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软黏土广泛分布在世界范围内,在我国,软黏土广泛分布在东部和南部沿海地区,随着近年来经济和社会的快速发展,修建在软土地基上的工程项目越来越多,这为岩土工程的设计和建造提出了更高的要求。以往对软黏土的研究主要来源于重塑土的室内试验成果,而实际上经过长期固结沉降作用之后,天然沉积软黏土与重塑土之间有明显的性质差异。为了保证建筑物的使用安全,有必要对土体本身的性质及对软土地基变形的影响进行全面系统研究,本文的研究工作也是围绕这一主题而展开的。 论文首先对前人的研究成果进行了总结,通过对试验数据的分析归纳,得出由于长期的固结沉降作用,土体在与沉积面成不同夹角的方向上具有不同的力学性质。目前屈服面本构模型中对各向异性的模拟主要是通过屈服面的倾斜和旋转来表示,在总结已提出旋转硬化规律表达式的基础上,为了使旋转硬化规律能用于模拟不同应力路径下的应力应变关系,提出了一个统一旋转硬化公式,采用该旋转硬化规律模拟了不同应力路径下的应力应变关系,通过模拟结果与实测结果之间的对比验证了该旋转硬化规律的合理性。在此基础上,考虑到天然沉积软黏土还具有一定的结构性和黏性,为了提高模型的适用性,建立了一个能反映天然土结构性的弹黏塑性本构模型。最后采用此模型对修建在软土地基上的堤坝及软土层中的隧道两个工程实例进行了模拟并对结果进行了分析。本文主要包括如下内容: (1)分析讨论了剪切模量、摩擦角、临界状态线以及屈服面在与沉积面成不同夹角的方向上的差异。与沉积面平行方向的剪切模量和摩擦角要小于垂直于沉积面方向的剪切模量和摩擦角。在K0固结作用下,屈服面对称轴与主应力轴之间形成一定的夹角,研究了初始屈服面对称轴的斜率。通过理论分析和试验验证,建立了夹角与K0值之间的关系,分析了屈服面初始各向异性和诱发性各向异性的区别和联系。 (2)对目前提出的旋转硬化公式进行了总结,然后通过大量的试验数据提出来一个统一的旋转硬化表达公式。该公式同时考虑了各向塑性剪切应变和塑性体积应变对旋转速率的影响,可以模拟不同应力路径下的应力应变关系,提出了该公式的参数确定方法。采用该公式对三轴排水试验、三轴不排水试验、循环加载试验进行了模拟。将该公式与采用其他旋转硬化公式模拟的结果进行了对比,验证了该公式的合理性。 (3)结构性土的压缩曲线与重塑土的压缩曲线存在明显的区别,提出了一个描述结构性土压缩曲线的表达公式。公式采用相同应力状态下结构性土和重塑土的孔隙比之间的差异来表示,公式的参数确定非常直接。为了使该公式能应用于一般应力状态,将该公式从一维扩展到三维,同时通过理论分析得到了结构性参数的表达方程。结合提出的统一旋转硬化表示公式,建立了能同时描述结构性和各向异性的本构模型。采用该模型对上海土的三轴排水试验和Vallericca土的三轴不排水试验进行了模拟,将模拟结果与试验数据进行对比,验证了模型的适用性。 (4)解释了如何采用过应力理论描述土体蠕变现象和应力松弛现象。通过分析得出在双对数坐标体系下,先期固结压力与应变速率之间成线性关系。先期固结压力位于一定的区间内,存在上极限和下极限,从而为过应力表达函数的确定提供了依据。采用该过应力的表达方程,结合前面的旋转硬化统一性表达公式和结构性土压缩曲线表达公式,提出了一个能同时考虑各向异性和结构性的弹黏塑性本构模型。采用隐式算法对该模型进行了求解,通过编制子程序将该模型导入有限元分析软件中来模拟土的应力应变特性。 (5)采用本文提出的模型对软土堤坝和修建在软土中的隧道进行了数值模拟,并与实测结果进行了对比。对软土地基上的堤坝分析结果显示,考虑各向异性时得到的沉降值和水平位移值要大于不考虑各向异性时得到的结果,考虑结构性时又使这两个值进一步增大,对比结果验证了模型的较高的预测能力。对软土层中的隧道模拟选取了上海地铁二号线古北路站至中山公园站工程实例作为研究对象,分析结果显示在衬砌安装之前,各向异性对地表沉降的影响较大,黏性的影响很小,随着时间的增长,各向异性的影响开始减弱,黏性的影响逐渐增加。