非等温条件下非饱和土变形特性的本构模拟

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作为一种由松散颗粒积聚而成的多孔介质,天然状态下的土体极易发生不可恢复的塑性变形。在很多情况下,这种变形不仅仅是由于外部荷载的改变引起,同时还和吸力及温度变化密切相关。尤其是在一些特殊的岩土工程中,这种表现更为突出。例如,在地热资源开发、高放废物地质处置、城市垃圾填埋场建设运营以及埋热管道建设等众多工程领域中,相应的岩土材料都同时受到外部荷载、水以及热的共同作用,这一特殊环境使得土体的变形特性变得更为复杂。为了更好地认识土体在热-水-力耦合作用下的变形行为,并对其进行定量化的描述,本文基于蔡国庆(2012)所建立的非饱和土热-水-力耦合本构模型对非等温条件下非饱和土的变形特性进行了模拟。通过开展大量的文献调研,首先综述了温度对非饱和土基本性质影响的相关研究,包括试验研究和本构模型,通过对现有研究成果进行总结,指出了现有研究存在的问题和不足:随后,对蔡国庆(2012)模型进行了进一步推导论证,给出了相应的屈服条件、硬化规律及流动法则,并完成了增量本构方程的推导建立;最后,通过编制Fortran计算程序,实现了模型的预测功能,并利用试验数据对模型进行了验证。主要研究成果包括:(1)基于非饱和土热-水-力耦合本构模型,对各向同性条件下吸力和温度对非饱和土变形性质的影响进行了预测和分析。基于建立的考虑温度影响的非饱和土增量本构方程,重点考察模型的固相变形部分,利用Fortran语言编制计算程序,对各向同性条件下非饱和土变形特性进行预测。结果表明:在某一确定温度下,吸力增加引起土体的屈服应力的增大,当温度升高时,吸力对土体的强化作用依然存在:在某一确定吸力下,温度增加引起土体屈服应力的减小,当吸力增加时,温度对土体的弱化作用依然存在。通过模型预测与试验数据的对比,验证了本文所提模型在等向压缩条件下的适用性。(2)基于非饱和土热-水-力耦合本构模型,对三轴剪切条件下吸力和温度对非饱和土变形性质的影响进行了预测和分析。基于上述本构模型,利用Fortran的语言编制计算程序,对三轴剪切条件下非饱和土变形特性进行预测。结果表明,屈服应力随温度的增加而减小,随吸力的增加而增大。因此,温度的升高对土体有软化作用,吸力的增加对土体有硬化作用。另外,温度越高,土体体积收缩越显著,同样,吸力的增加,也会导致土体体积的收缩更加显著。通过模型预测与试验数据的对比,验证了本文所提模型在三轴剪切条件下的适用性。
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