水力与力学特性耦合的膨胀土弹塑性本构模型

作为典型的非饱和土，膨胀土失水收缩干裂、吸水膨胀软化，其水力特征（饱和度）与力学特征（强度与变形）间存在着强烈的相互作用；但现有的本构模型还不能有效描述这种水力与力学特征的耦合效应。本项目以荆门膨胀土为研究对象，以GDS非饱和土三轴仪作为研究平台，进行控制吸力条件下系统的水力与力学特性的耦合试验研究，在把握膨胀土水力特性对体积变形的影响规律基础上，构建一个能够反映水力滞后与体变特征的SWCC模型，通过饱和度将吸力增大、吸力减小屈服线与该SWCC模型联系起来，从而获得可以描述湿胀干缩特性和水力滞后效应的塑性体应变-饱和度-吸力关系，继而建立水力与力学特性耦合的膨胀土弹塑性本构模型，为膨胀性土的渗流-变形耦合分析提供有效的本构方程。本项目的特色在于：拟构建的本构模型与主流的膨胀土力学模型BExM相比，不仅能同时预测膨胀土的胀缩特性与水力特征，而且形式简单，更避免了确定其微观层次模型参数的困难。

膨胀土失水收缩干裂、吸水膨胀软化，水力特征与力学特征间存在着强烈的相互作用；但现有的本构模型还不能有效描述这种水力耦合效应。本项目以荆门弱膨胀土为研究对象，开展了系统的水力与力学特性的耦合试验研究，获得了膨胀土的水力耦合效应规律，结论如下：开展了一系列完整的脱湿试验，获得了5种初始孔隙比的压实膨胀土各级吸力下的重力含水率与体积变化，构建了吸力作用下的体变方程、分别用重力含水率与饱和度表征的SWCC方程，方程能够描述任意初始孔隙比条件下膨胀土干缩过程中重力含水率、孔隙比与饱和度随吸力的变化规律。采用轴平移技术和等压湿度控制法，开展了控制吸力条件下膨胀土的脱、吸湿试验，获得了0~391000 kPa吸力范围内的孔隙比－含水率－吸力关系的滞回效应规律。以滤纸法为研究手段，测定了6种压实度与13种重力含水率组合条件下膨胀土的总吸力与基质吸力，构建了吸力–饱和度–孔隙比关系的本构方程，数值再现结果与模型预测结果均表明该方程能够有效描述在可能密实状态与持水状态范围内的吸力变化规律。开展了2种典型水化状态下膨胀土的固结与三轴试验，获得了水化状态对饱和压实膨胀土应力－应变－强度特征的影响规律。不同水化饱和状态下初始孔隙比不同，膨胀势也不同，膨胀势与外部约束条件、排水条件、应力状态相互作用，造成其应力－应变－强度特征的差异性。借助高压固结仪对6种制样压实度下的膨胀土试样开展了一维无荷载膨胀和一维卸载－再加载压缩试验，获得了水力耦合状况下膨胀土的体变规律。试验结果及分析表明，膨胀土体积变化是膨胀势与外部荷载、湿度变化的耦合作用结果，且具有强烈的水－力路径依赖性。在四联直剪仪上对6种制样压实度下的膨胀土试样开展了一维无荷载膨胀－固结－慢剪试验，并将其结果与不同水化状态下的三轴压缩试验结果进行对比分析，获得了其饱和抗剪强度的变动规律。相同应力状态下孔隙比状态存在的差别是造成其变动性的主因；而先期应力历史与水化状态的差别导致了相同应力状态下孔隙比状态的差异。开展了完整的胀缩与渗透特性试验，获得了5种压实度下膨胀土及其石灰改良土的胀缩与渗透特征。开展了单轴、侧限、三轴压缩应力状态下的力学性质试验，获得了石灰改良膨胀土的变形特征与破坏机制。选用Duncan模型描述其脆性破坏前表现出的压硬性、剪缩性与应变强化特性，通过数值模拟与平行试验的对比验证了模型的适用性与参数的可靠性。