非饱和土的粘弹塑性变形及其本构模拟

Almost all geomaterials show time-dependent (or rate-dependent) inelastic behavior and their mechanical properties are also dependent on loading rate or time. On the other hand, geomaterials in the natural environment are partially saturated and the voids in geomaterials are occupied by water and air, owing to the environmental factors such as rainfall and evaporation. Unsaturated soil is one of the common geomaterials and the behavior of unsaturated soil is also time-dependent. Time-dependent behavior of unsaturated soil has been observed and reported in the literature, and is responsible for a number of infrastructure failures and geological disasters...The proposed project focuses on collapsible (i.e. non-expansive) unsaturated soil and aims to (1) understand the time-dependent hydro-mechanical behaviour of unsaturated soils through rate-controlled oedometer and triaxial tests on unsaturated soils with controlling suction, water retention tests on soils with different creep processes, and suction-controlled creep tests, (2) Develop novel elasto-viscoplastic constitutive models to interpret the observed time-dependent hydro-mechanical behaviour of unsaturated soils by integrating the advanced subloading surface viscoplasticity theory into the effective stress–saturation modelling framework, and (3) Develop robust numerical methods to implement the proposed constitutive models into finite elements and provide scientific tools for engineering problems related to the time-dependent hydro-mechanical behaviour of unsaturated soils.

几乎所有的岩土材料均会产生与时间（或者速率）相关的非弹性变形，其力学特性也表现为时间相关。另一方面，以自然环境下的岩土材料，由于受降雨和蒸发等气候因素的影响，其孔隙一般被空气和水共同占据，处于非饱和状态。非饱和土作为一种常见的岩土工程材料，其性状也是和速率相关的。诸多研究者已经开始关注非饱和土的速率相关特性，并认为非饱和土的粘塑性变形和一些基础设施的损坏以及地质灾害有关。..本项目将以湿陷性（非膨胀性）非饱和土作为研究对象，计划（1）通过常速率（包括蠕变）吸力控制式压缩试验和三轴试验，和针对不同蠕变历史土样的水土特征曲线试验，来系统的研究速率对于非饱和土水力和力学性状的影响；（2）基于非饱和土力学和粘弹塑性理论中最新的本构理论研究成果，提出一个针对非饱和土的粘弹塑性模型，来描述和解释非饱和土的速率相关特性；（3）建立有效的数值方法解决复杂非饱和土粘弹塑性模型的有限元实现。为实际工程中所遭遇的非饱和土速率相关问题提供科学的分析工具。

以自然环境下的土壤为例，由于受降雨和蒸发等气候因素的影响，其孔隙一般被空气和水共同占据，处于非饱和状态。换而言之，地球表面的绝大部分天然土层均处于非饱和的状态。在生产建设活动中，所涉及的土壤也多为非饱和土，例如人工击实的地基土，降水后开挖的基坑，等等。本项目主要围绕着速率、吸力、压实密度、化学成分等诸多因素对非饱和土的水力-力学特性的影响及其模拟展开研究。在试验研究方面，通过一系列不排水的三轴试验，研究了具有不同吸力和不同超固结比的非饱和淤泥土的水力-力学特性；通过各种速率控制的不饱和/不排水三轴试验研究了不同吸力和应变速率下的重塑非饱和土的水力-力学特性；通过蒸汽平衡技术的吸力控制，无侧限抗压强度试验，扫描电子显微镜分析和压汞法等在内的研究手段，以研究吸力，水泥含量和干密度对非饱和水泥土强度和微观结构的影响。在理论和数值研究方面，提出了一个简单的分形模型，以量化初始孔隙度对非饱和土的持水曲线和孔隙水传导率的影响；通过率相关UH模型和饱和度硬化型非饱和土模型相结合提出一个新的非饱和土在不同应力历史和剪切速率下的弹性粘塑性模型；提出了一种针对非饱和状态垃圾填埋土的一维水力-力学-生物降解耦合（H-M-B）模型，该模型考虑了初始密度分布的影响及其由于生物降解引起的变化，来分析渗滤液再循环的全耦合过程。