文摘

铜测试和CD测试进行捕捉洞庭湖地区的粘土的应力-应变特征,中国。自经典本构模型不能理想地描述土的应变硬化行为,一种改进的本构模型,提出了三个损伤因素。损害第一因素 ,代表体积元素力量 ,安装了威布尔函数。第二个和第三个损害因素和 ,这代表孔隙率和排水速度分别被哈里斯函数拟合。CD测试损伤模型 , ,和 。在铜测试中,孔隙率是一个恒定值,排水体积是0,所以呢是恒定的价值和是0。因此,铜测试土的损伤模型是构造使用第一个因素的损害 。最后,提出了铜/ CD的准确性的损伤本构模型粘土与实验结果验证。发现拟合结果提出方法与实验结果有很好的一致性。

1。介绍

在设计和施工的基础和岩土结构(1- - - - - -3),土的力学特性是重要的因素对结构的稳定性进行评估。土的力学特性是由土的应力-应变关系描述。土的本构模型理论土力学中是一个重要的研究课题。在过去的几十年里,大量的提案已经描述土的应力-应变关系(即三轴测试。,的consolidated undrained (CU) test and the consolidated drained (CD) test) based on elastic-plastic theory or damage theory and influencing factors [4- - - - - -7]。

固结不排水(铜)条件的测试中,最初的塑性粘土模型改进的基于发育不全的理论和粘土的铜测试(8]。提出了一种改进的基于模型来描述冻结砂土的应力-应变关系赖et al。9]。常规三轴压缩的基础上(CTC)和减少三轴压缩(RTC),软粘土的应力-应变关系研究了太阳et al。10]。等风速线在三轴stress-strain-strain率空间弹塑性(IEP)模型的基础上,提出了铜实验由杨天然软粘土et al。11]。顾等人进行了三轴试验和变化的围压(VCP测试)来探索剪切和正常压力的耦合作用改造的饱和粘土(12]。

关于合并排水(CD)测试,提出了一种分数导数粘土的蠕变模型来描述徐粘土的蠕变特性和崔13]。CD进行循环三轴试验了解黄土的动态属性王et al。14]。一个耦合的弹塑性本构函数为不饱和压实固结排水和剪切渗透条件下高岭土提出了(15]。殷等人提出的理论岩土应变硬化指数和大量的三轴测试,验证和参数物理意义的部分分化(16]。

基于CD测试和铜测试干扰和原状花岗岩腐泥土,曾等人发现,土壤结构是最重要的因素在土壤力学行为17]。基于真三轴测试,张等人提出了一个弹塑性模型来描述结构性海洋软土的力学行为一般荷载作用下(18]。哈桑等人发现,人工粘性土,铜测试的失败发生在更高的应变水平比以前理论的结果,而CD测试的失败发生在更低的应变水平比以前认为的(19]。化学损坏的岩石和土壤的应力-应变关系研究了陈et al。20.]。基于铜测试和CD测试深海粘土本构模型考虑温度变化是由太阳et al。21]。

破坏土壤力学几十年来也一直在研究[22- - - - - -30.]。损伤理论的形成源于Krajcinovic和席尔瓦31日]。损伤理论被应用于冻土嗖et al。32]。任等人构建部分粘土的统计损伤本构模型的基础上改进的哈里斯函数[33]。虽然很多损坏的模型提出了描述土的应力-应变关系,前面的模型主要是根据铜测试或CD测试,而铜测试和CD测试之间的关系并不是。不同的粘土力学行为之间的CD测试和铜测试应该被研究。本文基于洞庭湖地区的粘土,铜测试和CD进行测试,和铜的应力-应变关系和CD应力-应变关系是相关的;然后,建立了一种改进的本构模型。粘土的应力-应变关系可以调查提出的本构模型考虑孔隙水压力和孔隙比,但这不足以反映砂的变形规律、冻土等。

三轴试验的仪器和测试进展介绍了粘土的洞庭湖部分2。然后,提出了一种改进的本构模型3。此外,实验结果验证了粘土损伤本构模型4。最后,拟合参数的敏感性进行了分析5。

2。三轴试验

2.1。测试仪器

CD和铜测试进行测试。仪器是GDS应力路径三轴仪,通过计算机和数据收集。在图所示的仪器1。

2.2。土壤参数

试验土样粘土来自洞庭湖区域。各种室内岩土试验土样进行。土地网站可以看到图2(来自腾讯的地图地图)。获得的粘土样品参数如表所示1。

2.3。测试设计

样品的高度是76毫米,直径38毫米的样品。首先,进行真空饱和,饱和时间不小于两天;然后,四个小时的样本饱和背压90 kPa和围压100 kPa。然后,观察值(值)试样饱和度指标 - - - - - -止回阀模块的工具。如果值不超过0.98,背压饱和需要再次执行。如果值超过0.98,样品被认为是饱和。然后,样品都受到等压固结,整合被认为是在整合过程中完整的排水体积时基本上是稳定的。整合完成后,进行剪切试验,试验参数如表所示2。

3所示。粘土的损伤本构模型

有一些在岩石和土壤力学本构模型(2,34]。当不考虑损伤参量,应力-应变曲线是应变硬化型pseudotriaxial测试土壤(16,33]。然后,粘土的损伤本构模型符合下列公式: 在哪里弹性模量,硬化指数,是剪切速率,泊松比,的伽马函数 , 是应变率,主应力,是次重音。

其中,剪切率可以通过以下公式表示: 在哪里剪切速度和集吗是样品的高度。

3.1。三个损伤因素

铜测试和CD的测试比较,发现它们之间的区别在于排水剪切阶段进行,和排水主要是反映在孔隙比的变化和排水速度。孔隙比的增加会导致土壤压实,减少和增加排水速度产生卸荷效应。

根据软粘土的力学性能在洞庭湖地区,失败粘土本构模型提出了三个损伤因素。代表体积元素力量作为参数的破坏因素 ,孔隙比作为参数的破坏因素 ,和排水率被认为是一个参数的破坏因素 ;然后,公式(1)可以转化为下面的公式:

3.2。代表体积元素力量决定

基于Drucker-Prager标准(35),可以得到以下公式: 在哪里代表元素体积强度参数,是第一个应力张量不变量,然后呢是第二个不变的应力偏量。

在现有的研究基础上,基于非标准匹配mc的标准是内切圆DP3标准,和的表达式在DP3标准如下:

根据工程弹塑性力学36),可以知道以下关系:

在本文的研究中,公称压力 , ,和和应变可以测量。自从pseudotriaxial测试执行, 在该测试中,和相应的有效应力 , , ,基于曹等人的研究。37];这个方程可以得到如下:

功能损害的因素之间的关系和微量元素的力量基于曹等人的研究。37),威布尔分布函数作为组分方程的破坏因素 ,和如下:

3.3。气孔固体比例决定

的比重粘土和粘土烘干后的质量通过体积比重测试来确定粘土的粘土的三个阶段。以饱和器的内部尺寸为总量 。由于仪器是由电脑实时监控,在整个生产过程中体积变化速率,和结束时的体积变化的三轴试验作为整合过程 。以吸入水的体积为正数,这个测试是一个综合排水试验,排水体积剪切作为年底 。排水体积被认为是一个轴向应变方程在剪切。关于 ,它是表达的相对排水比成倍增加最后排水剪切过程的体积 。从测试数据,它可以知道之间的关系和应变如图3;然后,可以表示应变的函数拟合 。所选的的平均值吗在三种围压条件下,其中的值 , , ,和可以通过与MATLAB软件拟合。

然后,气孔固体比例可以通过以下公式表示:

哈里斯功能介绍的组分方程损害因素 ,这是表示为下面的公式:

在这个公式,和使用这个公式的参数,和孔隙比作为主要的变量。它可以看到从这之间存在以下关系和在当前围压:

用方程(10)和(11)(12),损害的因素可以获得作为一个应变方程吗 ,和函数形式如下:

3.4。排水速度决定

在综合排水剪切过程中,排水体积在剪切过程中可以获得相对排水比方程(10),最后剪切排水体积获得了在测试过程中,如以下所示方程(15):

通过推导 ,排水率在测试期间可以获得:

在排水,其损害的因素不断变化的影响下排水速度 。使用哈里斯函数以适应之间的关系,可以得到以下公式:

代入方程(16)方程(17得到以下方程:

3.5。CD测试的损伤本构模型

总之,下面的公式可以得到公式(3)、公式(9)、公式(14)和公式(18):

3.6。铜测试的损伤本构模型

在铜测试中, ,排水速度,影响因素总是0。固结不排水剪切试验条件的剪切过程中,气孔固体比例常数是由于水无法凝聚。代表了损失系数。在剪切过程中是一个固定值恒定围压下。铜测试的损伤本构模型可以获得的损伤本构模型的CD测试退化;计算公式如下:

4所示。测试结果符合

根据测试结果,没有峰值点的综合排水和铜测试饱和粘土在洞庭湖地区,应变硬化。因此,找到峰值点的偏导数的方法不能用于确定模型参数。这一次,曲线拟合方法确定模型参数。在曲线拟合过程中,合并不排水曲线是第一次安装,然后,合并不排水拟合结果替换到综合排水公式得到综合排水参数。

4.1。铜测试结果符合

根据表中的数据1土的泊松比在洞庭湖地区为0.31,内摩擦角是25°,弹性模量为4.39 MPa。装配时,参数在威布尔分布作为一个固定的值。拟合分析模型的参数如表所示3和曲线如图4。

- - - - - -广场被称为确定系数的方程。的值越接近 - - - - - -广场是1,数学模型的拟合程度越高。这个值是由MATLAB计算。从表可以看出3这一 - - - - - -平方大于0.95,拟合效果很好。从图可以看出4固结不排水试验条件中,0%到2%的压力可分为早期加载阶段,和2%到20%的应变加载的后期。根据拟合结果,随着围压的增加,损失系数引起的毛孔逐渐减少,这是与粘土孔隙度的变化趋势相同。根据研究胡锦涛和曹,硬化指数 ,这反映了材料的非线性应力-应变曲线随围压的增加,这意味着粘土的非线性增加逐渐增加的围压(38]。逐渐接近理想的固体材料属性。方程参数是一个比例参数根据围压,和参数与围压的增加逐渐增加。

4.2。安装CD测试结果

根据拟合结果4所示。1代替,参数以适应综合排水模式。自的价值获得了在固结不排水拟合过程中,可以表示为 。分析模型参数如表所示4和曲线如图5。

从表可以看出4这一 - - - - - -广场都大于0.97。与铜测试图像相比,0% ~ 2%的压力可分为加载的早期阶段,2% ~ 15%的压力可分为加载的中间阶段,应变的15% ~ 20%。它分为加载的后期,可以看到,总体趋势是切线弹性模量迅速减少加载的早期阶段,和切向弹性模量下降缓慢加载的中间阶段,和它的切线弹性模量逐渐趋于0时的加载。可以看出,随着围压的增加,参数 , ,和逐渐增加,但不是线性增加趋势,表明有一定的功能参数和围压之间的关系。

5。参数化分析

5.1。铜参数分析

固结不排水试验条件的150 kPa围压后分析了单变量的原则。固结不排水试验条件的四个参数在图所示6。

从图可以看出6在本文的铜模型,的价值范围从0到1。作为的增加,减少。当是0,这是一个恒定值;的参数增加。当它很大,最大的价值逐渐增加,有效地反映了损伤后的粘土结构失败;的参数主要影响的曲线形状损伤本构模型。附近有一个拐点,随后的变化趋势发生相应变化;参数的影响β有一定相关应变硬化指数,和它的值范围从0到1;硬化指数,增加的吗 ,的逐渐减少;硬化指数逐渐降低,其非线性逐渐增加。

5.2。CD参数分析

150 kPa consolidation-drained围压的测试分析了单变量的原则后,和带三个参数的综合排水法如图7。

从图可以看出7参数主要影响最后的剪切应力,对曲线的形状没有影响;在公式(19),参数主要影响因素的损害 ,这是最后的剪切应力有关。的增加 ,最后的剪切应力逐渐增加,这与拟合结果是一致的。这两个参数和参数影响应力路径,但没有显著影响最后的剪切应力,但有一定的差异的影响的范围。的参数主要影响装运期之前和期间的变化。的增加 ,弯曲的程度逐渐增加,参数主要影响整个加载过程的变化。更明显的比参数 ;比较参数和参数 ,可以看出初始参数的变化有更明显的影响比后期的曲线,和后期的参数变化更明显比初期影响曲线。结合能的参数和充分体现了排水率的影响在CD粘土剪切应力测试。

6。结论

考虑到体积变化的差异,排水速度变化,和微量元素力量之间的CD和铜测试在剪切阶段,一个新的内在模型开发基于现有岩土损伤固有模型。它可以总结如下:(1)铜进行了测试和CD测试,数据收集粘土在洞庭湖地区。发现样品的内部排水速度在CD剪切测试是一致的,与逐渐增加,减少的速度增加,和相对排水速度和轴向应变之间的关系在CD剪切试验确定(2)考虑到排水在剪切过程中体积和排水率的CD测试,三个损伤因素的本构模型,可以充分反映CD测试。这个方程简化获得损伤本构模型能够反映铜测试。粘土的损伤本构模型在湖里区安装,基本上和拟合结果与测试结果一致,验证了可行性的铜/ CD损伤本构模型在本文提出(3)的参数 , , ,和根据铜损伤本构模型,分析了影响的形状曲线确定粘土的损伤本构模型。的参数 , ,和根据CD损伤本构模型,分析并确定参数有一个小的影响最终的剪切应力。参数和不影响最终的剪应力只影响在剪切过程中压力

数据可用性

部分或全部数据、模型或代码支持本研究的发现可以从相应的作者在合理的请求(Qiu-Nan Chen)。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金(52078211和52078211号),湖南省自然科学基金、中国(批准号2020 jj4021和2021 jj40201),科技进步和创新湖南省交通运输工程(202009),和开放基金的公路养护技术国家工程实验室(长沙科技大学,kfj190107)。