上海第④层粘土在不同应力路径下的力学特性实验与统一本构模拟

摘要

上海粘土的物理力学特性已有许多研究成果，但是第④层土的结构性鲜有学者进行全面的研究。而结构性的存在会导致原状土在不同应力路径下表现出与重塑土完全不同的力学特性，故研究上海第④层粘土在不同应力路径下的力学特性及统一本构模拟可以为实际工程提供理论基础，具有十分重要的意义。
　　本文利用块状和薄壁取土法取得上海不同区域的第④层土，对其进行了常规固结、三轴剪切、真三轴剪切等不同应力路径实验，研究了第④层原状与重塑粘土在不同应力路径下的力学特性特性。根据实验结果，对 TS-Zhang模型进行了一定程度的修正，使之更能适合上海软粘土在不同应力路径下的力学特性曲线。提出了新的参数确定方法，统一本构模拟过程。同时利用SEM电镜扫描实验研究了第④层土在固结过程中土颗粒、孔隙的变化情况。主要的研究成果如下：
　　（1）原状土的一维固结实验结果证实，上海第④层原状土沿各个方向的压缩指数不相同，其中0°方向大于大于90°方向压缩指数，这说明了上海第④层粘土具有初始各向异性。土体微观 SEM图片表明上海第④层粘土颗粒呈薄片状，0°方向薄片颗粒之间以面与面接触为主。90°方向以边与边的接触为主，微观构成的不同造成了土体的宏观初始各向异性。从压缩指数方面推断，颗粒之间的面与面的接触稳定性要强于边与边的接触。
　　（2）三轴剪切实验结果证实，上海第④层软粘土在剪切过程中会同时受到超固结比消散与结构衰减的影响。统一本构模拟结果证实，在剪切过程中，超固结比的消散速率要远远大于结构性的衰减速率。低围压的剪切过程中，土体首先以受到超固结比消散的影响为主，然后受到结构性衰减的影响。而围压较高时，土体主要受到结构性衰减的影响。这解释了在较低围压下，上海第④层软粘土的有效应力路径与较大围压下完全不同的原因。由于上海第④层软粘土结构性的衰减导致在相同条件下的三轴排水剪切过程中，原状土的体变量为重塑土的2倍。
　　（3）真三轴实验结果表明，在三维应力状态下，中主应力的变化会影响原状土的在真三轴剪切过程中应力-应变曲线的发展，且原状土与重塑土的不同应力lode角真三轴实验结果表明，不同角度下上海第④层土真三轴实验获得的土体强度极限值在π平面上的投影符合SMP破坏准则。
　　（4）根据塑性体积应变也会导致土体结构性衰减与超固结比消散的实验结果，将TS-Zhang模型的结构性与超固结状态发展式进行了修正。提出了采用模拟常规固结过程获得超固结状态发展参数及结构性状态发展参数，模拟等向固结过程精确的得到试样在等向固结结束时的超固结比、结构性参数的统一本构模拟方法，克服了本构模拟参数取值时的盲目性。利用作者提出的统一本构方法，采用修正后的TS-Zhang模型对上海第④层土在不同应力路径下的实验数据进行了模拟，模拟结果证实了统一本构模拟的正确性。
　　（5）利用SEM实验扫描了龙华第④层土在常规固结过程中的微观结构变化并得到微观图片。颗分曲线结果证明了图片提取数据的可行性。同时发现土颗粒的各向异性率会随着固结压力的增大而逐渐地降低，但是固结并不能完全的消除土颗粒分布的各向异性现象。

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1. 绪论

1.1 研究背景

1.2 上海软粘土的研究现状

1.3 本文研究思路

1.4 主要创新点

2. 上海第④层粘土在不同应力路径下的力学特性

2.1 取土方法及取土地点

2.2 常规固结实验

2.3 常规三轴实验

2.4 真三轴实验

2.5 本章小结

3. 统一本构模拟

3.1 引言

3.2 TS-Zhang 模型及其针对粘土的改进

3.3 统一本构模拟方法

3.4 模拟结果与讨论

3.5 本章小结

4. SEM实验及结果分析

4.1 前言

4.2 SEM实验

4.3 SEM图片数据提取及定量分析

4.4 本章小结

5. 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

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