岩土力学 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (6): 1469-1480.doi: 10.16285/j.rsm.2021.1480

• 基础理论与实验研究 • 上一篇    下一篇

结构性黄土的临界压力比及其边界面 塑性本构模型预测

康孝森1,廖红建2,黄强兵1,霍秉尧1   

  1. 1. 长安大学 地质工程系,陕西 西安 710064;2. 西安交通大学 土木工程系,陕西 西安 710049
  • 收稿日期:2021-09-02 修回日期:2022-03-11 出版日期:2022-06-21 发布日期:2022-06-29
  • 通讯作者: 黄强兵,男,1972年生,博士,教授,主要从事地质工程、岩土及地下工程等方面的教学与研究工作。E-mail: hqb@ chd.edu.cn E-mail:kangxs@chd.edu.cn
  • 作者简介:康孝森,男,1990年生,博士,讲师,主要从事岩土本构关系与滑坡机理等方面的研究。
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(No.42102317,No.42041006,No.51879212);长安大学中央高校基本科研业务费专项资金(No.300102261303)。

Spacing ratio of structural loess and its prediction using bounding surface plasticity model

KANG Xiao-sen1, LIAO Hong-jian2, HUANG Qiang-bing1, HUO Bing-yao1   

  1. 1. Department of Geological Engineering, Chang’an University, Xi’an, Shaanxi 710054, China; 2. Department of Civil Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an, Shaanxi 710049, China
  • Received:2021-09-02 Revised:2022-03-11 Online:2022-06-21 Published:2022-06-29
  • Supported by:
    This work was supported by National Natural Science Foundation of China (42102317, 42041006, 51879212) and the Fundamental Research Funds for the Central Universities, CHD (300102261303).

摘要: 结构性黄土的临界状态与初始孔隙比有关,表现出临界状态线不唯一,需通过指标临界压力比反映,而修正剑桥模型及其改进模型预测的临界状态线唯一,这导致结构性黄土的临界状态及应力−应变关系难以被准确预测。针对这一问题,首先基于原状黄土三轴不排水剪切试验结果,根据临界压力比的公式,计算得到了不同初始孔隙比条件下指标临界压力比的值,发现原状黄土的临界压力比与初始孔隙比成反比例关系,阐明了其临界压力比的物理力学意义;进一步,在一个考虑临界压力比的边界面塑性本构模型框架下,引入结构性硬化参数以反映原状黄土在等向压缩路径下的结构劣化,通过临界压力比的不同取值来反映临界状态线不唯一,通过耦合塑性偏应变引起结构强度衰减与塑性体变引起结构劣化两个方面充分反映黄土的结构性劣化行为;最后,采用该模型预测了原状黄土三轴不排水剪切行为与等向压缩行为,临界状态、应变软化、应力路径及孔隙水压力预测效果良好。以上结果表明,结构性黄土的临界压力比物理意义明确,且取值方法可靠,本构模型若考虑临界压力比则能切实反映黄土实际的临界状态。上述研究结果对于黄土地区岩土工程问题的数值分析具有重要的理论与实际意义。

关键词: 黄土, 临界压力比, 边界面塑性, 本构模型, 结构性

Abstract: The critical state of structural loess is related to its initial void ratio, which causes the non-unique critical state line that can be described by an index “spacing ratio”. However, Modified Cam-clay model and its enhanced models show unique critical state line, which make it unable to capture the critical state and strain-softening of intact loess. To solve the issue, this paper conducts the investigation for the spacing ratio of intact loess and model prediction for the mechanical behaviors of intact loess. Firstly, the calculation method of the spacing ratio is given, and the values of the spacing ratio corresponding to different void ratios are calculated from triaxial undrained compression test results on intact loess. It was found that there exists an inversely proportional relationship between the spacing ratio and the void ratio. The physical meaning of the spacing ratio is also clarified. Secondly, a modified model is obtained by introducing a hardening parameter into a framework of structure bounding surface plasticity model considering spacing ratio. In the modified model, the various values of spacing ratio represent non-unique critical state line, and the structural decay of intact loess is accomplished by coupling the effect of plastic deviatoric strain and plastic volumetric strain. The modified model well predicts the critical state, strain-softening, stress paths, and pore pressure of intact loess. The above results show that the physical meaning of the spacing ratio is clear, and its role in predicting critical state is reliable. If the spacing ratio is considered in a constitutive model, it can well capture the critical state of intact loess. The conclusions have theoretical and practical meanings for numerical analysis of geotechnical engineering in loess area.

Key words: loess, spacing ratio, bounding surface plasticity, constitutive model, structure

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