考虑温度影响的非饱和土本构模型研究及试验验证

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非饱和土陪伴着人类各式各样的工程建设广泛存在于自然界中。工程中遇到的土体绝大多数是非饱和土,土壤的温度随着工程环境的变化而变化,如常见的路基路面工程,地热资源开发工程,垃圾填埋场地基处理工程等等。土壤在受到阳光、地热等热辐射影响后温度产生变化,结构性能也随温度发生改变。土壤温度升高会加快土体水分迁移,造成土体变形,且会使正常固结非饱和土强度提高,这一现象将直接影响到工程建设的安全稳定,因此研究温度变化对土壤强度及变形的影响具有十分重要的工程价值及理论意义。本文对目前国内外研究最多的两种非饱和土本构模型进行改进,首先是对统一屈服面的SFG模型进行了扩展,使得其能考虑温度变化对统一屈服面的影响,其次是在考虑温度影响的BBM模型中,引入相同的统一屈服面思想,使两种模型都能得到考虑温度影响下的统一(LC)屈服面,并推导出相应的弹塑性本构关系。为验证模型的适用性,本文对江西红土进行不同温度状态下的三轴试验,确定模型计算所需参数,利用试验参数得到模型拟合结果后与试验结果进行对比验证。结果表明两种模型均能够较好的反应出土体在压缩回弹、脱湿和剪切时的应力应变特征。论文研究内容及结论如下:(1)在统一屈服面SFG模型基础上,引入温度对屈服面的影响,推导出能同时反应温度—吸力—应力的屈服面本构模型。提出利用统一屈服面反应多场耦合的方式,能够反应出在不同温度下屈服面的变化情况,直观看出温度对屈服面影响范围。(2)在Anh-Minh Tang和Yu-Jun Cui提出的考虑温度影响的BBM模型基础上对屈服面进行了改进,采用了统一形式的屈服面,推导出考虑温度影响的统一BBM模型屈服面。(3)采用压力板仪进行土-水特征曲线试验,以及利用温控非饱和三轴试验机进行不同温度下的压缩回弹试验、非饱和土脱湿试验和三轴剪切试验,通过上述试验得到模型计算所需的土体参数。(4)试验得到土体参数输入本构模型程序进行运算,将计算结果与试验结果进行对比验证。(5)利用江西红土试验数据与本构模型进行对比拟合发现增加温度影响后的屈服面本构模型与原统一屈服面SFG模型有较好一致性,都能反应土体在受到温度—吸力—应力下的应力应变关系,并且两种模型间差别较小,两者的关系曲线较为吻合。(6)参考Uchaipichat等人的试验数据,利用程序模拟对比分析江西红土试验数据和Uchaipichat等人数据的拟合效果发现,考虑温度影响下统一屈服面的SFG模型的拟合效果相对更贴近于试验结果。验证了本构模型在不同温度下反应土体应力应变特性的可靠性。
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