岩土力学 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (7): 1854-1864.doi: 10.16285/j.rsm.2021.1745

• 基础理论与实验研究 • 上一篇    下一篇

基于破损参数简化的二元介质冻结粉 细砂土本构模型

张树明1, 2，蒋关鲁1, 2，叶雄威1, 2，蔡俊峰1, 2，袁胜洋1, 2，罗斌3   

  1. 1. 西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031；2. 西南交通大学 高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川 成都 610031； 3. 四川农业大学 土木工程学院，四川 都江堰 611830
  • 收稿日期:2021-10-17 修回日期:2022-04-11 出版日期:2022-07-26 发布日期:2022-08-04
  • 通讯作者: 蒋关鲁，男，1962年生，博士，教授，主要从事道路与铁道工程方面的研究工作。E-mail: wgljiang@swjtu.edu.cn E-mail:shumingzsm@my.swjtu.edu.cn
  • 作者简介:张树明，男，1989年生，博士研究生，主要从事高速铁路路基及地基处理设计方面的研究工作。
  • 基金资助:
    国家自然科学基金资助项目（No. 51878577）

A constitutive model for frozen silty sand based on binary medium model simplified by breakage parameter

ZHANG Shu-ming1, 2, JIANG Guan-lu1, 2, YE Xiong-wei1, 2, CAI Jun-feng1, 2, YUAN Sheng-yang1, 2, LUO Bin3   

  1. 1. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, Sichuan 610031, China; 2. Key Laboratory of High-speed Railway Engineering, Ministry of Education, Southwest Jiaotong University, Chengdu, Sichuan 610031, China; 3. College of Civil Engineering, Sichuan Agricultural University, Dujiangyan, Sichuan 611830, China
  • Received:2021-10-17 Revised:2022-04-11 Online:2022-07-26 Published:2022-08-04
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (51878577).

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摘要： 二元介质模型在非冻结岩土材料中已得到广泛研究，但在冻土领域的相关研究尚不充分。为探讨三轴试验条件下冻结粉细砂土的强度变形特性，此处引入二元介质理论对冻土应力−应变关系进行分析研究。针对现有二元介质模型参量多、确定方法复杂的特点，推导了基于破损参数简化的二元介质模型；并结合开展的5种细颗粒含量、4种围压条件下的冻土三轴试验，对推导模型进行了验证。结果表明：随轴向应变的增大，应力−应变曲线可划分为线弹性阶段、弹塑性阶段和应变软化阶段，3个阶段均可通过胶结元和摩擦元转化理论进行较好的解释；同一围压下随细颗粒含量的增大，偏应力和体胀最大值均呈降低趋势，抗剪强度呈线性减小趋势；在横截面积修正条件下，随轴向应变的增大，5种细颗粒含量冻结粉细砂土均表现为应变软化特性，体积变形表现出由体缩向体胀转化发展的趋势；偏应力发展3个阶段的转折点，与体积变形中体缩极值点和体缩体胀转折点较为契合；通过三轴试验偏应力实测值与基于破损参数简化的二元介质本构模型计算值对比分析，简化模型可以较好地模拟冻结粉细砂土的偏应力−轴向应变关系。

关键词: 冻结粉细砂土, 二元介质模型, 三轴试验, 应力?应变关系, 破损机制

Abstract: The binary medium model has been widely studied in unfrozen geomaterials, however, it is still not well studied for frozen soil. In order to investigate the strength-deformation characteristics of frozen silty sand in triaxial test, the binary medium theory is introduced to interpret the stress-strain relationship of frozen soil. There are plenty of parameters for existing binary medium model, and the determination of parameters is with complexity. A binary medium model is proposed based on simplified breakage parameter. The triaxial tests of frozen soil were performed under five kinds of fine particle content and four kinds of confining pressure conditions, and the validity of proposed model was examined by test results. It is revealed that the stress-strain relationship can be divided into three stages with the increase of axial strain, namely, linear elasticity stage, elastoplastic stage, and strain softening stage. Based on binary medium model, all three stages can be well explained by the transformation theory of bonding element and friction element. Under the identical confining pressure conditions, both deviatoric stress and the maximum values of bulk expansion decrease, while the shear strength decreases linearly with the increase of fine particle content. Considering cross-section area correction, the silty sand with different fine particle contents presents softening characteristics, and the volume deformation shows the pattern from shrinkage to expansion with the increase of axial strain. The turning points of the three stages of deviatoric stress development are in good agreement with the extreme point of volume shrinkage and the turning point of volume expansion. Comparing the measured deviatoric stress in triaxial tests with the calculated by binary medium based on simplified breakage parameter, it is believed that the proposed model is able to simulate the stress-strain relationship of frozen silty sand in triaxial tests.

Key words: frozen silty sand, binary medium model, triaxial shear test, stress-strain relationship, breakage mechanism

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