不同应力路径下孔隙比对饱和砂土塑性应变影响的理论研究

作     者：段秋宇 

作者单位：北京建筑大学 

学位级别：硕士

导师姓名：戚承志;苗启松

授予年度：2023年

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

主      题：细观机制 孔隙比 应力路径 塑性变形 各向异性 

摘      要：砂土是最具代表性的常见颗粒介质之一。诸多学者对其物理力学特性和工程意义有所研究和关注,同时这也是岩土工程研究的重点课题。砂土材料的变形一定程度上受应力路径的影响,不同应力路径下砂土材料的变形有显著差异。目前不同应力路径下孔隙比对于饱和砂土塑性应变的影响还没有完全澄清。应力路径对砂土塑性应变影响的主要原因在于应力比的变化。从砂土变形细观机制的研究,得出砂土细颗粒单元体孔隙比发生改变是宏观上砂土应力比发生改变的主要原因。本文在已有的对于砂土材料细观颗粒研究成果的基础上,对简化细颗粒单元体进行受力分析,得到应力比与反映细颗粒单元体内部夹角θ的关系,进一步得出应力比与孔隙比的对应关系。对双硬化弹塑性本构模型,将受应力比影响的孔隙比e代替其中初始孔隙比e,得到改进后可以反映受孔隙比影响的不同应力路径下饱和砂土塑性应变的理论模型。同时基于已有的各向异性砂土强度准则,将可以反映各向异性砂土的特征状态应力比M和峰值状态应力比M引入本文改进后的模型,得到可以反映各向异性砂土强度和塑性变形的理论模型。主要结论如下:(1)本文通过分析简化砂土细颗粒单元体,推得了应力比与孔隙比之间的对应关系公式。相较于利用压缩回弹曲线和开展试验等途径确定孔隙比,该方法更简便、直接。结果表明:颗粒表面摩擦系数一定时,砂土孔隙比随应力比增大而逐渐减小;颗粒表面摩擦系数不同时,砂土应力比随孔隙比变化而发生的变化趋势大致相同;应力比相同时,孔隙比越小,所对应的摩擦系数越大,相反,孔隙比越大对应的摩擦系数就越小。(2)基于本文所建立的受孔隙比影响的不同应力路径饱和砂土塑性变形的理论模型,得到了应力路径对于砂土变形受力的影响。随应力增量方向角增大,砂土材料的剪胀特性逐渐明显,砂土塑性应变逆时针旋转,砂土塑性流动方向同样沿逆时针方向旋转,而不同应力增量方向对砂土强度特性没有影响。(3)得到了各向异性饱和砂土颗粒沉积方向与试验加载方向之间的夹角、初始孔隙比对其变形特性和强度特性具有一定的影响。砂土随着颗粒沉积方向与试验加载方向夹角的增大,砂土峰值应力减小,随颗粒沉积方向与试验加载方向夹角的增大,剪胀变形逐渐减小;砂土随初始孔隙比的增大,各向异性砂土剪胀特性逐渐增大,峰值应力逐渐减小。