考虑细观结构演化的非饱和原状Q2黄土本构模型及应用研究

Q2 loess is unsaturated soil, structure soil and collapsible soil. The peculiar deformation different from Q3 and Q4 loess caused by wetting imperils engineering constructions, however, few study for Q2 loess was conducted. Based on the mechanics for unsaturated soils, damage mechanics and continuum mechanics, the collapsible deformation property, structural evolution law during loading and collapsible stages, constitutive model of structure soil of Q2 loess were proposed by systematical experimental investigation including collapsible tests, unsaturated tests and CT-triaxial tests, theoretical analysis and numerical analysis. An elasto-plastic consolidation model of unsaturated natural Q2 loess was proposed by introducting established constitutive model into Chen Zhenghan's consoildation theory of unsaturated soil. The finite element program was designed and applied to the analysis with collapsible deformation for Q2 loess foundation of Pucheng power plant in Shanxi province. The achievement provide the theoretical basis for the collapsible evaluation, the collapsible deformation calculation and the foundation treatment of Q2 loess, and have important theoretical meanings and significant practical value.

Q2黄土是典型的非饱和土，具有明显的结构性和一定的湿陷性；相对于Q3、Q4黄土，其特殊的湿陷等力学性质对工程的危害性逐渐被工程界所认识，但其研究工作尚未真正展开。以非饱和土力学、损伤力学和连续介质力学为基础，通过系统的室内湿陷试验、非饱和土试验、CT-三轴试验、理论分析和数值计算，研究Q2黄土的湿陷变形特性和规律，揭示非饱和原状Q2黄土在力和水作用下的结构演化规律、变形规律，建立相应的结构性本构模型；将建立的本构模型引入到非饱和土固结理论，开发相应的计算程序；并将研究成果初步应用于陕西蒲城电厂Q2黄土地基湿陷变形分析。该项目研究成果为Q2黄土的湿陷性评价、湿陷变形计算及地基处理等提供理论支持，具有重要的理论意义和工程实用价值。

Q2黄土是典型的非饱和土，具有明显的结构性和一定的湿陷性；相对于Q3、Q4黄土，其特殊的湿陷等力学性质对工程的危害性逐渐被工程界所认识，但其研究工作明显滞后。项目以陕西蒲城电厂Q2黄土为研究对象，通过系统的室内湿陷试验、非饱和土试验、CT-三轴试验、理论分析和数值计算，对Q2黄土的湿陷变形特性、非饱和土力学特性、在力和水作用下的结构演化规律、结构性本构模型和固结模型等进行了较为系统的研究。取得的主要进展如下：（1）揭示了Q2黄土的湿陷特性和规律，提出的湿陷机理能较好的解释Q2黄土特殊的湿陷性。该成果为Q2黄土湿陷性的判定和黄土规范相关内容的修订提供重要的依据。（2）揭示了非饱和重塑和原状Q2黄土的变形、强度、屈服和水量变化等特性，提出了四变量形式的广义土-水特征曲线方程，是非饱和土水量变化本构关系的合理推广。该成果为Q2黄土本构模型的建立和工程应用提供有价值的参考。（3）用CT-多功能土工三轴仪研究了Q2黄土在三轴剪切和浸水条件下的结构演化特性，建立了相应的结构演化方程。该成果为从细观结构定量研究结构性对土的力学行为的影响及内在联系提供了新思路。（4）在Barcelona非饱和土弹塑性本构模型和陈正汉提出的非饱和土增量非线性弹性模型基础上，引入描述结构性的参数和结构演化方程，基于扰动状态概念建立了非饱和Q2黄土结构性本构模型。（5）将建立的本构模型引入到非饱和土固结理论，建立了非饱和Q2黄土的弹塑性损伤渗流固结耦合模型，编写了相应的有限元程序。该程序目前已用于陕西蒲城电厂基础沉降预测等实际工程。（6）研制了土壤渗气系数测试装置，提出了考虑Klinkenberg效应和饱和度影响的固有渗气系数计算公式。（7）揭示了Q2黄土微观结构特征和浸水湿化引起的Q2黄土微观结构变化特性，初步建立了考虑微观结构特征的Q2黄土本构模型。该项目研究成果为Q2黄土的湿陷性评价、湿陷变形计算及地基处理等提供理论支持，具有重要的理论意义和工程实用价值。