土的结构性文献综述

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1、得分：XX 林业大学研究生课程论文20212021学年第2学期用工口 1=1课程号：PD06005课程名称：高等土力学论文题目：土的构造性文献综述学科专业：建筑与土木工程学号：XX：任课教师：二O五年六月土的构造性文献综述摘要：近年来，土构造性的重要性日显突出，研究也不断加深，本文 回忆了土构造性研究开展的历程，并介绍了微构造、固体力学土构造 性研究方法。关键词：土构造性;历史历程;本构模型;微构造;0 前言近年来，土的构造性研究引起了人们的广泛关注。从广义上讲， 土都具有构造性，土构造性的强弱是与土的先期固结压力、沉积时间、 沉积条件以及土的物理化学成分等相关的。土的构造性是指土构造的 力学

2、效应，即受力时土的构造与其力学行为的相互影响。如在对粘性 土原状样有构造性的土和重塑样丧失构造性的土的室力学试 验时发现，原状样和重塑样的力学性质差异较大，主要表现在:1 班压缩曲线上原状样有明显的构造屈服点，而重塑样压缩曲线根本为 一直线；2巨轴剪切试验中，原状样的应力应变曲线上有明显的构 造屈服应力点，而重塑样没有；3源状样在应力低于构造屈服应力 时，固结系数根本为一常数，而当应力增加到构造屈服应力附近时， 固结系数急剧降低，最后趋近于重塑样的固结系数；4巨轴剪切试 验中，原状样的抗剪强度包线呈折线型，而重塑样为一直线。以上这 些特性均说明了土构造性对土的力学性质是有较大影响，所以用传统

3、通过饱和扰动土和砂土开展起来的土本构模型是很难反映构造性土 的力学性态的，其计算所得的结果必然与实际情况相差甚远。1 土构造性概念土的构造性是指土中颗粒或土颗粒集合体以及它们之间的孔隙的 大小、形状、排列组合及联结等综合特征。因此土的构造性除了应包 括土的骨架和孔隙的几何特征即土颗粒和孔隙的大小、多少、形状 和分布等外，从土力学的角度考虑还应包括颗粒之间的联结特征. 如果将孔隙看作是反映颗粒排列的一个方而，那么土的构造性就应该 包括土中颗粒的排列特征几何特征和联结特征力学特征。 2 土构造性研究意义土力学性质的差异或变化取决于因和外因2 方而。土本身的颗粒 性状、孔隙性状、含水量和矿物成分等因

4、素的不同组合，使土具有不 同的初始构造性，因而具有不同的力学性质。例如，由于土中孔隙不 同使其具有不同的排水通道，因此反映土固结速率的固结系数和渗透 系数受微构造的影响也较大；由于颗粒的特殊排列方式和联结特性， 使有的土具有各向异性特征；由于试样的初始微构造不同，在含水量 降低时吸力的增大引起的效应亦不同。此外，对于非饱和土，其渗水 系数和渗气系数与土的微构造形态的关系极为密切。外因即荷载水 可看作广义的荷载，如应力作用过程、路线和水平等。外因可以改 变土本身的构造、形成次生构造，使同一种土在不同状态下具有不同 的力学性质。土的应力一应变关系、孔隙水压力应变曲线和固结曲 线等都与土的构造性有明

5、显的关系。用不同方法制备的密度、粒度和 湿度等物性指标一样的土样其力学性质常具有较大差异，这也与构造 性有密切关系。由此可见，土的构造性对于工程建立是非常重要的。 因此，将土构造性的研究提到“21 世纪土力学的核心问题的高度。 长期以来，对于土的力学性质仅局限于从粒度、密度和湿度3 个方而 来描述，无视了一个极其重要的因素，即构造性。当代土力学的开展 要求定量地描述土的构造性。在过去的半个多世纪里几代岩土力学工 作者一直研究这个问题，但是到口前为止，还没有找到能反映土构造 性的定量化指标。3 土构造性的历史历程3.1 微构造性研究的初步阶段20 年代中期50 年代初 一般认为，1925 年土力

6、学的奠基人太沙基所倡导的土的微构造概 念与思想是土微构造研究的开端，也是土构造性研究的开端.他提出 了粘土的“蜂窝状构造是在自然沉积过程中很常见的一种构造形态. 其后许多学者也注意到了土的微构造的力学意义，并进展了研究。这 一时期的研究以观察土的微构造形态，研究其对土力学性质的影响为 主.由于缺乏有效的观测手段，仅以放大镜为主要工具，难以对土的 复杂的构造性进展系统的研究。3.2 构造性研究的深化阶段50 年代中期一 60 年代后期随着科学技术的开展，光学显微镜、偏光显微镜、X射线衍射技 术等在土的微构造研究中得到了广泛应用。人们开场注意到了构造要 素的完整性，特别是构造单元的定向分布特征。常

7、宝琦和林崇义提出 土构造是颗粒排列的规律性和颗粒间联结性质的规律性的统称，土构 造可分为构造和粘聚性2 局部，前者纯属几何特征，后者是由于土的 各相间的相互作用对颗粒位移的阻力，进而研究了黄土颗粒的联结特 征和受力变形特征。3.3 土构造性定量化研究的初步阶段60 年代末一 80 年代 中期在此阶段，对土微构造的研究有了较大的开展，人们在进一步寻 求定量描述微构造形态诸要素的方法。同时，对土构造联结特征的力 学模拟研究也越来越受重视，提出了多种构造模式。在土构造性的研 究方法上，比拟有代表性的有土构造的微观图像定量分析和土微构造 受力作用下的力学模拟。这 2种方法对后来土构造性的研究起到了很

8、大的影响.在这一时期，中国也有许多学者对土的微观构造进展了观 察和分析。3.4 土构造性定量化研究的开展阶段80 年代中期至今在此阶段，尽管对描述土构造性某一要素的研究手段有所增多， 研究的深度有所增加，对土的种类研究的广度有所增大，但无论是在 构造性研究方法上还是在对构造性的认识上都没有太大的开展。寻找 一个有效的、能应用于实际工作的、带有综合性质的构造性指标成了 众多学者的一致追求，形成了土构造性研究的新高潮。计算机图像处 理技术的应用，为从微构造形态方而进展土构造性定量化的研究提供 了新的手段。不同类型的土微构造研究成果为建立土构造性的力学模 型提供了参考依据。基于土力学特性非线性的土构

9、造性的损伤模型得 到了新的开展。4 土构造性研究方法4.1 土构造性本构模型的研究方法 近十年来，土构造性本构模型研究得到了长足的开展，国外许多学者 提出了众多的土构造性本构模型。1从微观角度出发，结合相关非 线性理论，如分形理论、突变理论等，将微构造参数与宏观力学参数 相结合进展研究的。微构造研究方法是由20世纪 20年代沿袭和开展 下来的微构造形态学的研究方法，它几乎将微构造当成了土构造性的 代名词，多年来许多学者都试图通过微构造观测与宏观力学试验相对 应，建立起微构造参数与宏观力学参数间的关系，但由于测试技术上 的复杂性和准确性，其建立的土构造性本构模型似乎离真正的应用还 相差很大的距离

10、。2结合固体材料力学研究方法进展的，如损伤力 学、扰动状态概念以及多屈服面理论等。通过这方面的研究试图从数 学力学的观点建立一种能够有效描述土构造性在受力过程中变形和 破坏的力学模型，由此推导和反映土的宏观力学行为。它是受到土力 学中提醒规律的影响，带有现代力学开展意义的特色，但在土构造性 的表征方式和构造性受到扰动时变化规律的正确反映方面，还有许多工作要做。3用 土力学的研究方法，主要是通过对构造性土和重塑土做比照试验，得 出可以描述构造破坏的构造性参数。它或局限于说明不同构造性的土 具有不同的力学规律，或只针对某些土的特殊性质而提出某些对症的 表述参数如构造强度、先期固结压力、湿陷系数、灵

11、敏度和液化度 等，从总体上看，仍然缺乏实质、系统、全面的研究。4.2 微构造本构模型的研究方法微构造本构模型是指根据土的微观构造和粘土颗粒的物理化学性质 建立土的本构模型，以此来反映土的宏观力学行为。它的根本思路出 自 Taylor 提出的材料中不同方向微滑面上的应力应变关系。目前土 的微构造模型大多是针对重塑土或扰动土建立起来的，而对于构造性 土建立的微构造模型不多，具有代表性的主要有以下两个模型。1999 年，苗天得等基于微构造突变失稳假说，给出了一个完整 失陷变形黄土的本构模型，此模型的增量本构形式为:其中：，式中，a, b是考虑到实际土体孔隙和模型构造的差异而引入的两个 变形调整因子，

12、它们是含水量和应力状态的函数；R为孔隙半径；为 孔隙率；N R为孔隙分布函数；为微构造突变角度为总的体积改 变；为初始孔隙比。此模型是针对湿陷性黄土建立的,而黄土是一种典型的构造性土,它 的建立对其他构造性土如软粘土、红土等是非常具有启发意义的。上述研究说明,现代微构造研究已从原来的定性研究朝着定量化研究 方向开展,并寻求土的微构造参数直接用于土力学本构模型的建立。 以上微构造本构模型的研究对构造性土在复杂受力条件下变形、破坏 机制进展了有益的探索，但从建立构造性土的构造性力学模型的角 度，无论在技术还是原理方面都还存在一些问题，表现在如下几个方 面。1信息提取技术。尽管多年来研究的丰富成果以

13、及测试手段和计 算机技术的开展给它的进一步开展提供了良好条件，但要全面描述构 造性土的形态几何特征和能量学特征，还应当进一步完善已有的构造 量化信息提取技术，继续开拓新的途径。2微构造动态观测。观测构造性土在外力或其他因素作用下 的构造动态变化，目前限于观测手段的限制，大多还是采用平行样的 测试方法，很难对土的构造变化进展真正的动态观测。3微观构造研究的尺寸效应。微观构造的研究是对土体在微 观层面上的构造研究，如何根据相似性原理，研究土体的宏观和微观 联系、尺寸效应以及与土体各种物性间关系，这些都有待进一步的深 入研究。4微观力学模型。将土体微观构造定量研究成果应用于研究 土体的变形、强度、蠕

14、变等，建立它们的微观力学模型，目前的工作 还是比拟浅薄的。尽管 20 世纪 80 年代以来，美国 Bazan 墩授完善 了 Taylor 的微观建模思想，取得了材料在不同方向微滑面上的应力 应变关系，国的施斌也建立了各向异性粘性土蠕变的微观力学模型， 并取得了较好的拟合效果，但模型参数确实定还是一个问题，有待进 一步的研究。4.3 固体力学的研究方法4.3.1 基于损伤理论的构造性本构模型1988 年，珠江、章为民最早提出了土体的损伤理论，他们首先定 义了一种理想原状土可认为是天然沉积土和一种理想的完全损伤 土可认为是重塑土。而现实的土体的变形和破坏可视为原状土到 损伤土的演变过程。至 199

15、3 年以来，珠江等基于损伤理论并针对构 造性粘土提出了复合体模型及堆砌体模型，其中复合体模型包括弹塑 性损伤模型、非线性弹性损伤模型和弹粘塑损伤模型。1堆砌体模型其原理是，首先假定总的应变增量由两局部组，一局部由有效应力增加而引起，可以用已有的弹塑性模型计算，另一局部是由于颗粒 破损的结果，即： 式中，为弹塑性柔度矩阵，为损伤柔度矩阵，I为单位矢量。2损伤理论的缺陷 损伤理论只能表示材料的损伤，难以模拟有些材料在受力后，强 度增长的现象，如在压缩试验过程中，对于软粘土或松砂的强度将得 到了强化。还有它难于模拟有些材料在先前受到扰动而软化后，继而 又发生强度的增长的现象。针对以上缺陷， C.S.

16、Desa 提出了扰动状态 概念，可以较好的解决上述的缺陷，并已利用它建立了相关的土构造 性本构模型。4.3.2 基于扰动状态概念的构造性本构模型扰动状态概念D ishzed State Con cep缩写为DSC的思想，首 先由美国著名学者 C.S.Desai 于 1974 年提出，是一种针对材料的受 力扰动而开展起来的本构模拟方法。它不但可以模拟材料的损伤还可 以模拟材料的强化，从而弥补了损伤理论的缺陷。 1992 年， Desai 首先把扰动状态概念用来建立材料的本构模型，并相继有些国外学者 把其应用到无粘性土、砂土、粘性土、不同土体的界面等，得到了较 好的效果，这些本构模型均是基于Des

17、ai的扰动状态概念的根本方程 建立的，其士曾量本构方程形式为： 式中，、分别为实际、相对完整状态和完全调整状态下的应变；、分 别为相对完整状态和完全调整状态下的柔度矩阵；、分别为相对完整 状态和完全调整状态下的应力；D为扰动函数。另外M. D. L iu和J .P .Carte采用扰动状态概念的思想，采用不 同的扰动函数表达形式，建立了构造性土的压缩模型。虽然扰动状态概念是很好的理论，具有很多优点，但在用其建立 的本构模型中，同损伤理论一样，难以克制参数较多这个缺点，使其 在实际应用中受到一定的限制。4.3.3 固体力学研究中存在的问题 通过上述分析说明，虽然固体力学的理论应用到土体中，具有概

18、念清 楚，原理上较易理解等一些优点，但从以上所建的这些模型中可以看 出，建立的土的构造性模型一般都较为复杂，且参数较多，对计算的 要求较高，并且参数需通过大量的试验获得，在实际应用中会受到一 定的限制。5 结语自 Roscoe 发表第一个全面考虑土的压硬性和剪缩的著名剑桥模型以 来，土的本构模型研究有了长足的进展。而土的构造性本构模型经过 十几年的开展，也有了上述诸多的本构模型。从中可以发现上述各种 本构模型大局部是基于剑桥模型建立的，由此可见其在土本构模型中 的地位。同时在建立土的构造性本构模型中，许多理论都得到了应用， 这是否说明了土力学的理论与其他理论相结合是今后土本构模型开 展的一个方

19、向。上述中的许多土构造性本构模型在实际中也得了应用，取得了较好的 效果，但似乎离真正实际应用还有一定距离。一个模型能否得到应用 推广，笔者认为关键在于模型的合理性、模型对象的适用性以及模型 参数的求取的简易性。只有这样，才能有利于在工程实际中得到应用， 从而能更好的为实际工程的计算与设计效劳。参考文献：1 王国欣，肖树芳土构造性本构模型研究现状综述J工程地质学 报,2006.2 龚晓南,熊传祥,项可祥.粘土构造性对其力学性质的影响及形成原因分析J 水利学报,20003 珠江，土体构造性的数学模型-21世纪土力学的核心问题J岩土 工程学报,1996.4 定义,齐吉琳土构造性及其定量化参数研究的新

20、途径J岩土工 程学报,1999.5 苗天德，忠玉，任九生湿陷性黄土的变形机理与本构关系Jl岩土 工程学报,1999.工常明，肖树芳,夏玉斌海积软土固结变形的构造性模型研究J. 科技人学学报,1999.7 饶为国，成刚，工哲一个可考虑构造性影响的土体本构模型J固体力学学报,2002.8 珠江构造性粘土的堆砌体模型J岩土力学,2000.9 珠江构造性粘土的弹塑性损伤模型J岩土工程学报.1993.10 珠江.构造性粘土的非线性损伤力学模型 J .水利水运科学研 究,1993.11 何开胜，珠江构造性粘土的弹粘塑损伤模型J水利水运工程学 报,2002.12 定义,齐吉琳，振中考虑土构造性的本构关系J.

21、土术工程学 报,2000.13 雷华阳构造性海积软土的弹塑性研究J岩土力学,2002.14 攀峰，明,振刚,祁生文非饱和土土力学工程应用方法J程地质 学报,2005.15 马德翠,单红仙,周其健.黄河三角洲粉质土的动模量和阻尼比试 验研究J工程地质学报,2005.16 齐吉琳，定义，石玉成土构造性的研究方法及现状J西北地震 学报,2001.17 庞小朝，国楠，湘生考虑土构造性损伤的小应变模型J西北地 震学报,2021.18 汪中卫，土海飘,戚科骏，等土体小应变试验研究综述与评价J. 岩土力学,2007.19 家柱膨胀土地基变形特性研究D河海大学,200420 汪明武,金菊良,丽.可拓学在膨胀土

22、胀缩等级评判中的应用 J. 岩土工程学报,2003.21 汪谷香膨胀土路基水损害作用机理及防治措施研究D中南大 学,2006.22 袁俊平，殷宗泽膨胀土裂隙的量化指标与强度性质研究J水利 学报,2004.23 卢再华.非饱和膨胀土的弹塑性损伤本构模型及其在土坡多场藕 合分析中的应用D 后勤工程学院,2001.24 卢再华，正汉原状膨胀土的强度变形特性及其本构模型研究J 岩土力学,2001.25 耿建彬膨胀土地区地裂的形成发育及其危害防治J岩土工程 技术,1998.26 施斌，洪涛粘性土的微观构造分析技术研究J岩石力学与工 程学报,2001.27 世军重塑膨胀土宏细观构造演化CT三轴试验研究D西南大 学， 2021.28 汪时机,世军,正.造孔损伤重塑膨胀土三轴剪切试验研究 .西南 大学学报自然科学版,2021.29 汪时机,正汉,贤,贞,袁军.土体孔洞损伤构造演化及其力学特性 的CT三轴试验研究J农业工程学报,2021