高等土力學(xué)(李廣信)2.8-土的結(jié)構(gòu)性及損傷模型

2.8土的結(jié)構(gòu)性及損傷模型2.8.1

概述2.8.2

粗粒土的結(jié)構(gòu)性2.8.3

粘性土的顆粒與水的相互作用－雙電層2.8.4

粘土顆粒間的作用力及粘土的結(jié)構(gòu)性2.8.5

土的結(jié)構(gòu)性對(duì)其力學(xué)性質(zhì)的影響2.8.6

損傷理論及其在巖土材料中應(yīng)用2.8.7

沈珠江的結(jié)構(gòu)性的粘土的彈塑性損傷模型2.8.1

概述1.組構(gòu)（fabric)：顆粒、粒組和孔隙的幾何排列方式2.結(jié)構(gòu)（structure):由于土的組成成分、空間排列、和粒間的作用力表現(xiàn)出的綜合特性3.結(jié)構(gòu)性：由于土的結(jié)構(gòu)造成的力學(xué)特性（強(qiáng)度、滲透性、變形）4.結(jié)構(gòu)性強(qiáng)弱：結(jié)構(gòu)對(duì)于土的力學(xué)性質(zhì)影響的猛烈程度原狀土：風(fēng)化、搬運(yùn)、沉積、固結(jié)及漫長(zhǎng)時(shí)間中的地質(zhì)作用，與四周環(huán)境的相互作用－較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性。重塑土：結(jié)構(gòu)性比較弱。土力學(xué)的基本原理－主要建立在重塑土的室內(nèi)試驗(yàn)基礎(chǔ)上。3.土的結(jié)構(gòu)性2.8.2粗粒土的結(jié)構(gòu)性

主要由于顆粒間的排列：咬合、定向、膠結(jié)—密度、滲透性、強(qiáng)度、壓縮性、各向異性。立方體:

e=0.91三角形＋正方形：e=0.65金字塔e=0.34四面體：e=0.34四面體＋楔形：e=0.43勻整的圓球組成的“土”的幾種顆粒排列可能出現(xiàn)各向異性圖土的幾種顆粒排列顆粒長(zhǎng)寬比：L/W＝1.64，定向作用造成土的各向異性圖顆粒長(zhǎng)寬比2.8.3

粘性土的顆粒與水的相互作用－雙電層

1.水分子的結(jié)構(gòu)2.粘土礦物成分及表面電荷3.

粘土顆粒與水的相互作用－雙電層1.水分子的結(jié)構(gòu)由于正負(fù)電荷不對(duì)稱(chēng)－偶極子圖水的分子結(jié)構(gòu)2.粘土礦物成分及表面電荷D<5m(0.005mm)粘土礦物：高嶺石、伊利石、蒙特石硅氧四面體，鋁氫氧八面體硅氧四面體，鋁氫氧八面體圖黏土礦物體晶1）由于結(jié)構(gòu)連續(xù)性受到破壞，使粘土表面帶凈負(fù)電荷（邊角帶正電荷）2）四面體中的硅、八面體中的鋁被低價(jià)離子置換3）存在于堿性溶液中，土表面的氫氧基離解變成氫，帶正電荷粘土礦物表面帶負(fù)電荷：3.

粘土顆粒與水的相互作用－雙電層1）土表面的氫鍵：吸附水偶極子2）表面負(fù)電－陽(yáng)離子－水偶極子3）滲透吸力：由于土表面吸附陽(yáng)離子－陽(yáng)離子濃度增加－對(duì)水吸力4）水表面負(fù)電荷吸引水偶極子5）范德華力：分子力雙電層：水偶極子＋陽(yáng)離子－擴(kuò)散層＝雙電層，其中水為結(jié)合水滲透吸力陽(yáng)離子的吸附水偶極子圖黏土顆粒表面的雙電層2.8.4

粘土顆粒間的作用力及粘土的結(jié)構(gòu)性1.靜電力（庫(kù)侖力）：面－角相吸2.范德華力（分子鍵）偶極子及誘發(fā)的偶極子間吸引。s<1m,衰減快3.通過(guò)離子作用力4.結(jié)晶與膠結(jié)（化學(xué)鍵）5.滲透斥力：兩粘土顆粒間水離子濃度高，滲壓（高）于自由水，使顆粒排斥圖黏土的幾種結(jié)構(gòu)形式單片絮凝單片分散片組絮凝片組分散圖：黏土的各種絮凝合構(gòu)2.8.5土的結(jié)構(gòu)性對(duì)其力學(xué)性質(zhì)的影響土的壓縮試驗(yàn)：原狀土重塑土應(yīng)力的門(mén)檻值圖原狀土與重塑土的土的壓縮試驗(yàn)曲線(xiàn)圖制樣方法對(duì)土的性質(zhì)的影響長(zhǎng)江口深水航道二期整治工程N(yùn)40－41

標(biāo)段，1620m鋼筋混凝土半圓形沉箱導(dǎo)堤。內(nèi)填紗，下部拋石整平。地基為薄粉細(xì)砂下的淤泥土，由于在波浪荷載下土的結(jié)構(gòu)破壞，2002年12月5－7日大風(fēng)浪，14號(hào)平移60m；1－5號(hào)沉降1.0m.圖：長(zhǎng)江口深水航道二期整治工程舊金山海濱淤泥土的原狀土與擾動(dòng)土的不排水試驗(yàn)。首先將原狀不擾動(dòng)土樣從地層中取出放在三軸壓力室中，施加圍壓（不固結(jié)）以平衡原位應(yīng)力。然后進(jìn)行不排水試驗(yàn)直到破壞。然后拆開(kāi)三軸壓力室，取出試樣，在橡皮膜中就地進(jìn)行重塑，再重裝壓力室。仍舊施加圍壓（不固結(jié)），再加軸向荷載，得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)和孔壓關(guān)系見(jiàn)圖，這種試驗(yàn)分別進(jìn)行了兩組。圖舊金山海濱淤泥土的原狀土與擾動(dòng)土的不排水三軸試驗(yàn)圖有效應(yīng)力路徑孔隙水壓力的發(fā)展圖

可見(jiàn)兩種土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系相差極大。對(duì)兩組試樣，由不排水強(qiáng)度計(jì)算的敏感度分別為4.5和3.1。這種差別主要是由于二者的有效應(yīng)力不同。由于擾動(dòng)土的結(jié)構(gòu)破壞，使試樣內(nèi)超靜孔壓大大增加，有效應(yīng)力降低。2.8.6

損傷理論及其在巖土材料中應(yīng)用1.概述：連續(xù)損傷力學(xué)是由卡克諾夫（Kachnov）1958年在探討一維蠕變斷裂問(wèn)題時(shí)提出的，他引入了連續(xù)性因子和有效應(yīng)力的概念來(lái)表示材料損傷后的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。以后損傷力學(xué)（damagemechanics）被推廣應(yīng)用來(lái)模擬金屬的疲憊，蠕變及延展塑性變形的損傷，也被用于巖石和砼等脆性材料。近年來(lái)也被廣泛應(yīng)用于土力學(xué)中。2.

對(duì)于連續(xù)性材料，單軸拉伸試樣受到拉力P作用，其表現(xiàn)（總）截面積為A，由于產(chǎn)生損傷（斷裂）截面上實(shí)際受力面積為Aef，因?yàn)閿嗔讯a(chǎn)生的孔隙面積為AD，則:損傷因子（損傷變量）連續(xù)因子假如：ADP圖材料的損傷3.一維彈性損傷的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系假如確定了：則建立了一個(gè)最簡(jiǎn)潔的損傷模型4.

損傷模型的建立1)選擇或確定一個(gè)或一組合適的損傷變量D。2)確定有效應(yīng)力與損傷變量間關(guān)系，即考慮損傷變量的本構(gòu)關(guān)系。3)確定損傷變量的函數(shù)表達(dá)式D=F（）

D=0時(shí)表示材料無(wú)損傷或初始狀態(tài)；D=1.0表示材料達(dá)到完全損傷狀態(tài)。(a)初始材料的彈塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系(b)完全損傷材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系(c)部分損傷材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系圖彈塑性材料的損傷變形特性分析5.膠結(jié)桿物理模型圖膠結(jié)桿模型圖由膠結(jié)桿組成的各類(lèi)損傷模型6.土的損傷模型－原理1)與塑性應(yīng)變一樣，損傷及其引起的應(yīng)變也是不行復(fù)原的，可以在不行逆熱力學(xué)理論框架內(nèi)建立損傷本構(gòu)模型；2)將原狀土在初始狀態(tài)作為一種初始無(wú)損傷材料；3)將完全破壞（重塑）的土體作為損傷后的材料(強(qiáng)度與剛度不確定為0）；4)在加載（或其他擾動(dòng)）變形過(guò)程中土體可認(rèn)為是原狀土與損傷土兩種材料的復(fù)合體；5)把損傷土部分所占的比例w稱(chēng)為損傷比。則實(shí)際土體力學(xué)特性可表示為二者的加權(quán)平均值。其中S為土的某一種力學(xué)指標(biāo)Ai,iAd,d圖

單向壓縮下土的損傷增量形式：應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系：假如w是應(yīng)變的函數(shù):【D】d

損傷模量矩陣7.土的損傷模型－探討土的損傷后的性狀：1）沒(méi)有了強(qiáng)度，如某些損傷模型所假設(shè)；2）無(wú)抗剪強(qiáng)度，但可承受靜水壓力，如受限制的液體；3）達(dá)到臨界狀態(tài)，在確定p，q作用下，表現(xiàn)確定抗剪強(qiáng)度，處于臨界狀態(tài)，發(fā)生剪變，但不再發(fā)生體應(yīng)變，如一般巖土材料。（1）例如對(duì)于一般原狀土，主要是由于顆粒間移動(dòng)造成膠結(jié)與原組織的破壞，損傷表現(xiàn)為塑性應(yīng)變的函數(shù)。（2）而對(duì)于凍土，則溫度、壓力均可引起結(jié)凍土的融解，宏觀上表現(xiàn)出損傷性質(zhì)。例如圍壓大到確定水平，凍土的強(qiáng)度包線(xiàn)隨圍壓增加而下降。（3）對(duì)于濕陷性黃土則損傷主要是由土中含水量增加引起的。（4）另外反復(fù)加載引起的疲憊、蠕變、腐蝕，其損傷主要是時(shí)間的函數(shù)。（5）多種動(dòng)因及來(lái)源于土的多種微觀結(jié)構(gòu)的變更。凍土度強(qiáng)度包線(xiàn)圖損傷模型的建立1）選擇或