基于Zarka理论的膨胀土干湿循环效应本构模型及其数值模拟

Expansive soil expands when water absorbing while it shrinks when water losing, and it is easily damaged because of the poor engineering properties. Under natural condition, expansive soil experiences the drying and wetting cycles, leading to uneven deformations to crack the structures built on them. Therefore, it is meaningful to study the deformation of expansive soils during drying and wetting cycles to guide the disaster prevention and reduction. This project concentrates on the sensitivity of expansive soils to water content variation and the cyclic suction-controlled drying and wetting tests are conducted to study the influence of drying and wetting cycles on the mechanical behaviour of expansive soils. Based on the current test data and the consensus on unsaturated expansive soils, a new constitutive model is proposed in this project through a rational yield surface and expresses this yield surface in the structural transformed parameter plane based on Zarka theory to establish the relation between hardening parameters and stress states. Model modification is also carried out by using the current experimental data and model validation is conducted by comparing the model calculations with other models. Finally, this projects applies the proposed model to the subgrade of expansive soil to analyse the limit deformation considering the traffic loads and periodical climate changes, providing scientific basis for the road design in expansive soil zone.

膨胀土遇水膨胀，失水收缩，工程性质极差。自然条件下，由于干旱和降雨的周期变化，膨胀土经历往复胀缩而产生不均匀变形，引起上部工程结构的破坏。因此，研究膨胀土在干湿循环过程中的变形规律，对指导膨胀土地区的防灾减灾具有重要意义。本项目聚焦膨胀土对干湿变化极为敏感的特殊性，开展膨胀土在有荷条件下的干湿循环试验，深入研究干湿循环对膨胀土力学性质的影响规律；以现有的试验数据和对膨胀土的基本共识为基础，确定适用Zarka分析理论的屈服面，通过数学变换将其表达在结构转换参数平面内，提出强化参数随应力状态变换关系函数，建立考虑Zarka理论的膨胀土干湿循环效应本构模型；对比试验结果和其他模型模拟结果，修正改进模型，验证模型的有效性；最后，考虑交通荷载作用和气候周期的变化，应用本构模型对膨胀土路基的极限变形进行分析，为膨胀土地区道路设计提供科学依据。

膨胀土具有显著的吸水膨胀和失水收缩的体变特征，在自然环境条件下，降雨和蒸发的周期性变化导致膨胀土不可避免地经历往复干湿循环，产生不均匀变形引起上部结构发生破坏，进而引发工程灾害，特别是轻型建筑和道路路基，给人类造成巨大的经济损失甚至构成生命威胁。因此，研究膨胀土在干湿循环过程中的变形规律和持水特性，对指导膨胀土地区的防灾减灾具有重要的意义。本项目聚焦膨胀土对干湿变化极为敏感的特殊性，以覆土压力和干湿循环为影响因素开展膨胀土在有荷条件下的干湿循环试验，深入研究不同扰动状态下对膨胀土力学性质的影响规律，研究发现：膨胀土在干湿循环下SWCC具有明显的滞回现象，随着循环次数的增加，滞回越来越小甚至重合，可认为发生了逆向回滞；应力-干湿循环耦合试验表明膨胀土的持水能力随覆土压力的增大而降低，体变特性呈明显的高塑特性，经历3个循环后变形趋于稳定，随覆土压力的增大达到稳定状态所需的次数越少；以实验室的试验数据和对膨胀土的基本共识为基础，将总体变分解为一个随当前吸力变化的可逆变形和一个干湿循环过程累积的不可逆变形，确定适用Zarka分析理论的屈服面，通过数学变换将其表达在结构转换参数平面内，提出强化参数随应力状态变换的线性关系函数，建立了考虑Zarka理论的膨胀土干湿循环效应本构模型，通过对比试验结果和其他模型模拟结果，修正改进了模型并验证其有效性；最后，基于法国原子能研发中心开发的有限元代码CAST3M，对已建立的本构模型进行自主编程开发材料子程序，并将其嵌入到有限元计算代码同时测试程序有效性，考虑交通荷载作用和气候周期的变化，建立有限元计算分析模型，应用本构模型到膨胀土道路结构设计，实现路基极限变形更为精确的计算，为我国道路结构设计提供研究基础和技术支撑。