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)及漫長時間中的地質(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寬比：L/W＝1.64，定向作用造成土的各向異性圖顆粒長寬比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)電荷不對稱－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－陽離子－水偶極子3）滲透吸力：由于土表面吸附陽離子－陽離子濃度增加－對水吸力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＋陽離子－擴(kuò)散層＝雙電層，其中水為結(jié)合水滲透吸力陽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)性對其力學(xué)性質(zhì)的影響土的壓縮試驗：原狀土重塑土應(yīng)力的門檻值圖原狀土與重塑土的土的壓縮試驗曲線圖制樣方法對土的性質(zhì)的影響長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號平移60m；1－5號沉降1.0m.圖：長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土的不排水試驗。首先將原狀不擾動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)行不排水試驗直到破壞。然后拆開三軸壓力室，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)變曲線和孔壓關(guān)系見圖，這種試驗分別進(jìn)行了兩組。圖舊金山海濱淤泥土的原狀土與擾動土的不排水三軸試驗圖有效應(yīng)力路徑孔隙水壓力的發(fā)展圖

可見兩種土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系相差極大。對兩組試樣，由不排水強(qiáng)度計算的敏感度分別為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題時提出的，他引入了連續(xù)性因子和有效應(yīng)力的概念來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。近年來也被廣泛應(yīng)用于土力學(xué)中。2.

對于連續(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）截面上實際受力面積為Aef，因為斷裂而產(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：則建立了一個最簡潔的損傷模型4.

損傷模型的建立1)選擇或確定一個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時表示材料無損傷或初始狀態(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）變形過程中土體可認(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稱為損傷比。則實際土體力學(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）沒有了強(qiáng)度，如某些損傷模型所假設(shè)；2）無抗剪強(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）例如對于一般原狀土，主要是由于顆粒間移動造成膠結(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)度包線隨圍壓增加而下降。（3）對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，其損傷主要是時間的函數(shù)。（5）多種動因及來源于土的多種微觀結(jié)構(gòu)的變更。凍土度強(qiáng)度包線圖損傷模型的建立1）選擇或