岩土力学 ›› 2021, Vol. 42 ›› Issue (4): 1036-1044.doi: 10.16285/j.rsm.2020.1208

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基于颗粒间应变的饱和黏土小应变各向异性 非线性本构模型

时振昊1, 2,黄茂松1, 2,倪雨萍1, 2   

  1. 1. 同济大学 地下建筑与工程系,上海 200092;2. 同济大学 岩土与地下工程教育部重点实验室,上海 200092
  • 收稿日期:2020-09-13 修回日期:2020-11-10 出版日期:2021-04-12 发布日期:2021-04-25
  • 通讯作者: 黄茂松,男,1965年生,博士,教授,主要从事岩土工程方面的教学与科研工作。E-mail: mshuang@tongji.edu.cn E-mail:1018tjzhenhao@tongji.edu.cn
  • 作者简介:时振昊,男,1988年生,博士,助理研究员,主要从事土体本构模型方面的研究。
  • 基金资助:
    国家自然科学基金重点项目(No. 51738010)

Intergranular-strain based constitutive model for saturated clay with anisotropic small-strain stiffness

SHI Zhen-hao1, 2, HUANG Mao-song1,2, NI Yu-ping1, 2   

  1. 1. Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2. Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of the Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 200092, China
  • Received:2020-09-13 Revised:2020-11-10 Online:2021-04-12 Published:2021-04-25
  • Supported by:
    This work was supported by the Key Program of National Natural Science Foundation of China (51738010).

摘要: 饱和黏土的各向异性小应变特性对软土地下工程及其环境影响分析具有重要意义。现有小应变本构模型因较为复杂而无法直接应用于预测土体变形和分析土与结构相互作用的简化方法,且小应变模量常被假设为各向同性。基于颗粒间应变(IGS),建立了形式简单、参数易于确定的非线性弹性模型,其考虑了小应变刚度的各向异性、剪切模量随应变幅衰减、最近应力历史效应以及大应变阶段剪切体变耦合特性。通过对芝加哥黏土不同应力路径单元体试验的模拟,得到以下主要结论:(1)新建模型可以较好模拟不同应力路径下小应变刚度衰减、大应变阶段应力?应变关系、孔隙水压发展以及剪胀性,同时可较好近似高等弹塑性模型;(2)IGS模型较现有Overlay模型可以更好地模拟处于单调加载和应力完全反转之间的应力旋转对小应变刚度的影响;(3)各向异性可显著影响应变非常小时的土体刚度,导致路径旋转角较小的应力路径具有更高的初始模量,但随着应变的增长,最近应力历史会成为左右小应变刚度的主要因素。

关键词: 饱和黏土, 小应变特性, 各向异性, 颗粒间应变, 本构模型

Abstract: Small-strain stiffness of saturated clay and its directional dependence are critical for the design of deep excavations in soft soils and the evaluation of excavation impacts on adjacent infrastructure. Though many constitutive models have been proposed to capture the behavior of fine-grained soils at small strains, they are in general too complex to be incorporated into the simplified analyses of excavation-induced ground movements and soil-structure interaction. Moreover, in these models, small-strain moduli are normally assumed to be isotropic and hence independent of loading directions. In this study, based on the concept of intergranular strain (IGS), we propose a simple and easily calibrated hypoelastic model for saturated clay with anisotropic small-strain stiffness. The model considers direction-dependent moduli at very small strains, non-linear degradation of stiffness with strain levels, recent stress history effects, and stress-dilatancy relation. By comparing against the results of stress probe tests on natural Chicago clay, it shows: 1) The proposed model can reasonably represent the degradation of stiffness at small strains, the stress-strain relationships at large strains, as well as the development of excess pore pressures and soil dilatancy. Also, the model can well approximate advanced elastoplastic models. 2) Compared with the existing Overlay model, the IGS model can better replicate the dependence of small strain stiffness on the intermediate stress path rotations between monotonic and full reversal loading. 3) Anisotropy can noticeably influence the soil stiffness at very small strains such that soil specimens characterized by smaller stress path rotations can feature higher initial shear modulus. With the increase in strain levels, nevertheless, recent stress history becomes the dominant factor in affecting small-strain characteristics of clay.

Key words: saturated clay, small-strain stiffness, anisotropy, intergranular strain, constitutive models

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[1] 陈洲泉, 陈湘生, 庞小朝, . 砂土临界状态模型的隐式积分算法 在有限元分析中实现[J]. 岩土力学, 2021, 42(8): 2279-2286.
[2] 蒋浩鹏, 姜谙男, 杨秀荣. 基于Weibull分布的高温岩石统计损伤 本构模型及其验证[J]. 岩土力学, 2021, 42(7): 1894-1902.
[3] 马秋峰, 刘志河, 秦跃平, 田静, 王树立, . 基于能量耗散理论的岩石塑性-损伤本构模型[J]. 岩土力学, 2021, 42(5): 1210-1220.
[4] 孙增春, 郭浩天, 刘汉龙, 吴焕然, 肖杨, . 基于扰动状态概念的饱和黏土热弹塑性本构模型[J]. 岩土力学, 2021, 42(5): 1325-1334.
[5] 张乐, 党发宁, 高俊, 丁九龙. 线性加载条件下考虑应力历史的饱和黏土一维非线性固结渗透试验研究[J]. 岩土力学, 2021, 42(4): 1078-1087.
[6] 陈曦, 曾亚武, . 基于Grasselli模型的一个新的岩石节理三维粗糙度指标[J]. 岩土力学, 2021, 42(3): 700-712.
[7] 顾晓强, 吴瑞拓, 梁发云, 高广运, . 上海土体小应变硬化模型整套参数取值方法及工程验证[J]. 岩土力学, 2021, 42(3): 833-845.
[8] 梁文鹏, 周家作, 陈盼, 韦昌富, . 基于均匀化理论的含水合物土弹塑性本构模型[J]. 岩土力学, 2021, 42(2): 481-490.
[9] 孟庆彬, 王杰, 韩立军, 孙稳, 乔卫国, 王刚, . 极弱胶结岩石物理力学特性及本构模型研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(S1): 19-29.
[10] 王翔南, 郝青硕, 喻葭临, 于玉贞, 吕禾. 基于扩展有限元法的大坝面板脱空三维模拟分析[J]. 岩土力学, 2020, 41(S1): 329-336.
[11] 罗易, 张家铭, 周峙, 契霍特金, 米敏, 沈筠, . 降雨-蒸发条件下土体开裂临界 含水率演变规律研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(8): 2592-2600.
[12] 邹宇雄, 马刚, 李易奥, 陈远, 周伟, 邱焕峰, . 抗转动对颗粒材料组构特性的影响研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(8): 2829-2838.
[13] 高玮, 胡承杰, 贺天阳, 陈新, 周聪, 崔爽, . 基于统计强度理论的破裂岩体本构模型研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(7): 2179-2188.
[14] 朱剑锋, 徐日庆, 罗战友, 潘斌杰, 饶春义, . 考虑固化剂掺量影响的镁质水泥固化土 非线性本构模型[J]. 岩土力学, 2020, 41(7): 2224-2232.
[15] 洪陈杰, 黄曼, 夏才初, 罗战友, 杜时贵, . 岩体结构面各向异性变异系数的尺寸效应研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(6): 2098-2109.
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[1] 谭贤君,陈卫忠,杨建平,杨春和. 盐岩储气库温度-渗流-应力-损伤耦合模型研究[J]. , 2009, 30(12): 3633 -3641 .
[2] 魏 星,王 刚,余志灵. 交通荷载下软土地基长期沉降的有限元法[J]. , 2010, 31(6): 2011 -2015 .
[3] 温世亿,李静,苏霞,姚雄. 复杂应力条件下围岩破坏的细观特征研究[J]. , 2010, 31(8): 2399 -2406 .
[4] 刘 杰,李建林,屈建军,陈 星,李剑武,骆世威. 基于卸荷岩体力学的大岗山坝肩边坡水平位移发育的多因素影响分析[J]. , 2010, 31(11): 3619 -3626 .
[5] 蒋臻蔚,彭建兵,王启耀. 西安市地铁3号线不良地质问题及对策研究[J]. , 2010, 31(S2): 317 -321 .
[6] 刘用海,朱向荣,常林越. 基于Casagrande法数学分析确定先期固结压力[J]. , 2009, 30(1): 211 -214 .
[7] 李兴高,刘维宁. 挡土结构上水-土压力分算的进一步探讨[J]. , 2009, 30(2): 419 -424 .
[8] 孙长帅,杨海巍,徐光黎. 岩石锚杆基础抗拔承载力计算方法探究[J]. , 2009, 30(S1): 75 -78 .
[9] 杨迎晓,龚晓南,范 川,金兴平,陈 华. 钱塘江冲海积非饱和粉土剪胀性三轴试验研究[J]. , 2011, 32(S1): 38 -42 .
[10] 蔡 枫,郑永来. 土钉墙数值模拟在干船坞坞墙中应用探讨[J]. , 2009, 30(S2): 560 -564 .