基于连续孔隙介质土力学理论研究非饱和土的本构关系

基于连续孔隙介质土力学理论、对土体体积变化对土水特征曲线的影响、非饱和土气相压力变化的影响、非饱和土的水力和力学耦合和临界状态、非饱和土本构模型的建立以及多种外界因素对非饱和土基本性质和行为等进行了系统的研究，取得以下成果：1）建立了一个能够模拟孔隙率对土水特征曲线的影响规律的经验模型。2）提出了一个考虑了气相压力变化对土体变形的影响的非饱和土弹塑性本构模型本构模型。3）从宏观和微观角度,发展和建立了一个可预测膨胀性非饱和土的毛细滞回和力学行为耦合的双尺度本构模型。模型考虑了土体微观结构及其水利-力学的耦合作用。4）基于热力学的理论，推导给出了非饱和土到达稳定平衡状态（简称稳态）既临界状态的必要条件。5） 利用复合混合物理论(HMT), 建立了多组分非饱和土体多场耦合的统一理论基础.建立了三相土体在非平衡态和平衡态时的本构关系建模的理论框架, 从而形成闭合的场方程系统. 其中的关键是提出了有效广义热力学力的概念以及近平衡态时系统内部各广义耗散力和广义流之间的非线性耦合的本构关系.6）考虑温度效应的非饱和土土水特征曲线研究基础上，结合利用土水特征曲线预测非饱和土相对渗透系数的方法，建立了一种预测不同温度下非饱和土相对渗透系数的间接方法。7）基于土体非线性多场耦合模型理论框架，建立了一个非等温条件下非饱和土弹塑性本构模型，等等。发表论文14篇,其中3篇SCI、11篇EI。博士论文2篇。 2100433B

为了更加真实和科学的反映非饱和土复杂的性质和现象，本项目将基于连续孔隙介质土力学理论，就经常困扰工程界的非饱和土的以下三方面的问题进行了探讨和研究：1）考虑土体体积变化对土水特征曲线的影响，建立相应的吸力与饱和度的关系。2）合理的考虑水的滞回和含水量循环变化的影响，建立依赖应力路径或水的干-湿路径的屈服应力与吸力和饱和度之间的函数关系以及考虑硬化后加载面的函数表达式，由此给出一种用统一、一致的方法描述的非饱和土等向正常压缩线随吸力而变化的函数关系；然后结合本项目建立的考虑土体体积变化影响的土水特征曲线，建立水力和力学耦合的非饱和土弹塑性数学模型。3）建立考虑气相压力变化影响的非饱和土弹塑性本构模型。这些问题的解决有助于非饱和土力学进一步发展，其研究成果可以为解决非饱和土的工程问题提供一些相应的理论工具。

《非饱和土土力学》由中国建筑工业出版社出版。

对正冻饱和岩土介质的记忆效应和其中孔隙水迁移的正确描述是对其进行热学、力学分析的关键。为了描述正冻饱和岩土介质的记忆效应及其中的孔隙水迁移，本课题基于相场理论和混合物理论，首次建立正冻饱和岩土介质的相场理论。通过引入序参量把正冻饱和岩土介质的骨架和孔隙水处理成两种特殊固体。根据混合物理论，建立骨架及孔隙水的各类守恒方程。利用正冻饱和岩土介质的熵不等式，建立其本构关系。根据所建立的正冻岩土介质的一般相场理论，建立正冻岩土介质的具体相场理论。基于所建立的岩土介质相场理论，建立相应的有限元模型。利用该有限元模型，对正冻岩土介质和其与结构的相互作用进行数值模拟。为验证所建立的相场理论，本课题拟对正冻岩土介质进行相关试验。本课题的研究对相场理论及正冻岩土介质热力学理论的发展，对岩土介质冻胀、冻融的数值模拟及预报，对冻结法施工的设计计算，对水工混凝土的耐久性研究等均具有重要意义。

本课题从理论方面、数值计算方面和试验方面对饱和正冻土及其和桩基础的相互作用进行了系统的研究。在理论方面，本课题根据相场理论，建立了正冻饱和土的两种理论模型，即单相和两相孔隙水模型。单相孔隙水模型的特点是，通过引入序参量把孔隙流体处理成单相介质；两相孔隙水模型的特点是，把孔隙流体处理成固液两相介质，且基于相场理论，通过引入饱和度的梯度项来描述固液相的界面能。此外，本课题还建立了考虑记忆效应的单相物质发生相变时的相场模型，该模型能计及相变过程中和序参量变化相关的应力对应变历史的依赖。在数值模拟方面，我们重点对冻土和桩基础的相互作用进行了数值模拟。为了对冻土和桩基础的相互作用进行数值模拟，我们首先把正冻饱和土处理成层状地基，并建立了求解层状饱和土地基的反射透射矩阵(RTM)方法，利用上述RTM方法可得层状饱和土的基本解，据此可建立冻土中桩基础的Fredholm积分方程，利用上述积分方程对冻胀土及冻融土和桩基础的相互作用进行了数值模拟，对冻胀土所引起的桩基础的冻胀力及冻融土所造成的桩基础的负摩阻力进行了计算。在数值计算方面，我们还对和起始水力坡降固结相关的移动界面问题， Hansbo非达西渗流下的大变形固结问题及考虑非达西渗流和应力历史影响的软土非线性固结问题进行了研究。在试验方面，我们首先研究了冻结过程中的水分迁移现象，即对冻结过程中，饱和度、温度梯度、温度变化率及含盐率，对冻土中水分迁移和水分重分布的影响进行了系统的研究；对冻土冻结过程中分凝冰的形成规律进行了研究，对温度场、水分场和力场等三场耦合条件下分凝冰的形成规律进行了系统的研究；对桩基础和冻土的相互作用进行了试验研究，系统研究了冻结过程中，桩周土体的温度、桩顶的上拔位移及桩侧摩阻力等随时间的变化规律。此外，在本课题中，我们还对在静载和动载联合作用下，饱和软土的排水特性进行了试验研究。 2100433B