高应力水平作用下饱和粘土力学特性研究

随着地下工程不断向地层深处发展，对高应力水平下土层力学性质的研究需求日趋迫切，然而目前关于高应力水平下粘土的力学特性研究十分缺乏。本项目基于结合水与土骨架相互作用是高应力水平下饱和粘土力学响应的决定性影响因素的研究思想，首先对饱和粘土进行高应力水平下不同排水条件、固结路径和剪切应力路径的室内试验研究；同时结合试验结果并利用结合水与土骨架相互作用的微观理论，分析获得饱和粘土高应力水平力学特性的微观内在机理；并将该机理引入到基于离散元理论的颗粒流数值模拟程序，进行试样水平的数值试验；然后综合分析离散元数值试验结果和室内试验结果，提出与现有土力学理论相衔接的粘土高应力水平力学特性宏观机理模型；最终建立可以合理描述饱和粘土高应力水平力学特性的固结理论和本构关系，并对其展开大变形有限元模拟实现研究。

项目以深部地下工程建设中的深部土力学响应为背景，以高压下饱和黏土的固结剪切特性为研究目标，以孔隙水-黏土颗粒骨架相互作用为研究基点，对重塑饱和黏土展开了高压试验、微观测试、数值模拟以及理论分析。首先设计研制了适用于黏土高压力学试验的高压固结试验系统和三轴试验系统，弥补了目前高压固结仪精度不够以及三轴试验时间过长的不足；然后进行了不同固结压力下的一维固结和三轴剪切试验，获得了高压固结过程中静止侧压力系数、孔隙水压力系数、渗透系数、压缩性等不同于常压下的特性，以及高压剪切过程中孔隙水压、应力路径以及抗剪强度的演变特性；针对试验揭示的高压特性，进行了基于宏观土力学理论的理论分析和数值模拟，提出可以获得非线性静止侧压力系数的临界土力学分析方法，发展出可以考虑高压长时固结导致的胶结作用的新的临界土力学模型，并对三轴试验进行了有限元模拟，建立了考虑材料几何非线性的有限元分析模型，对高压三轴剪切试验中剪切速率、端部摩擦以及非线性渗透系数的影响进行了分析；然后分别从孔隙水-黏土颗粒间的微观相互作用出发，对饱和黏土高压压缩特性和剪切过程中孔隙水压变化及强度特性进行了机理分析，并由试样的环境扫描电镜图像予以支持；采用分子动力学模拟和耗散粒子动力模拟技术，分别对孔隙水-黏土颗粒之间的微观与介观压缩和剪切进行了计算分析，得到了孔隙水-黏土颗粒相互作用在高压下饱和黏土固结和剪切过程中发挥的机理；为进一步认识孔隙水-黏土颗粒响应机制，利用有限元方法对黏土颗粒之间的电势分布、斥力计算进行了研究，修正了现有计算公式的错误之处，定量揭示了不同尺寸孔隙在压缩过程中具有不同变形顺序的机理；最后构建了基于Linux系统的二维黏土离散元模拟平台，该模拟程序不同于现有商用离散元程序模拟颗粒为圆盘形或球形，可以模拟平板形状的黏土颗粒之间的相互作用。