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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[1] 刘宽, 叶万军, 高海军, 董琪, . 酸碱污染黄土抗剪强度演化规律及微观机制[J]. 岩土力学, 2022, 43(S1): 1-12.
[2] 潘振辉, 肖涛, 李萍, . 压实度与制样含水率对压实黄土微结 构及水力特性的影响[J]. 岩土力学, 2022, 43(S1): 357-366.
[3] 安然, 孔令伟, 师文卓, 郭爱国, 张先伟, . 结构性黏土的原位刚度衰减规律及数学表征[J]. 岩土力学, 2022, 43(S1): 410-418.
[4] 王海曼, 倪万魁, 刘魁, . 延安压实黄土土−水特征曲线的快速预测方法[J]. 岩土力学, 2022, 43(7): 1845-1853.
[5] 张革, 曹玲, 王成汤, . 考虑多晶冰软化特性的弹塑性损伤本构 模型开发及应用[J]. 岩土力学, 2022, 43(7): 1969-1977.
[6] 袁宇, 刘润, 付登锋, 孙国栋. 结构性海洋黏土损伤模型的二次开发及应用[J]. 岩土力学, 2022, 43(7): 1989-2002.
[7] 陈锐, 张星, 郝若愚, 包卫星. 干湿循环下地聚合物固化黄土强度 劣化机制与模型研究[J]. 岩土力学, 2022, 43(5): 1164-1174.
[8] 焦钰祺, 贺林林, 梁越, 刘旭菲, . 考虑结构性黏土应变软化效应的 桩靴竖向承载特性研究[J]. 岩土力学, 2022, 43(5): 1374-1382.
[9] 王海曼, 倪万魁. 不同干密度压实黄土的饱和/非饱和渗透 系数预测模型[J]. 岩土力学, 2022, 43(3): 729-736.
[10] 侯乐乐, 翁效林, 李 林, 周容名, . 考虑含水率影响的结构性黄土临界状态模型[J]. 岩土力学, 2022, 43(3): 737-748.
[11] 陶志刚, 郭爱鹏, 何满潮, 张瑨, 夏敏, 王鼎, 李梦楠, 朱珍, . 微观负泊松比锚杆静力学特性及其工程应用研究[J]. 岩土力学, 2022, 43(3): 808-818.
[12] 于洪丹, 陈卫忠, 卢琛, 杨典森, 杨建平, 王震, . 黏土岩时效变形特性试验与理论研究[J]. 岩土力学, 2022, 43(2): 317-326.
[13] 高常辉, 杜广印, 刘松玉, 庄仲旬, 杨泳, 何欢, . 深层振动密实对湿陷性黄土层水平应力变化的影响[J]. 岩土力学, 2022, 43(2): 519-527.
[14] 许健, 武智鹏, 陈辉, . 干湿循环效应下玄武岩纤维加筋黄土 三轴剪切力学行为研究[J]. 岩土力学, 2022, 43(1): 28-36.
[15] 张超, 杨楚卿, 白允. 岩石类脆性材料损伤演化分析及其模型方法研究[J]. 岩土力学, 2021, 42(9): 2344-2354.
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[1] 姚仰平,侯 伟. 土的基本力学特性及其弹塑性描述[J]. , 2009, 30(10): 2881 -2902 .
[2] 徐金明,羌培,张鹏飞. 粉质黏土图像的纹理特征分析[J]. , 2009, 30(10): 2903 -2907 .
[3] 向天兵,冯夏庭,陈炳瑞,江 权,张传庆. 三向应力状态下单结构面岩石试样破坏机制与真三轴试验研究[J]. , 2009, 30(10): 2908 -2916 .
[4] 石玉玲,门玉明,彭建兵,黄强兵,刘洪佳. 地裂缝对不同结构形式桥梁桥面的破坏试验研究[J]. , 2009, 30(10): 2917 -2922 .
[5] 夏栋舟,何益斌,刘建华. 土-结构动力相互作用体系阻尼及地震反应分析[J]. , 2009, 30(10): 2923 -2928 .
[6] 徐速超,冯夏庭,陈炳瑞. 矽卡岩单轴循环加卸载试验及声发射特性研究[J]. , 2009, 30(10): 2929 -2934 .
[7] 张力霆,齐清兰,魏静,霍倩,周国斌. 淤填黏土固结过程中孔隙比的变化规律[J]. , 2009, 30(10): 2935 -2939 .
[8] 张其一. 复合加载模式下地基失效机制研究[J]. , 2009, 30(10): 2940 -2944 .
[9] 易 俊,姜永东,鲜学福,罗 云,张 瑜. 声场促进煤层气渗流的应力-温度-渗流压力场的流固动态耦合模型[J]. , 2009, 30(10): 2945 -2949 .
[10] 陶干强,杨仕教,任凤玉. 崩落矿岩散粒体流动性能试验研究[J]. , 2009, 30(10): 2950 -2954 .