湿陷性黄土的结构性参数本构模型

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1、水利学报年月第卷第期文章编号湿陷性黄土的结构性参数本构模型邵生俊龙吉勇于清高周飞飞西安理工大学岩土工程研究所陕西西安兰州交通大学土木工程学院甘肃兰州摘要本文通过黄土的三轴剪切试验基于综合结构势的概念建立了一个能够反映湿陷性黄土含水状态应力状态和应变状态影响的结构性参数数学表达式将结构性参数引入剪应力剪应变关系分析中得到了考虑黄土结构性的应力应变关系试验揭示了湿陷性黄土具有剪缩剪胀性表明应力比与剪缩剪胀应变比之间具有良好的线性关系固结围压越大剪缩剪胀临界点的应力比越大含水率越大剪缩剪胀临界点的应力比越小

2、最终建立了反映黄土结构性变化应力应变软化与硬化剪缩剪胀变形特性的本构模型通过本构关系描述湿陷性黄土的应力应变发展过程得到了与试验结果一致的变化曲线关键词综合结构势黄土欠压密本构关系中图分类号文献标识码湿陷性黄土在沉积过程中形成了孔隙比大颗粒间胶结作用强的骨架结构使其较一般土具有显著地抗剪能力表现出较强的结构性这种结构性随着含水率应力状态和变形的发展而变化使其具有复杂的强度变形特性因此要正确揭示湿陷性黄土的强度变形特性必须对其结构性有正确的定量的认识谢定义等认为通过扰动加荷和浸水能够改变原状土的结构可以

3、使原状土的结构势能充分释放出来通过人工制备结构性土重塑土和饱和土进行压缩试验基于它们的压缩变形构造了一个反映结构性的定量化参数综合结构势揭示了结构性参数随压缩应力的变化规律为结构性的定量化研究开辟了一条新的途径邵生俊等将其推广到三轴应力条件下通过原状黄土重塑黄土和原状饱和黄土的三轴剪切试验测试原状黄土和重塑黄土不同湿度不同围压作用下的应力应变关系以及饱和黄土不同围压下的应力应变关系构造了一个反映三轴应力条件下结构性变化的定量化参数结构性参数为复杂应力条件下考虑结构性变化的影响研究湿陷性黄土的强度变形特

4、性提供了理论基础三轴应力条件下湿陷性黄土的结构性参数及其描述结构性参数的定义随着人们对土结构性的研究深入关于结构性的表述正在由定性向定量化迈进谢定义等利用压缩试验分别测试了人工制备结构性土重塑土和饱和土的压缩变形过程构造了一个反映结构性的定量化参数定义土的结构性参数如下??式中表示结构可变性它由结构性土的压缩变形和重塑土的压缩变形之比确定表示结构可稳性它由结构性土的压缩变形和重塑土的压缩变形之比确定这样可以从结构可稳性和结构可变性的变化两方面来反映土的结构势称之为综合结构势但收稿日期基金项目国家自然科

5、学基金项目陕西省自然科学基金项目作者简介邵生俊男甘肃武威人博士教授主要从事土动力学与黄土力学研究是综合结构势随压缩应力的变化而变化只能反映土的侧限压缩变形影响而不能反映剪切变形发展对土结构性的影响且人工制备土与原状黄土也有本质性的区别因此式给出的综合结构势难以引入复杂应力条件下土的结构性分析有待于进一步研究邵生俊等首先将其推广到三轴剪切试验条件下通过原状黄土重塑黄土和原状饱和黄土的三轴剪切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和以其来反映扰动浸水和加荷作用下土的结

6、构性变化其中表示天然沉积黄土剪切过程结构性变化条件下的主应力差值和分别表示扰动重塑土和浸水饱和土的主应力差由原状土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连接特征所反映的结构性由此提出了如下的结构性参数从式的结构性参数定义可以看出土的原状结构联结越强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因此三轴应力条件下定义的结构性参数能够充分反映扰动加荷和浸水引起的结构性变化它随着应变的变化也就反映了原

7、状结构的逐渐损失次生结构的逐渐生成发展过程结构性参数的数学描述文献按照上述思想利用三轴试验揭示了原状黄土的结构性变化规律文献根据原状黄土结构性的变化规律结合大量的试验资料给出了结构性参数与轴向应变之间的数学表达式为了应用方便本文进一步给出了结构参数与广义剪应变之间的关系式式中为试验参数这个参数的取值为分别由下述式确定???其中为大气压均为常数见表为含水率从这里可以看出式式建立了表结构性参数取值与含水率和固结围压之间的关系式建立了与含水率之间的关系湿陷性黄土的变形性状与结构性参数应力应变关系三轴剪切变形

8、性状湿陷性黄土在其变形发展过程中表现出了其独特的性质由于它的欠压密性一旦其结构遭到破坏其体积收缩的变形发展非常显著由于它的显著结构性与无结构性土相比较其表现为具有显著的抵抗剪切破坏的能力若结构遭到破坏这种抗剪能力又显著下降欠压密湿陷性黄土的这种变形特性的三轴剪切试验结果如图图所示比较同一固结围压不同含水率黄土的应力应变曲线由图图可以看出尽管湿陷性黄土质地疏松孔隙发育但含水率较小时其结构性强应力应变曲线具有明显的峰值随着含水率的增大黄土的结构性逐渐降低应力