基于应力路径与微观结构相关联的天然软黏土损伤演化机理研究

Mechanical deformation characteristics of natural soft clay are closely related to stress paths, the classical soil mechanics theory has not meet the requirement of engineering design subjected to different stress paths. The triaxial stress paths experiments, scanning electron microscopy (SEM) and X－ray energy dispersive spectroscopy (X－ray EDS) experiments will be carried out. The strength criterion will be presented subjected to different stress paths, the macroscopic and microscopic deformation and failure mechanisms of natural soft clay will be studied, the relationships among the stress path, microstructure and damage evolution will be clarified, two damage models at macroscopic and microscopic scales will be established based on the macroscopic and microscopic damage characteristics, a kind of homogenization arithmetic specially used for scale transition of damage evolution processes in dual-scale is proposed according to the continuum damage theory and homogenization method, the dual-scale model will be established considering the influences of stress paths, dual-scale finite element equation will be derived, simulation will be carried out in order to investigate the damage evolution mechanism of natural soft clay. The research has important academic value in revealing failure mechanism of natural soft clay subjected to different stress paths, and has theory breakthrough in damage theory applying to soil mechanics, which provides a new idea and method for engineering construction, disaster prevention and control in soft clay regions, reliable data for engineering design.

天然软黏土的力学变形特征与应力路径密切相关，经典土力学理论已经不能满足不同应力路径下的工程设计需要。开展天然软黏土的三轴应力路径实验、场发射扫描电子显微镜实验和X射线能谱分析，研究不同应力路径下天然软黏土的宏微观变形破坏过程，提炼考虑应力路径影响的强度准则，明确应力路径、微观结构与损伤演化的关系，揭示微观与宏观尺度下的损伤特征，建立损伤在微观、宏观尺度下的分析模型，基于均匀化方法和连续损伤力学框架，实现应力、应变等力学参量跨尺度的定量转换，探寻实现跨微、宏观尺度损伤演化过程分析的均匀化算法，建立考虑应力路径影响的双尺度模型，推导双尺度有限元方程，对天然软黏土的损伤演化机理进行数值模拟。此课题对阐明天然软黏土在不同应力路径下的变形破坏机理具有重要的学术意义，在损伤理论应用于土力学的研究方面有理论突破，为软黏土区各类工程建设及灾害防治提供新的思路和方法，同时为工程设计提供可靠的理论和数据支持。

天然软黏土的力学变形特征与应力路径密切相关，经典土力学理论已经不能满足不同应力路径下的工程设计需要。选择上海和广州典型的软土，开展K0固结六种应力路径的原状土三轴不排水剪切试验，并选取多种应力路径、多种应变水平和多种固结压力下的试样，进行场发射扫描电子显微镜实验、压汞实验和X射线能谱分析。研究表明天然软黏土是由薄片状黏土颗粒和大的孔隙组成的骨架微观结构，在不同应力路径下宏观和微观特性明显不同。压缩时的强度大于拉伸的强度，压缩时的破坏线的斜率大于拉伸时的斜率。软土受荷过程中，土粒出现移动、旋转、定向排列现象，鼓胀破坏形式试样的局部区域土粒的定向角大于20°，剪切带破坏形式试样定向角为55°左右，同时大的团聚体碎裂成小的团聚体，导致粒径分布曲线发生变化，说明土体的骨架发生劣化。孔隙体积和数量也在不断地变化，大的孔隙数量增多，出现贯通孔隙，土粒与孔隙的分布变松散。微观结构参数孔隙比、颗粒分维数、形状分维数等与剪应力比之间呈现正相关关系。孔隙比表面积变化量与强度值呈负相关，其值由正变负，表明K0固结时土体天然结构逐渐破坏，并发生结构重组，0值对应的围压为天然结构破坏的临界值。卸荷和拉伸试验软土的微观结构发生劣化的程度高于压缩试验，说明前者易于增加颗粒间的距离，消弱其内聚力。固结压力大时微观结构分布相对紧密，强度增高。软土变形过程分为损伤开始、损伤发展剪切带形成和土体破坏三个阶段。根据宏微观特性，分别采用孔隙比和土粒的分维数对损伤变量进行定义，并建立考虑损伤的弹塑性模型，推导流固耦合有限元方程，对天然沉积土地基的基坑开挖过程进行数值模拟，与未考虑损伤的模型结果进行对比，分析其沉降情况。此课题对阐明天然软黏土在不同应力路径下的变形破坏机理具有重要的学术意义，在损伤理论应用于土力学的研究方面有理论突破，为软黏土区各类工程建设及灾害防治提供新的思路和方法，同时为工程设计提供可靠的理论和数据支持。