结构性土的强度准则及其本构模型的研究

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岩土材料的强度和变形特性是岩土力学中的重要的研究内容。自然界中许多土,如原状土、改良土以及冻土等,都具有一定的结构性,微观上主要表现为土体内土颗粒的胶结以及土颗粒的排列。对于结构性土,在加载过程中,土颗粒的胶结被逐渐破坏,使土体的黏聚强度降低;同时,土颗粒的排列也产生变化,影响土体的变形特性。改良土及冻土中,土颗粒和水化物或冰形成一定的聚合结构,这种较强的结构相对于原状土的结构更为稳定,且这种结构破坏时伴随着黏聚强度的丧失。强结构性土与重塑土的力学特性有较大的差异,将基于重塑土的理论用于强结构性土存在一定的局限性。  本文围绕强结构性土的强度和变形特性进行了研究,主要完成了以下几个方面的工作:  (1)通过分析经典的岩土材料的强度准则,提出了一个适用于多种岩土材料的双参数的强度准则。通过选取不同的形状参数,该强度准则不仅可以在偏平面分别退化为广义Mises准则、Lade-Duncan准则以及SMP准则,而且能够扩展到偏平面上SMP准则内部的区域。通过与真三轴试验数据的对比,该强度准则对于包括混凝土、花岗岩、砂岩、水泥改良砂土及粘土在内的多种材料均有较好的适用性和较高的精度。  (2)研究了两种改良土(水泥改良土和石灰改良土)的变形特性,基于统一硬化模型的框架,引入了黏聚强度及其变化规律,并对统一硬化参数进行了修正和塑性势函数进行了修正,提出了适用于改良土的弹塑性本构模型。通过与改良土的三轴试验数据的对比,提出的模型可较好地预测改良土的剪缩/剪胀、硬化/软化等力学特性,并说明了黏聚强度的丧失对改良土的软化有重要影响。  (3)研究了冻结砂土的变形特性,基于上下加载面模型,引入了冻土在加载过程中的损伤演化规律以及黏聚强度的变化规律,提出了一种冻土的弹塑性损伤本构模型。通过与冻土的三轴试验数据的对比,提出的模型可较好地描述冻土的变形和损伤特性。  (4)研究了冻土在不同应力水平下的加速蠕变现象,基于Nishihara模型,通过将黏塑性元件修正为非定常、非牛顿黏性元件,使其能够反映其加速蠕变的过程。通过与冻土蠕变试验数据进行对比,修正的模型能够反映冻土从衰减蠕变和稳定蠕变状态进入加速蠕变的过程。
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