非饱和土的增量非线性横观各向同性本构模型及其应用

Natural stratified soil and filled soil are transverse isotropic,and they are unsaturated in general. However,the nonlinear constitutive models for the soil with unsaturated-transverse isotropy are not proposed as so far.It is illustrated by the development of modern soil mechanics and geotechnical engineering that the incremental nonlinear models of soil are of obvious advantages in practical application. In this project, based on the mechanics for unsaturated soil and elastic theory,using the methods of theory analysis,laboratory experiments and numerical modelings, the laws of deformation and moisture movement for the soil with unsaturated-transverse isotropy will be revealed. The incremental nonlinear model of soil with unsaturated-transverse isotropy will be proposed,and the methods to determine the model paramters using triaxial apparatus for unsaturated soils will also be suggested.The regularities and formulae of the model parameters varying with stress states of soil will be discovered.The program for the deformation-moisture-air coupling problems of natural stratified soil and filled soil will be designed.The research results will support the engineering design theoritically, and will develop the constitutive theory of soil.

天然成层地基和大面积填土都是横观各向同性土体，且多处于非饱和状态。同时反映土的非饱和状态、横观各向同性和非线性的本构模型迄今尚未提出。现代土力学与岩土工程的发展表明，土的增量非线性本构模型具有强大的生命力。本项目以非饱和土力学和弹性理论为基础，通过系统的理论分析、室内试验和数值计算，揭示非饱和横观各向同性土的变形规律和水分变化规律；建立非饱和土的增量非线性横观各向同性本构模型；提出用非饱和土三轴试验确定全部模型参数的方法；揭示参数随应力状态的变化规律，并提出相应的数学表达式；研发将所提模型用于分析计算非饱和横观各向同性地基变形-渗水-渗气多场耦合问题的计算软件；将研究成果初步应用于横观各向同性地基的变形-渗水-渗气耦合计算分析。本项目研究成果可为天然成层地基和大面积填土工程的设计提供理论支持和科学依据，丰富和发展土力学的本构理论模型。

本项目研究成果包括5个方面。1、仪器研发方面：提出了制备各向同性土样的简易方法；改进升级了非饱和土三轴仪与非饱和土CT-三轴仪，扩展了仪器功能，提高了量测精度。2、 揭示规律方面：试验研究发现：① 首次从3个方面（体积变形-剪切变形、水量变化和强度）验证了两个应力状态变量的合理性，夯实了非饱和土的应力理论的试验基础；②吸力和干密度对非饱和土的变形、强度均有显著影响，提出了同时考虑吸力和干密度影响的非饱和土抗剪强度公式与切线模量公式；③首次提出了考虑吸力影响的非饱和土原状黄土与重塑黄土的卸载-再加载模量计算公式，为岩土开挖工程的变形分析提供了科学依据；④各向同性土样与横观各向同性土样的力学特性差异明显；⑤干密度、净围压、基质吸力和偏应力均对试样的湿化变形特性与细观结构有显著影响；提高干密度可有效减小湿化变形量和降低湿剪破坏的风险，对填土工程的设计具有重要参考价值。3、理论模型方面：首次提出了非饱和土的增量非线性横观各向同性模型及参数确定方法，并用非饱和土三轴试验和真三轴试验对模型进行了初步验证；丰富和发展了土的本构模型理论，为天然沉积的成层地基和大面积填土工程的变形分析提供了科学依据。4、工程应用方面：将上述研究成果初步应用于延安新区高填方在多种工况条件下的变形-渗水-渗气多场耦合分析，为分析成层地基的变形提供了途径。5、研究进展评述方面：全面系统总结了非饱和土与特殊土力学及工程应用研究的新进展，为今后研究提出了4条建议，全部被2019年7月在天津举行的非饱和土与特殊土专委会全委会议提出的“天津共识”采纳，将引领今后的发展。.发表学术论文20篇，被SCI收录1篇，EI收录16篇。. 出版专著3部。.获省部级一等奖1项，二等奖3项。.培养博士1名。.在国际国内学术会议作特邀报告和主题报告13次，一般学术学术报告7次；在高校和科研院所作专场报告55场次。.成功举办了7次全国学术会议。