岩土力学 ›› 2021, Vol. 42 ›› Issue (5): 1325-1334.doi: 10.16285/j.rsm.2020.1419

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基于扰动状态概念的饱和黏土热弹塑性本构模型

孙增春1,郭浩天1,刘汉龙1, 2, 3,吴焕然1, 2,肖杨1, 2, 3   

  1. 1. 重庆大学 土木工程学院,重庆 400045;2. 重庆大学 山地城镇建设与新技术教育部重点实验室,重庆 400045; 3. 重庆大学 库区环境地质灾害防治国家地方联合工程研究中心,重庆 400045
  • 收稿日期:2020-09-19 修回日期:2020-12-21 出版日期:2021-05-11 发布日期:2021-05-07
  • 通讯作者: 肖杨,男,1982年生,博士,教授,主要从事土体力学特性及本构模型研究。E-mail: hhuxyanson@163.com E-mail: cqsunzcu@163.com
  • 作者简介:孙增春,男,1993年生,博士研究生,主要从事土体本构模型及数值计算研究。
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目(No. 41831282, No. 51922024, No. 51678094);重庆市自然科学基金项目(No. cstc2019jcyjjqX0014)

A thermo-elasto-plastic constitutive model for saturated clay based on disturbed state concept

SUN Zeng-chun1, GUO Hao-tian1, LIU Han-long1, 2, 3, WU Huan-ran1, 2, XIAO Yang1, 2, 3   

  1. 1. School of Civil Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, China; 2. Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area, Chongqing University, Chongqing 400045, China; 3. National Joint Engineering Research Center of Geohazards Prevention in the Reservoir Areas, Chongqing University, Chongqing 400045, China
  • Received:2020-09-19 Revised:2020-12-21 Online:2021-05-11 Published:2021-05-07
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (41831282, 51922024, 51678094) and the Natural Science Foundation of Chongqing, China (cstc2019jcyjjqX0014).

摘要: 在浅层地热能开发、核废料处置和能源地下结构等工程建设过程中,温度变化对土体强度和变形的影响不容忽视。为了能够较为全面地反映土体的热力学特性,在扰动状态概念的基础上,建立了一种考虑温度效应的饱和黏土热弹塑性本构模型。考虑土体体积变形和临界状态的热依赖行为,通过引入扰动函数来反映超固结比(OCR)对饱和黏土强度、剪胀和变形的影响,并将其嵌入剪胀应力比、潜在破坏应力比和塑性模量。通过等向升温-冷却试验和温度控制的三轴排水/不排水压缩试验对模型进行了验证。计算结果表明,模型能够合理地反映饱和黏土的热硬化和热软化行为。在排水条件下,正常固结黏土的应变硬化和体积收缩以及超固结黏土的应变软化和体积膨胀特性得到较好的预测。同时,模型能够描述饱和黏土在不排水条件下强度和应力路径的演化。

关键词: 饱和黏土, 扰动状态概念, 超固结, 温度, 强度

Abstract: The influence of temperature variation on soils’ strength and deformation cannot be neglected in geotechnical engineering, such as shallow geothermal energy extraction, nuclear waste disposal, and the construction of geothermal structures. To comprehensively describe the thermomechanical behavior of soils, a thermo-elasto-plastic model of saturated clay that incorporates the temperature effect is established based on the disturbed state concept. By considering the thermal dependence of the volumetric strains and critical state, a disturbance function is introduced to reflect the influence of overconsolidation ratio (OCR) on the strength, dilatancy and deformation of saturated clay. The disturbance function is incorporated into the dilatancy stress ratio, potential failure stress ratio, and plastic modulus. Finally, the proposed model is validated through the isotropic heating-cooling tests, temperature-controlled drained triaxial compression tests, and temperature-controlled undrained triaxial compression tests. The proposed model can properly reflect the thermal-hardening and thermal-softening behavior of the saturated clay. The strain hardening and volumetric contraction of normally consolidated clays, as well as the strain softening and volumetric expansion of overconsolidated clays under the drained condition are well captured. Meanwhile, the proposed model can describe the strength and stress paths evolution of saturated clay under the undrained condition.

Key words: saturated clay, disturbed state concept, overconsolidation, temperature, strength

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