考虑微观结构的非饱和土水—力耦合本构模型研究

考虑微观结构的非饱和土水—力耦合本构模型研究对于双孔结构非饱和土体而言,内部孔隙包括宏观孔隙(集聚体之间的大孔隙)和微观孔隙(集聚体内部的小孔隙),不同孔隙尺度的力学和持水特性均存在显著差别。因此在研究土体行为时,微观结构的影响不容忽视。

从微观角度出发,对双孔结构土体的内部微观孔隙结构的演化、本构关系和土-水特征曲线(SWCC)等三方面进行了深入研究,取得以下创新性成果:(1)对于双孔结构非饱和土而言,在力学和水力作用下,宏观孔隙和微观孔隙的力学和持水特性均不同,导致这两种孔隙尺度的演化也存在明显的区别。分别将宏观尺度和微观尺度的单峰孔隙分布曲线叠加来表征双峰孔隙分布函数,其演化规律通过下列参数来描述:平移量、缩放量和分散度。

通过建立上述演化参数与孔隙比之间的关系,提出了双孔结构非饱和土的微观结构演化模型。所建立的模型能够较好地模拟干化路径下非饱和土孔隙分布曲线的演化规律。

基于所建立的模型以及已有的压汞试验数据,针对双孔结构非饱和土开展了模型参数标定与模型预测工作,验证了模型的可行性。(2)非饱和土在应力和水力路径的作用下均会产生微观孔隙结构的变化,同时,不同的孔隙类型和结构也会对非饱和土宏观水力和力学特性产生不同的影响,尤其是在膨胀土、压实黏土等双孔结构土中,这种影响尤为显著。

以非饱和土水-力全耦合模型(GCM)为理论框架,引入有效饱和度描述土体内部宏观和微观孔隙对水-力特性的不同影响,提出了考虑孔隙结构影响的Bishop 有效应力表达式,建立了各向等压状态下考虑微观结构的非饱和土水-力耦合本构模型,并实现了模型的预测功能。通过与非饱和土等向压缩试验结果的对比,

验证了所建立模型的合理性。

(3)现有的土-水特征曲线模型大都针对单孔结构土体,为了反映土体内部结构和土体变形对持水性能的共同影响,开展了考虑体变和孔隙结构共同影响的土-水特征曲线模型研究。提出以双峰土-水特征曲线中的相接点作为双孔结构非饱和土不同孔隙尺度的分界点,并针对不同区间的土-水特征曲线分别建立相应的方程;在分段方程中引入模型参数和孔隙比之间的关系,建立了考虑体变的双孔结构土体的土-水特征曲线模型,同时表征了土体的主脱湿和主吸湿曲线。

通过与单孔和双孔结构土体的干化试验结果对比,验证了模型的有效性,也反映了不同初始孔隙比和不同结构土样在相同水力路径下的不同水力行为。