干湿条件下非饱和黏土动力特性与动力本构模型的试验研究及理论分析

本研究利用改进的试验设备和制样方法进行非饱和土动力特性研究。利用静力试验与饱和土动力试验，研究破坏与振稳之间的门槛值，预判非饱和土动力试验初值。以基质吸力为控制要素对脱湿情况进行研究，通过单次与增荷多次加载的循环荷载动力试验，研究基质吸力对不同围压下动应力-应变关系的影响，进而对累积塑性应变进行分析，建立基质吸力、动应力、循环次数与永久变形之间的关系；最后通过静力三轴试验，得到应力历史对土体强度影响的关系式。为了便于工程应用，通过土水特征曲线方程将脱湿条件下的基质吸力影响用含水量代替。对于吸湿情况，以滴定方法模拟降雨条件，以含水量为控制要素进行上述试验研究。基于易用性原则，通过试验数据确定动力参数，进而改进Hardin-Drnevich模型和Masing加卸载准则，将并利用试验结果建立循环荷载作用下永久变形增量公式，最后将模型引入ABAQUS，对边坡稳定、路基沉降等实际工程进行数值分析。

地表浅层的非饱和土体经常承受由降雨-蒸发过程引起的干湿循环的影响，土体的力学特性发生不可逆转的变化。这部分非饱和土与浅基础、边坡、土坝和公路铁路路基等实际工程问题紧密相关。研究干湿循环条件下非饱和土的力学特性无论对设计新的土工结构还是评价已有土工结构的安全稳定性都具有重要的现实意义。.从理论分析出发，通过土水特征曲线和直剪试验确定平衡饱和度差异的存在，并将对试样的力学性质造成影响；根据饱和度-时间关系曲线与非饱和土试样力学性质之间的关系，提出非饱和土试样均一性的判别准则；根据该判别准则对试样进行优选，然后进行动力试验，根据试验结果提出了关键基质吸力概念，并指出在关键基质吸力作用下，拉伸破坏将成为非饱和土试样动力失稳的主要因素。.对干湿循环前后不同初始干密度粉质黏土在饱和条件下进行固结不排水剪切试验，发现干湿循环对不同初始干密度土体的影响存在差异，干湿循环过程中粉质黏土力学特性的变化与干燥应力的大小有关，干燥应力越大，力学特性变化越明显，指出进行干湿循环试验研究时必须考虑试样的初始密实度。.采用GDS非饱和土三轴仪和改进的可控制吸力式CKC循环三轴仪对干湿循环条件下的非饱和粉质黏土进行了常吸力下的三轴排水剪切试验和动三轴试验，探讨了干湿循环对非饱和土抗剪强度、临界动应力和动强度等的影响。结果表明：干湿循环后非饱和土的初始剪切刚度、临界动应力和动强度明显增大，但这种增长随基质吸力的增大而减小。.从理论与试验相结合的角度分析了干湿循环对非饱和土力学特性影响的机理，即饱和条件下干湿循环对土体力学特性的影响主要取决于干湿循环过程中试样的密实度变化和微裂隙的开展程度两方面，最终的表现取决于这两方面所占的权重；而在分析干湿循环对非饱和土力学特性的影响时则应同时考虑密实度变化、微裂隙开展以及饱和度变化三方面的作用。.基于下负荷面剑桥模型，假设非饱和土的压缩曲线的斜率为有效饱和度的函数，建立了超固结非饱和土的本构模型。该模型能够较好地描述超固结非饱和土的力学特性，同时能够描述非饱和土的循环加载特性。通过对不同初始超固结度下的非饱和三轴试验进行模拟，验证了模型的有效性。