花岗岩残积土粒间联结作用与脆弹塑性胶结损伤模型的研究

1、花岗岩残积土粒间联结作用与脆弹塑性胶结损伤模型的研究 中山大学 博士学位论文 花岗岩残积土粒间联结作用与脆弹塑性胶结损伤模型研究 姓名：颜波 申请学位级别：博士 专业：工程力学 指导教师：汤连生 20091203 中山大学博士学位论文 花岗岩残积土粒间联结作用与脆弹塑性胶结损伤模型研究 专业：工程力学 博士生：颜波 指导教师：汤连生教授 摘 要 花岗岩风化残积土是我国华南地区常见的岩土工程对象，具有特殊的工程力学性 质，是典型的结构性土体。 土是准连续、半离散的多相介质，土体在外力作用下的力学特征，实际是土颗粒联 结在外力作用下的宏观效应。土颗粒间联结作用的力学效应是土体结构性强度产生的原 因

2、并区别于重塑土的重要特征，考虑土体结构性本构模型的研究是当前土力学突破传统 重塑土性质的重要任务和发展方向。基于上述思想，论文首先从土体结构性的基本概念 出发，指出了当前研究存在的问题，其次，立足于土体结构联结的力学效应，丌展试验 并结合理论分析，从土体粒问联结作用角度研究了花岗岩残积土某些土工程力学性质机 理，最后，建立了考虑脆弹塑性胶结的损伤方程。 本文的研究为花岗岩残积土地区的工程力学问题提供了理论基础，为进一步深入研 究土体结构性及模型研究具有重要的理论和实际意义。论文的主要工作和成果有： 1、考虑土组织多相组分的物质特性，指出当前土体结构性研究忽略了土中水组分 的存在并忽视了结构联结

3、的重要性，成为当前土体结构性研究的主要问题。论文明确提 出将水组分纳入土体结构性，建议按尺寸效应与产生机理将土中颗粒联结作用分为非接 触联结、吸力联结和接触联结三种类型。土体结构联结系统，完善了土体结构性的概念， 保证了土体结构体系的完整性和系统性。 2、在上述分类框架下，论文深入探讨了上述各种联结作用性质及力学效应及各种联 结作用对花岗岩残积土宏观力学性质的影响。在非接触联结方面，推导了花岗岩残积土 中游离氧化铁与粘土矿物的氢键联结强度计算式；在吸力联结方面，阐述了湿吸力的概 念和涵义，分析了花岗岩残积土吸力强度特征；在接触联结方面，研究了接触联结的联 缗眭质及不同的破坏模式准则及花岗岩残积

4、土易扰动的结构脆性机理。 3、通过试验测定得到了某花岗岩残积土的水土特征曲线，研究了花岗岩残积土基质 花岗岩残积k粒问联结作用与脆弹塑性胶结损伤模型研究 吸力与土体结构性的关系，开展了花岗岩残积土崩解试验，从吸力联结作用角度研究了 花岗岩残积土的崩解破坏机理，得到了土颗粒理想六方堆积“水包气状态残积土崩解 的体积含水增量公式。 4、采用损伤力学理论，在广义塑性力学框架下推导了胶结损伤模型的应力应变关 系式，根据屈服面为硬化参量的等值面理论，仿照广义塑性理论的体积屈服面和剪切屈 服面的函数形式，构建了球应力和偏应力的损伤函数模式。同时，考虑花岗岩残积土脆 性破坏特点，利用堆砌体模型思想，采用孔隙

5、比与结构脆性参数构建损伤过程函数，建 立了考虑脆弹塑性胶结损伤的结构性模型，并通过试验计算验证，表明所建模型能反映 花岗岩残积土的应力应变曲线关系。 5、采用flac3d差分有限元程序，编制了土体三轴试验的数值模拟程序，利用模 型的模拟试验，研究了土体在不同胶结度、不同胶结强度及不同围压下的胶结损伤破坏 及胶结作用对土体剪切带发展和形成的影响。 论文的主要创新点有： 1 论文比较明确地将液相引入到土体结构性的描述，探讨了土颗粒间的联结作用， 提出建议了土体结构联结概念系统。 2 论文强调结构联结的重要性，从粒间联结作用角度研究分析了花岗岩残积土的 崩解性及易扰动性的性质机理，提出了结构脆性的新

6、概念，并考虑花岗岩残积土脆性破 坏的特点，采用堆砌体模型，建立了考虑脆弹塑性胶结的损伤方程。 关键词：花岗岩残积土；粒间；联结；吸力；结构脆性；胶结作用；损伤模型 ii 中山大学博士学位论文 the researchonthesoilparticlejointfunctionand cement modelof granitesoil damage decomposed mechanics major：engineering name：yanbo liansheng supervisor：proftang abstract has mechanics granitesoil，which dec

7、omposed specialengineering properties，is and insouthchinaasthematerialin constructionthevectorof hackneyed engineering the constitutivesoilaswell geotechnicalengineering，istypical the is and deformationand soil medium,the quasicontinuo，semidiscretemultiphase characteristicsofsoil areshownundertheext

8、ernal mass，which force，are strength actually themacroeffectofsoil undertheexternalforcetllefunctionsmechanics particlejoint joint effectisthereasonwhichthesoilmass italsothe characteristicthat structure，andimportant distinguishes fromthe thesoilstructure researchwhich thetradition remodelingsoil，con

9、sidering property breakthrough natureof soilisthe taskandthe directionofthecurrentsoftmechanics remodelingimportant development basedontheideas firstembarksfromthebasic ofsoil above，thepaper concept the onthesoil out currentresearchexistence mechanics structuringjoint effect， question，next，bases uni

10、fiesthe andtheoretical studiedthe mechanicsmechanismof experiments analysis，has engineering fromthenew ofsoil soil the granite then，establish decomposed angle particlejoint，and cementationmodel brittle-elasto-plasticdamage thisresearch theoreticalfoundationfor the of solving engineering provides pro

11、blem soil hasthe the mechanicsin areas，alsoimportantand practical decomposedgranite theory forfurtherresearchsoilstructure andthemodel is significance deep property study强efollowing in mainworkandachievementthis paper： the ofsoil thematerial outthe texture 1considering heterogeneitycomponent charact

12、eristic，pointing soilstructurehas thesoilwater existenceandhas thestructure neglected component negl【ected joint that thewater inthesoilstructure importance，thepaperproposesexplicitlyintegrating component tosizeeffectandmechanismof this soil is according production，inpaper,theparticlejoint iil 花岗岩残积

13、上粒问联结作j ij与脆弹塑性胶结损伤模型研究 dividedintothree andcontact soil body types：noncontactjoint，suctionjoint jointthe structure thesoilmassstructure structure hasconsummatedthesoil system concept，andguaranteed joint andthe integritysystematic 2undertheframeworkoftheclassificationnatureofthesethree of above，the

14、types andthe onthe mechanicsof soilis decomposedgranite joint impact macroscopicproperty the of studied the ofnon-contact calculationformulas respectivelyinaspect joint，establish of betweenfreekonoxideand mineralsin strengthhydrogenbond clay decomposed joint the ofsuction and ofabsorbedsuctionis soi

15、l；in conceptmeaning granite aspect joint，the theshear characteristicbasisofsuction the of formula；in described，andanalyzes strength aspect contact ofcontactanddifferentcriterionis the joint，theproperty joint pattern studied，and of for soilisstudied structuralbrittlenessmechanismdisturbance easy deco

16、mposedgranite 3thewatersoilcharacteristiccurveof soilisobtained typicaldecomposedgranite and tests，the betweensuctionstructural of granite through relationship propertydecomposed soilis the testof soiliscarried the studied，and out，from disintegrationdecomposedgranite viewof destructionmechanismof so

17、ilis suction，thedisintegration decomposedgranite water on incrementalformulaofvolumecontentof studied，and disintegrationdecomposed soilinconditionofidealsix stackand confinedinwaterisestablished granite hexagonalgas on mechanics modelisestablishedunder 4based theory,cementationdamage damage theframe

18、workof astressstrain isderived mechanics，and generalizedplastic equation totheiso-surfacethatthe surfaceisconsideredas according theory yield hardening thesize surfaceandshear surface in formof function parameter,the yield yield generalized and isreferencedtoconstructthe functionmodelof stress plast

19、icitytheory damage spherical brittlefailureof soilis deviatoricstress considered，the meanwhile，the decomposedgranite modelis thelawofvoidratioandstructuralbrittleness in masonry adopted，and parameter structuredsoilisusedtoconstruct functionthe cementation damage brittle-elastoplastic ofthe couldrefl

20、ectthe modelis calculationmodel，it establishedthough damage checking straincharacteristicsof soil decomposedgranite 5numericalsimulationis withfinitedifference programcompiled to thenumericalsimulationoftriaxialteston soilbasedon implement decomposedgranite simulationtestofthe cementationfailureofso

21、ilunderdifferent model,the damage cementation cementationandvaried is grade，differentstrength confiningpressureapproached， and andthe ofcementationontheformationevolutionoftheshearzoneisstudied impact in areas themaininnovativethis follows： points paper 1 thewaterinsoilis to inthe ofsoilstructural p

22、roposedbring category joint，has iv 中山大学博士学位论文 soil thesoilstructure discussedthe function，andsuggested jointconceptsystem particlejoint structure the of nature importance，from joint，the 2 paperemphasis joint perspective andmechanismof andstructuraldisturbancefor soilis disintegration decomposedgrani

23、te the brittlefailureof soil structurebrialenew studiedproposed concept，the decomposedgranite is the establishthe cementation considered，adoptmasonrymodel，and brittle-elastoplastic damage equation granitesoil structural soil： particle：joint；suction： keywords：decomposed model brittleness；cementaction

24、；damage thisworkwas doctor researchfundofeducation supportedbyuniversitydisciplinespecial ministry grantno20070558032，2008-2010 v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：葫如 | 日期：勘d拜，

25、2月夕日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的 电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内 容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存 学位论文。保密的学位论文在解密后使用本规定。 学位论文作者虢亏乏坡 导师签名： 日期：湘口声，二月夕日 日期：一步，月7日 中山大学博士学位论文 第一章帚一早 三百下匕绪论 土是第四纪以来，由岩石在风化作用下形成的大小悬殊的颗粒，经过不同的搬运方 式，或者不搬运，在各类自

26、然环境中形成的沉 堆 积物质，土是由矿物颗粒、空气和 水组成的多相物质【。 土是自然界人类工程活动最为普遍的对象和载体。经历近一个世纪的研究和发展【2 51，土力学从最初的“粘性、“弹性”和“渗透性”的三个基本性质，到对土体粘弹 塑性及流变性的认识；从古典的理想弹性体和刚塑性体模型，到不局限于固体力学的广 义塑性力学；从微观结构概念的提出到对土体各向异性、应变软化等问题的重新认识； 土力学已从最初的简单形式发展成为一个理论视角丰富而有生命力的学科。 但作为大自然产物的土，其性质的确复杂【2】，其难于总结和统一的性质及各种工程 实际问题始终挑战着人们现有的土力学理论。因此有人将土体认为是一种结构

27、性体【6】， 认为构成土体结构共同特征的各项结构要素也绝非孤立的、确定性的，立足于土体微观 结构演化机制来探索土力学模型是土力学发展的发向i酬，这既是渐进破坏理论的优势， 也再次强调从土体自身结构和微细观的视角探索土力学具有重要意义。 由于土体是自然环境下形成的产物，因此，不同地域、不同环境下生成的土体又具 有其各自特有的工程力学性质，这又加大了土力学问题的复杂性。就我国来说，东南地 带的红土及沿海地区的软土，西北地区的黄土及中部、西南地区的膨胀土等特殊土体都 引起了人们持续的研究热情并取得了大量的成果。纵观二十余年人们对这些特殊土的研 究成果，其研究基本都立足于结构性的视角或采用非饱和土力学

28、理论的研究方法，可以 说结构性理论和非饱和土力学理论是当前探索特殊土体力学的基本理论。 花岗岩残积土是我国又一大分布面积广，并且在世界范围内热带和亚热带地区都广 泛分布，具有特殊工程力学性质的特殊土类。 在我国东南、华南地区出露有大面积的花岗岩覆盖层残积土，以广东为例，花岗岩 分布面积占全省陆地面积40左右，出露的规模变化大【_71，因此，花岗岩残积土是华南 地区常见的工程建设材料或岩土工程载体，是该地区公路、建筑地基、自然边坡的组成 物质。 花岗岩残积土是花岗岩母岩在温暖潮湿的环境下经过系列的物理化学风化作用 形成的覆盖于母岩之上的残积土体【8】，具有特殊的工程力学性质。同时，由于花岗岩多

29、具有丘陵、残丘等坡地地貌，花岗岩残积土往往又具有分布面积广、覆盖厚度大且厚度 变化大、受母岩性质影响变化较大等工程地质特点。近年来，在工程建设中，由于花岗 花岗岩残积土粒问联结作用与脆弹塑性胶结损伤模型研究 岩残积土工程力学特性引发的工程问题和事故不断有报道，因此花岗岩残积土也逐渐成 为岩土工程领域的一个研究课题，对其的研究具有重要的理论和实践意义。 土体是准连续，半离散多相介质，工程土体在宏观上所表现出来的非连续、不均匀、 各向异性和非确定性等复杂性特征，从根本上取决于土体微观结构的非连续性和非确定 性【61。在古典土力学的理论框架下，土颗粒常抽象为高强度的刚性颗粒体，常规压力下， 自身不易

30、变形破坏【91，土体在外力作用下表现的变形和强度效应，实际是土颗粒间的联 结在外力作用下的宏观效应，而显然，土颗粒间的联结作用又决定并影响了土体的宏观 力学性质。这一观点至今仍是很多土力学理论的前提。 考虑土体结构性的本构模型研究是当f； 土力学突破传统重塑土性质和模型的重要 任务和发展方向，土颗粒间的联结作用和状态是土体具有结构性力学特征的根本原因。 土体内部的粒间联结作用和性质是不一样的，土体内部的颗粒联结既有微观层次的场力 作用，也有细观层次的孔隙水、胶结物的联结作用，不同的联结作用其力学效应不同， 对土体的宏观力学性质的影响也就不同，因此对土体粒间联结的研究或抽象也不能一概 而论。就联

31、结作用本身来讲，联结强度也有“强、“弱”的不均匀性，损伤理论认为， 土体内联结“薄弱处是土体内部的缺陷和损伤，成为土体在外力作用下土体力学性质 变异的起点，反映渐进破坏的损伤力学理论描述了材料内部的缺陷与损伤，因此损伤力 学理论也成为构建土体结构性本构模型的一种方法。 本论文的研究对象即为花岗岩直接风化形成未经搬运残积覆盖在母岩表面的残积 土。基于上述观点，论文充分考虑土体多相组分的结构特性，采用土体结构性的研究思 路，强调土体颗粒间联结作用对土体宏观力学性质的影响，重新考量土中颗粒的联结作 用与性质。论文从花岗岩残积土的粒问联结作用入手分析，根据其性质机理，将粒间联 结作用分为非接触联结、吸

32、力联结与接触联结三类，分别探讨和论述了三种联结作用的 性质和力学效应。从土体粒问联结这一新的角度，研究土中粒间联结作用与花岗岩残积 土工程力学特性的关系；开展室内吸力试验，研究花岗岩残积土基质吸力与土体结构性 的关系，从吸力联结角度研究花岗岩残积土崩解破坏机理；根据力学试验，从粒问胶结 角度研究花岗岩残积土力学性质特征和土体破坏的微细观机理，考虑花岗岩残积土具有 结构脆性、易扰动破坏的特点，建立了适用于花岗岩残积土的脆弹塑性胶结损伤模型。 论文从土颗粒联结作用角度出发，审视和解释了花岗岩残积土的某些特殊的工程力 学性质，提供一定的理论基础，并为进一步深入研究土体结构性及模型研究具有重要的 理论

33、和实际意义。 11花岗岩残积土性质概述 111花岗岩残积土基本力学性质 2 中山大学博十学位论文 花岗岩残积土是花岗岩母岩直接风化而未经搬运形成的一类土体，花岗岩残积土的 性质与花岗岩母岩及风化程度有关。花岗岩的主要矿物成分包括有长石 含量 粒结构，质地坚硬，性质均一110j。由于长石节理花岗岩多具有三组原生节理，且由于石 英和长石的膨胀系数相差近一倍，所以花岗岩体表面容易产生裂刚101，成为物理风化和 化学风化的缺入口。 在温暖潮湿气候下，花岗岩母岩化学风化作用强烈。石英是稳定矿物，一般只产生 机械破碎，斜长石最先容易风化，经水解或碳酸化作用，ca2+，na+及部分sp移走生 成次生粘土矿物

34、，随后长石以同样方式移走k+及部分si4+而形成粘上矿物，云母经水解 及溶解也可形成以高岭石为主的粘土矿物【11l。 氧化硅从铝硅酸盐矿物 如长石，云母 中的析出，水解和水化作用导致了介质向 酸性方向发展，逐渐向粘土矿物转化，并生成粘土矿物高岭石和埃洛石【12】。因此，母岩 风化程度愈强，残积土中高岭石含量愈高。 从物化特性看，花岗岩残积土的ph值较低 属酸性 ，因为经过长期而强烈的物 理化学风化，残积土中可溶盐和有机质含量都很少，但游离氧化物含量较多【12j，见表 11。这说明残积土经过强烈淋滤作用，是含较多胶结物而活动性较低土体。花岗岩残 积土的力学性质主要由土体的风化程度、含水量、干密度

35、及细颗粒含量决定【”以61。 表1-1花岗岩残积十部分物化特性指标【12l 484 024 oo8 o03 0o2 013 2 517 270 604 o30 009 002 0o1 o12 5 327 338 江福广 西建尔 539 024 007 o02 o02 o11 6抖砣 359 455 殳n 垢所斟 从花岗岩残积土的矿物组分和结构性来看，花岗岩残积土中石英矿物比较富集，是 粗颗粒，成为骨架颗粒，粗颗粒之间的孔隙较大，而次生的粘土矿物颗粒相对石英来讲， 粒径极小，游离氧化铁包裹并充填其中，使得次生矿物形成稳定牢固的团聚结构体，这 种团聚结构也使得土体孔隙具有小而多的特征【17】。花岗

36、岩残积土中的土颗粒具有砂 粉 粒和粘粒组成的“混粒性”结构，土体中颗粒间的孔隙也因此具有大小不等的“两极性” 特征ir71。石英等大颗粒矿物间的孔隙为最大一级孔隙，石英与团粒矿物间的孔隙为中等 孔隙，而粘土矿物间的孔隙为小、微孔隙。王清等【18】采用压汞法研究残积土的孔隙特征， 根据不同压力及所对应的进汞量可了解不同孔隙大小喉道半径所占体积的比例关系，结 果表明，南方花岗岩风化土风化强烈，中值孔隙 1-04mm 较少，约占20，以小、 微孔隙 0缸m 为主，约占80118l。据资料收集，花岗岩残积土的常规物理力学性 质指标可见表12。 3 花岗岩残积一卜粒间联结作hj与脆弹塑性胶结损伤模型研究 表12花岗岩残积十一般物理力学性质指标【161 由上述统计数据表可知，花岗岩残积土天然含水量多为2030之间，孔隙比在 0812之间，某些土样的孔隙总体积甚至超过土颗粒占有体积，孔隙比大于10，这是 由于花岗岩长期的风化过程中，经风化及地下水淋滤、溶蚀等作用，使得土体孔隙比很 大。 土的液、塑限的大小，与粘粒含量、矿物成份有关。一般地，粘粒含量越大，亲水 性的矿物含量越多，土的塑性指数就越大。