基于不同应力路径下宏细观损伤的天然软黏土本构模型研究

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 macroscopic and mesoscopic damage mechanisms of natural soft clay are studied by the triaxial experiments subjected to different stress paths, constitutive model of natural soft clay mechanics characteristics is studied considering the influence of stress paths by phenomenological damage theory . The relationships among the stress path and damage evolution are clarified, strength criterion and damage evolution law are presented, damage evolution equation and damage constitutive equations are established considering the influence of stress path, fluid-solid coupling damage numerical model are founded for mechanical response simulation of natural soft clay in order to inspect and correct the proposed constitutive model. 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 in engineering construction, disaster prevention and control in soft clay regions with great theoretical and practical engineering significance.

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。采用天然软黏土不同应力路径下的室内实验，研究不同应力路径下天然软黏土的宏细观损伤机理，运用唯象损伤理论研究考虑应力路径影响的天然软黏土的本构模型，明确应力路径与损伤演化的关系，提炼不同应力路径影响的强度准则，揭示损伤演化规律，建立考虑应力路径影响的损伤演化方程和损伤本构关系，对固体-液体两相物理场进行耦合分析，建立考虑应力路径影响的流固耦合损伤数值模型，采用有限元方法对天然软黏土的力学响应进行数值模拟，检验和修正所提出的本构模型。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，可望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，同时对工程实践有很大指导意义和实际工程意义。

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。本课题研究不同应力路径下天然软黏土的宏观力学特征、细观结构的变化特征和宏细观力学特征的耦合关系。采用天然软黏土不同应力路径下的真三轴和CT实时细观实验，分析三维应力状态下天然软黏土的强度和变形破坏过程，揭示损伤演化规律，明确应力路径、细观结构与损伤演化的关系，建立考虑应力路径影响的损伤演化方程和损伤本构关系。. 研究表明，三维应力状态对软黏土的应力应变关系影响很明显，强度随着周围压力和中主应力的增加而增加。在常规三轴应力状态时（中主应力比b = 0），剪应力比与主应力比的关系近似直线，可以认为主应力比是影响土体应变的主要因素。但是，在0 < b < 1时，剪应力比与大小主应力比的关系为非线性的，大小主应力比不是唯一的影响土体变形的因素，剪应力比和中主应力比对三维应力状态不同应力路径下土的性质影响很大，不能把问题简化成大小主应力比的影响。天然软黏土的总应力路径呈现一系列斜率不同的直线，斜率与中主应力比紧密相关，由于超孔隙水压力的影响，有效应力路径呈现“S”型。破坏包络线为一系列直线，中主应力比b不同，斜率也不同，中主应力对其影响是非线性的，因此提出考虑中主应力影响的广义剪应力强度和平均应力之间的非线性关系式。. 天然软黏土受荷，微裂纹持续扩展，损伤不断地发展。根据细观结构的变化确定初始损伤的门槛值，并从细观特征和细观参数，建立基于细观参数损伤变量公式，揭示损伤变量与剪应力比之间呈现线性关系。因而在p’ – q’空间上从宏观角度分析损伤变量，通过损伤变量把宏观特征量与细观参数建立联系，提出三维应力条件下考虑应力路径影响的损伤变量公式，根据不同应力路径下天然软黏土的宏细观损伤机理，建立运用基于细观过程的唯象损伤理论研究考虑应力路径影响的天然软黏土的本构模型。. 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研究方面有理论突破，可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，同时对工程实践有很大指导意义和实际工程意义。