泡沫轻质土力学特性及弹塑性本构模型研究

作     者：刘明朋 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张宏博;宋修广;庄培芝

授予年度：2022年

学科分类：081401[工学-岩土工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：泡沫轻质土 强度特征 变形特征 临界状态理论 本构模型 

摘      要：山东省约34%的国土面积位于黄河冲积平原,土质以粉土、粉质黏土互层为主,土层深厚、压缩性较大,土体水敏感性强,多属于不良路基填料。大量工程实践表明,该地区修建高速公路极易出现较大的工后沉降、桥头跳车等病害,严重影响交通运营安全。针对黄河冲积平原公路建设常面临的软弱地基与不良路基填料问题,传统地基及路基处理技术对深厚软弱地基的处理效果较差,采用泡沫轻质土作为路基填料则可以有效减小地基的附加应力,控制工后沉降,因而泡沫轻质土路基受到了工程界的广泛关注。近年来,泡沫轻质土在国内外得到了广泛的应用推广。研究表明[1],泡沫轻质土用作路基上层填料时,可形成复合路基结构,有利于改善路面结构受力。泡沫轻质土路基在服役期间会受到复杂的荷载作用,如何合理描述泡沫轻质土在复杂荷载下的力学行为,构建适用的本构模型,成为泡沫轻质土复合路基设计的关键理论问题。目前,国内外学者对于不同应力条件下泡沫轻质土强度与变形特性的研究成果较少,尚未构建出合理的本构模型,限制了其在道路工程中的应用。为合理构建泡沫轻质土的本构模型,本文以粉土泡沫轻质土为测试分析对象,通过试验研究了泡沫轻质土在不同应力条件下的力学行为,揭示了材料的强度和变形特征;基于临界状态土力学理论框架,提出了适用于泡沫轻质土的剪缩性方程与屈服面函数,构建了泡沫轻质土的本构方程,并加以验证分析。本文研究成果可为泡沫轻质土的设计计算及工程应用提供理论基础。取得的主要成果如下:1、泡沫轻质土单轴加载行为测试结果表明:单轴压缩应力-应变曲线具有四阶段的弹塑性特征,包括弹性阶段、脆性破坏阶段、强度稳定阶段以及二次强化阶段;单轴拉伸应力-应变曲线具有典型的脆性破坏特征;泡沫轻质土单轴加卸载试验中的回弹模量随塑性应变的增大而基本保持不变。2、通过三轴试验,研究了泡沫轻质土在三向应力下的力学特征。各向同性应力状态下,超过固体骨架屈服强度后,加载将向内压缩材料的孔隙,进而产生收缩体积变形;三轴剪切试验中,泡沫轻质土的应力-应变曲线呈现出典型的弹塑性特征;随着围压的增大,泡沫轻质土的侧向膨胀被不断限制;在应力作用下,泡沫轻质土中的固体骨架不断被破碎成颗粒材料,破碎后的颗粒材料将不断填充孔隙,泡沫轻质土呈现出体积收缩的现象;随着剪切变形的不断发展,泡沫轻质土趋近于临界状态。3、基于试验发现,可以假定外力对轻质土做功,一部分用于固体胶结料的断裂,一部分散耗在颗粒摩擦中;据此能量损耗特征,推导了轻质土的剪缩方程;考虑单轴压缩、单轴拉伸、静水压缩、以及三轴剪切应力路径,提出了相应的屈服面函数;采用不相关联的流动法则,以塑性体应变为硬化参量,基于临界状态理论构建了泡沫轻质土的本构模型。根据弹性预测-弹塑性判断-塑性修回的计算逻辑,采用向后欧拉算法与牛顿算法编译了本构模型的计算程序。通过与试验数据的对比,验证了理论的可靠性。