基于微观结构演化的土体非共轴塑性理论与非比例加载试验研究

在复杂的非比例加载路径下，土体将产生明显的非共轴塑性变形，破坏强度也有显著的降低，这些宏观力学行为本质上起源于土体微观结构的各向异性。为了探讨非比例加载下土体宏观的非共轴塑性行为，本课题通过定义组构张量理论来描述土体微观结构的固有各向异性和诱发各向异性，将组构张量引入到经典的塑性理论框架中构建一个微宏观的本构理论模型，从而定量地预测土体的非共轴塑性变形行为。进一步将非共轴本构模型与分叉理论相结合研究非比例加载下土体的破坏机理，并预测峰值强度和峰值塑性应变。对上海地区的典型土层开展空心圆柱扭转剪切试验，观察非比例加载下初始各向异性土体的塑性变形特性与破坏模式，对构建的非共轴理论作进一步的试验验证。本研究将为分析天然地基变形与失稳问题提供基础性理论依据。

针对土体在非比例加载路径下表现的非共轴塑性及强度各向异性(相比较比例加载)，综合离散元模拟与微观力学解析探讨非比例加载下土体微观结构的演化规律，进而将微观分析与经典的宏观塑性理论相结合以揭示土体微观组构与天然及诱发各向异性的内在联系。建立了固有各向异性的组构张量描述方法，将组构张量与经典的宏观破坏准则结合，构建了天然土体的各向异性强度准则；应用各向异性强度准则预测了天然土体真三轴应力下土体的破坏特性；将非比例加载下微观组构演化与土体的各向异性演化准则相联系，构建了基于微观机理的等向-运动硬化本构模型；应用微宏观本构模型预测了非比例加载下土体的非共轴性和局部化破坏行为。研究表明，由于忽略了微观组构各向异性的影响，经典等向硬化本构模型明显低估了非比例加载下土体变形的共轴性，而高估了局部化强度。对上海典型软粘土开展“心”形循环扭剪试验研究发现，相比例比例循环加载，非比例循环产生明显偏大的累计塑性变形，试验观察与微宏观理论分析相吻合。