考虑微观机理的膨胀土体变模型及地基变形计算

本项目基于膨胀土地基灾害频发，而现有膨胀土体变理论尚有缺陷、膨胀土地基变形计算方法过于简化的背景，开展了以下四个内容的研究： （1）膨胀土体变的微观机理研究； （2）膨胀土体积变化本构模型研究； （3）孔隙比和应力状态对膨胀土SWCC的影响研究； （4）膨胀土地基变形计算理论与方法研究。 取得的成果如下： （1）从压实膨胀土的孔隙结构入手，通过室内试验，研究了非饱和土状态变量净平均应力和基质吸力（含水率）对压实膨胀土宏、微观孔隙结构演化的影响，探明了压实膨胀土体变的微观机理，从而为建立膨胀土体变模型打下了基础； （2）建立了考虑压实膨胀土微观孔隙结构影响的体变本构模型。该模型能够描述等含水率和等基质吸力状态下，压实膨胀土的非线性NCL特性以及压缩过程中饱和度的变化，并能够预测压缩量随竖向应力的增大先增大后减小的非单调变化规律。 （3）试验结果表明，孔隙比才是影响SWCC的直接因素，而应力状态是通过影响孔隙比而影响SWCC的间接因素。因此，在建立SWCC模型时，应以孔隙比而不是应力状态作为变量；在含水率-基质吸力-孔隙比三维空间中，建立了考虑膨胀土体变影响的土-水特征曲面及其函数方程； （4）基于非饱和土理论，提出简单实用的膨胀土地基增湿变形的计算理论和方法； （5）提出了膨胀土“残余膨胀力”的概念，并建立了反映蒙脱土含量和NaCI溶液浓度影响的残余膨胀力预测模型； （6）基于土的土-水特征曲线（SWCC）和收缩特征曲线（SSCC）的特点以及二者之间的联系，采用三直线的分段 SSCC模型，结合非饱和土的三相比例关系，推导出了非饱和土孔隙比与基质吸力之间关系的通用模型。 （7）提出了预测 van Genuchten（VG）模型参数 n的一个土壤转换函数（pedotransfer function, PTF），该函数是 一个非线性回归方程，与初始孔隙比 e0 的回归方程结合起来，用以预测不同初始孔隙比土的土-水特征曲线 （SWCC）。 2100433B

体变模型是研究非饱和土屈服应力-吸力、剪切强度-吸力关系的基础，要建立饱和土与非饱和土之间的本构联系就必须确定土体积变化规律。而现有体变模型还存在不足，膨胀土地基变形计算方法也过于简化。 本项目从压实膨胀土微观结构入手，探求孔隙内不同形态水相含量与孔隙比和饱和度之间的函数关系，建立压实膨胀土在不同应力水平下脱/吸湿微观结构水相演化概念模型；在此基础上，简化BExM模型中难以获取的模型参数，结合不同应力路径的体变试验，将正常压缩曲线由半对数坐标系中的直线修正为曲线，建立能够描述全应力范围内压实膨胀土脱湿/吸湿体变特性的数学本构模型；通过分别控制应力和孔隙比的SWCC试验，探明SWCC的本质影响因素，建立能够考虑体变的三维土水特征曲面及其函数方程；以体变模型为基础，结合非饱和土渗流理论，建立考虑初始状态和应力路径影响的压实膨胀土地基变形计算理论与方法，并通过地基模型试验加以验证和修正。

土的流变机理在于：在骨架应力(有效应力)作用下，土颗粒表面吸附水(气)具有粘滞性，从而使颗粒的重新排列和骨架体的错动具有时间效应，土体变形延迟，即变形与时间有关;而另一方面土体变形受到边界约束，这种约束有阻挡蠕动变形发展的趋势，因此，土体内部应力随之逐步调整，即应力也随时间改变。

早在1925年，人们就开始认识到，必须建立一个真实的并能充分反映粘性土或其它材料应力－应变关系的公式或模型，根据其变形的微观力学在微观结构层次上对其物理过程进行描述，粘土或其它材料蠕变的物理概念应属于“活化能”的概念。

Bazant等应用速率过程理论建立了一系列土的本构关系模型。施斌进行了速率过程理论在粘性土蠕变模拟中的应用研究，介绍了速率过程理论及其相应的粘性土蠕变模型的推导，选取淮阴三类不同粘性土质开展了蠕变试验研究，分别制备了各向异性和各向同性的结构试样，获得了相应的蠕变性结果，再用速率过程理论模型对试验结果进行了拟合。结果表明:以速率过程理论为基础而建立的蠕变模型能有效地模拟不同粘性土质的蠕变过程、趋势和变形，反映出粘性土土性的本质特点，使土质学和土力学紧密地结合在了一起。

谷任国、房营光分别研究了结合水、矿物类型和有机质对软粘土流变性质的影响。采用改进的直剪蠕变仪对一组粘土试样进行了一系列试验，测试结果表明:有机质和矿物成分及其含量是影响软粘土流变性质的重要因素，土体的粘滞系数随粘土矿物含量的增加而减小，即流变变形阻力随有机质和粘土矿物含量的增多而减小，且有机质对软土流变性质的影响较为显著。试验结果分析认为，粘土矿物通过颗粒表面的结合水影响土的流变性质，其中强结合水是土体产生流变的主要因素，而弱结合水则是相对次要因素。试验结果有助于进一步认识土体流变的起因，对改进和完善现有流变变形计算理论有一定指导意义。

地基变形计算方法

一般采用分层总和法进行计算：分层总和法是指将地基沉降计算深度内的土层按土质和应力变化情况划分为若干分层，分别计算各分层的压缩量，然后求其总和得出地基最终沉降量。这是计算地基最终沉降量的基本且常用的方法。

地基变形计算原理

分层总和法一般取基底中心点下地基附加应力来计算各分层土的竖向压缩量，认为基础的平均沉降量s为各分层上竖向压缩量Ds_i之和。在计算出Ds_i时，假设地基土只在竖向发生压缩变形，没有侧向变形，故可利用室内侧限压缩试验成果进行计算。 2100433B

在土体流变研究中，考虑时间因素后，流变问题应力－应变－时间关系的求解比一般的弹塑性问题应力－应变关系的求解更加复杂，流变问题计算方法有待于进一步提高。土体流变问题的解包括解析解和数值解。

土体流变性解析解

解析解的方法是运用对应性原理，采用积分变换技术，具体的做法是先求得弹性解，然后进行拉普拉斯变换，其中，弹性常数必须用粘弹性本构关系经过拉普拉斯变换得到的粘弹性常数代替，从而得到拉普拉斯变换后的粘弹性解，再通过拉普拉斯逆变换得到最终的粘弹性解。解析解是精确解，它是基于对代数、微积分等数学原理的应用。由于只有一些简单和特殊的函数才能找到拉普拉斯逆变换的解析解，许多问题虽然能得到拉普拉斯变换后的粘弹性解，却无法得到逆变换的解析解，另外，土流变问题一般比较复杂，因此真正能得到解析解的很少。

土体流变性数值解

随着电子计算技术的高速发展，流变问题数值求解方法发展起来。土体流变问题数值解的采用和发展，给土体流变研究的实际应用带来了生机。数值解采用的基本方法主要有时步粘性初应变法，把粘性应变作为初应变，计算每一时步粘性初应变所引起的粘性附加荷载，加入到该时步的平衡方程中加以修正并求解，逐步进行，最终得到土流变问题的解。至于土非线性流变问题，更是只能用数值解法，一般是采用时步增量非线性迭代法，对每一个荷载增量，通过不断的迭代，用一系列的线性流变来逼近非线性流变，把非线性流变问题简化为线性流变问题进行求解。土流变问题的数值解所运用的技术主要有有限元法、有限差分法、边界元法、离散元法、无限元法、流形元法等。

岩土工程数值计算方法的迅速发展，给复杂岩土工程问题提供了更充分的的设计依据。数值模拟技术不仅对现场原型试验、模型试验起到替代和补充作用，而且还给室内试验与实际工程之间架起了桥梁，在岩土工程非线性实验中显示出极大的优势。

然而，岩土的非连续、非均质、各向异性、天然初始地应力及复杂边界条件等使得计算中采用的流变本构关系很难准确把握，并且岩土体的物理力学参数的准确确定也成为问题求解的瓶颈。 2100433B