复杂应力状态下粘性土拉伸破坏宏细观试验及破坏机理研究

Engineering problems caused by soil tensile failure, such as the surface subsidence and collapse in construction, are common, the emerging of such problems draws more and more attention on soil tensile properties. However, most current testing methods are adopted though the modification on traditional compression shear test equipment or independent research and development, which remains the problems in terms of simple force conditions, incomprehensive means on test, low test accuracy and other issues. Based on this, the project intends to start with the test system of clay tensile failure macro-microscopic characteristics under a complex stress state, and adopt combining of macroscopic and microscopic method to provide a set of standard test processes and test theories. Based on the test system, multi-scale experiments are carried out about tensile deformation of clay. By the coupling analysis of macro-meso test data, tensile failure criterion of clay is established and tensile failure mechanism is revealed. Then, evolution equation of deterioration mechanical properties and damage mechanics model in the process of tensile failure under complex stress state are established, and evaluation criterion for engineering stability and quantitative safety evaluation system are proposed considering on project characteristics. Project research results further improve soil testing techniques and theories on soil tensile characteristics, and established engineering safety evaluation system provide technical support for the design and construction of underground engineering.

由土体拉伸破坏而引起的工程问题（如施工期的地表沉降与塌陷等）屡见不鲜，该类问题的不断涌现使土体拉伸特性得到了越来越广泛的关注。但目前的测试手段较多采用对传统压缩剪切试验设备的改造或自主研发来实现，普遍存在受力条件简单、测试手段不全面、测试精度不高等问题。基于此，本项目拟从研发复杂应力状态下粘性土拉伸破坏宏细观特性测试系统入手，采用宏观与细观相结合的方法确定一套试验流程与测试理论；基于该测试系统，开展粘性土拉伸变形的多尺度试验研究，在对宏细观试验数据进行耦合分析的基础上，建立粘性土拉伸破坏准则，揭示粘性土拉伸破坏机理；进而建立能描述复杂应力状态下，粘性土拉伸破坏过程力学性能恶化的演化方程及损伤力学模型，并结合工程特点提出工程稳定性评价指标与量化安全评价体系。项目研究成果可以进一步完善土体拉伸特性方面的测试手段与相关理论，同时建立的工程安全评价体系为地下工程的设计与施工提供技术支撑。

近些年来，随着地下空间工程的大量兴建，由于土体拉伸破坏而引发的工程问题，如地下结构施工期出现的地面塌陷、基坑降水开挖中出现的沉降盆或沉降漏斗、土坡坡顶的拉伸裂缝等，得到了越来越广泛的关注。但目前的测试手段较多采用对传统压缩剪切试验设备的改造或自主研发来实现，普遍存在受力条件简单、测试手段不全面、测试精度不高等问题。基于该现状，本项目在充分评估已有测试手段的基础上，自主研制了新型土工单轴拉伸试验装置，并结合细观测试装置，研发了土体拉伸破坏过程微细结构变化测试系统。所研发的测试系统在宏观上可以满足土体拉伸破坏的精度要求，在细观上可以达到准确分析土体拉伸破坏过程中其细观结构变化的精度要求，利用该测试系统可以开展土体拉伸破坏的宏细观实验研究。基于所研制的测试系统开展了粘性土的拉伸破坏实验，在宏观层面，探讨了不同压实度、含水率、拉身段长度、加载速率、循环荷载等变量对土体抗拉强度的影响规律，分析了粘性土的拉伸变形特性，建立了粘性土的拉伸破坏准则；在细观层面，获取了土体拉伸破坏过程中孔隙度、空隙分布分维、颗粒圆度、颗粒定向度、颗粒分布分维等细观结构量化参数的演化规律，并借助损伤力学在细观层面上建立了损伤演化方程及损伤模型。在该项目的资助下，共发表学术论文12篇（其中SCI/EI检索6篇），申请发明专利2项（授权1项）、实用新型专利2项（授权2项），获批软件著作权4项，获得江西省技术发明三等奖1项，培养硕士研究生3名（毕业生2名），在国内学术会议上做分场报告2场。所获得的研究成果较大程度地完善了土体拉伸特性的测试方法，可以实现宏观与细观不同层面的实验研究。同时，土体拉伸破坏的相关理论也得到了进一步的补充，如宏观的拉伸破坏准则，宏细观耦合分析，拉伸破坏机理等。接下来，后续的研究还将继续开展，包括其他土工材料的拉伸破坏实验以及破坏理论的更深层次研究，也努力尽快将研究成果在实际工程中进行应用。