天然软黏土的屈服行为与本构模型研究

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中国许多大型的城市和邻近的“一带一路”国家基础设施都是建造在软土地基上的。软黏土往往是在复杂的沉积和后沉积过程中形成土结构性,研究应力状态、应力历史及其加卸载路径之间的关系具有挑战性。在工程设计中,采用先进的仪器设备来研究土体的本构模型,是确定土体受力变形特性的必要步骤,但是目前开展试验研究软黏土土的屈服行并建立精确描述的本构模型还比较少。基于此,本文对典型的软黏土试样开展了系统的室内试验研究,分析了软黏土屈服行为并建立了相应的弹塑性本构模型来准确描述其受力变形特性。高质量的原状土样取自中国连云港地区,采用全自动TKA型应力路径三轴仪对原状土样进行了测试。通过开展一系列应力路径试验,研究了软黏土的屈服行为并详细揭示了应力路径对其屈服特性的影响。试验获得原状土的初始屈服面与重塑土的屈服面显著不同。原状土的应力-应变曲线具有屈服特性,初始屈服轨迹为沿着K0线对称的倾斜椭圆,可以描述土体沉积过程中产生的原生组构各向异性。将所得的屈服面与现有的Nakano模型进行了比较,表明Nakano模型可以很好地描述试验确定的初始屈服特性。由于Nakano模型并不能反映土体后继屈服过程屈服面的旋转。因此,本文基于应力路径试验提出了修正的屈服面方程,以描述结构性软土的初始屈服特性以及结构性逐渐屈服引起的屈服面旋转。基于修正的屈服面方程建立的弹塑性本构模型主要包含七个独立参数(M,k,n,ηK 0,p¢y,lu,0e或ey),其中M,k,n为原修正剑桥模型的参数;p¢y表征初始结构屈服面的大小,反映结构性的影响;ηK 0表示受到初始各向异性影响的天然土初始屈服面的对称轴所对应的应力比;参数lu,p¢y,ye描述初始屈服后天然土的压缩特性。通过对比模型计算值与已发表的Bothkennar黏土试验实测值,验证了模型的有效性。
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