化到FA状态,但此阶段RI状态土体仍占大多数且承担荷载压力的作用;累积荷载的增加使得土体内部结构发生更多破坏,更多RIi应

12、变;e0为土初始孔隙比;p为荷载等级;为RI状态土在e2lnp平面中的斜率,可由原状土样e2lnp平面的初始斜率求得。2.2状态土体转化到FA状态,扰动土样曲线趋于重塑样压缩曲线段;随着累积荷载的进一步增加,土样中分析可知,随着土体变形的发生,受荷载作用的土颗越来越多的RI状态转化到FA状态,直至土体全部粒开始改变其结构排列,土体RI状态不断转化到进入FA状态,土的结构性完全被破坏,此状态下扰FA状态,状态。此状态下扰动样表现为重塑土力学性质,其压缩曲线应与重塑,样压缩曲线重叠。但图1、2中两曲线未重叠与土结,11来描述土的构性有关,在荷载作用下土样结构没有完全被破坏,:ccc(2)=。v=c

13、cv1+e0-lnpRI状态和FA。c式中:上标c表示完全调整状态;v为FA状态土的c应变;为FA状态土的压缩指数。在单向压缩试cc可通过=cc/2.303确定,其中cc为,认为土体变形主要产生体验中,参数积变形,基于扰动状态概念理论,将原状土样(未扰重塑土e2lgp平面中的压缩指数。动土样)视为相对完整状态,重塑土样视为完全调整2.3扰动函数状态,通过扰动函数来描述RI状态与FA状态之间扰动函数是表征土体从相对完整状态到完全调i的响应,即扰动土样结构性逐渐被破坏的土体变形整状态的动态参数。定义扰动函数Dv=ce0-e特性,从而构建本构关系。(0<Dv<1),从宏观角度建立起漳州、

14、东莞软土2.1土体RI状态模型根据文献10的压缩曲线模型,采用重塑样试的扰动函数与荷载p的关系,如图3所示。曲线2.4083.2924、y=0.0012x分别是拟合漳州验数据还原得到了原状样的压缩曲线(图1、2),定y=0.0059x后压缩阶段扰动函数和荷载的关系曲义原状土样为相对完整状态,RI状态下土变形具有土样卸荷前、土体FA状态模型根据基于扰动状态理论的软土压缩蠕变特性的2图3漳州、东莞软土Dv2lnp曲线Fig.3Dv2lnpcurvesofsoftsoilfromZhangzhouandDongguan358第2期李军霞,王常明,张先伟:基于扰动状态理论的软土压缩变形试验线;曲线y=

15、0.0019x2.8669、y=0.0002x4.0366则分漳州软土采用11的加荷比,模型曲线与试验曲线别是拟合东莞土样卸荷前、后阶段的扰动函数和荷偏离较小,符合一般规律,拟合效果相对较理想,东载关系曲线。可见,在卸荷前的压缩阶段和卸荷后莞软土则采用10.5与11的混合加载比,模型的再压缩阶段,漳州和东莞软土的扰动函数与荷载对数相关系数R都接近于1,呈现较好的幂函数关系,即Dv=A(lnp)B,其中A为幂函数系数,B为幂指数,即为图3中拟合卸荷前、后曲线所对应的幂函数系数值和幂指数值。扰动状态本构模型根据扰动状态概念,将变形中的土体视为RI状态和FA状态混合物,土体的实际变形则通过扰动函数D

16、v由各自的应力应变关系组合确定12,构建的扰动状态本构关系如下:icB×v=(1-Dv)v+Dvv=1-A(lnp)2.4(icB)()(+Alnpic1+e0-lnp1+e0-lnp曲线偏离试验曲线明显,究其原因主要是土体压缩变形与加荷比具有相关性,加荷比不同影响所致。总的来说,该扰动状态模型能较好描述漳州和东莞软土的压缩变形特性,可为软土地基沉降计算提供一定依据。)其中模型参数共有5个,图4Fig.4曲线试验值与模型值对比扰动土样p23模型检验curvesofundisturbedsampleComparativep2simulationresultssuggestedandte

17、stresults据单向压缩试验结果确定的模型参数值如表3所示。表3Table3i模型参数Modelparameters卸荷前B2.40302.8669卸荷后B3.29244.0366c结论基于扰动状态理论,结合漳州和东莞软土的性e0卸荷前A0.00590.0019卸荷后A0.00120.0002质及单向压缩试验结果,建立了软土扰动状态模型,并加以试验验证,得出以下结论:(1)漳州软土重塑样压缩曲线近似为一直线,扰动样压缩曲线无明显转折点,出现微弧度和趋于重漳州软土东莞软土0.080.061.961.360.180.14构建漳州、东莞软土的扰动状态模型参数表达塑样压缩曲线段,应用扰动状态概念可

18、以很好解释式如下:这种因土结构性而引起的差异。iB)+1-A(lnp)(2)扰动函数用来描述土体RI状态与FA状态i1+e0-lnp之间的响应,即结构逐渐破坏的过程,是扰动模型建cB)(卸荷前);A(lnp)(c立的关键函数。通过定义扰动函数公式,并与荷载1+e0-lnpv=i进行关系拟合,发现扰动函数与荷载对数具有良好B)1-A(lnp)(+i1+e0-lnp的幂函数关系,这为建立扰动状态本构模型奠定了c基础。B()()(卸荷后)。Alnpc1+e0-lnp(3)在扰动状态概念的基础上,定义原状土样为(4)相对完整状态、重塑土样为完全调整状态,且分别用将模型参数值代入公式(4)中即可得到模型

19、应土弹性模型和修正剑桥模型表达,建立了漳州和东变值,故漳州、东莞软土的试验结果与模型结果对比莞软土应力应变关系的扰动状态模型。与试验结果如图4所示。可以看出,在卸荷前的压缩阶段,模型对比发现,该模型不仅能较好地描述土体压缩变形曲线和试验曲线具有良好的一致性;在再压缩阶段,特性,且模型参数的确定方法简单。359吉林大学学报(地球科学版)第40卷ZHOUCheng,SHENZhu2jiang,CHENSheng2shui,etal.AhypoplasticitydisturbedstatemodelforstructuredsoilsJ.ChineseJournalofGeotechnicalEn

20、gineering,2004,26(4):4352439.8参考文献(References):1刘祖德,王士恩.结构性土体破损的力学描述J.土工基础,1996,10(3):126.LIUZu2de,WANGShi2en.MechanicsdescriptionofthestructuralsoildamageJ.GeotechnicalFoundation,1996,10(3):126.王国欣,肖树芳,黄宏伟,等.基于扰动状态概念的结构性粘土本构模型研究J.固体力学学报,2004,25(2):1912197.WANGGuo2xin,XIAOShu2fang,HUANGHong2wei,etal

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