高等土力学(李广信)2.8-土的结构性及损伤模型

2.8土的结构性及损伤模型2.8.1

概述2.8.2

粗粒土的结构性2.8.3

粘性土的颗粒与水的相互作用－双电层2.8.4

粘土颗粒间的作用力及粘土的结构性2.8.5

土的结构性对其力学性质的影响2.8.6

损伤理论及其在岩土材料中应用2.8.7

沈珠江的结构性的粘土的弹塑性损伤模型2.8.1

概述1.组构（fabric)：颗粒、粒组和孔隙的几何排列方式2.结构（structure):由于土的组成成分、空间排列、和粒间的作用力表现出的综合特性3.结构性：由于土的结构造成的力学特性（强度、渗透性、变形）4.结构性强弱：结构对于土的力学性质影响的猛烈程度原状土：风化、搬运、沉积、固结及漫长时间中的地质作用，与四周环境的相互作用－较强的结构性。重塑土：结构性比较弱。土力学的基本原理－主要建立在重塑土的室内试验基础上。3.土的结构性2.8.2粗粒土的结构性

主要由于颗粒间的排列：咬合、定向、胶结—密度、渗透性、强度、压缩性、各向异性。立方体:

e=0.91三角形＋正方形：e=0.65金字塔e=0.34四面体：e=0.34四面体＋楔形：e=0.43匀整的圆球组成的“土”的几种颗粒排列可能出现各向异性图土的几种颗粒排列颗粒长宽比：L/W＝1.64，定向作用造成土的各向异性图颗粒长宽比2.8.3

粘性土的颗粒与水的相互作用－双电层

1.水分子的结构2.粘土矿物成分及表面电荷3.

粘土颗粒与水的相互作用－双电层1.水分子的结构由于正负电荷不对称－偶极子图水的分子结构2.粘土矿物成分及表面电荷D<5m(0.005mm)粘土矿物：高岭石、伊利石、蒙特石硅氧四面体，铝氢氧八面体硅氧四面体，铝氢氧八面体图黏土矿物体晶1）由于结构连续性受到破坏，使粘土表面带净负电荷（边角带正电荷）2）四面体中的硅、八面体中的铝被低价离子置换3）存在于碱性溶液中，土表面的氢氧基离解变成氢，带正电荷粘土矿物表面带负电荷：3.

粘土颗粒与水的相互作用－双电层1）土表面的氢键：吸附水偶极子2）表面负电－阳离子－水偶极子3）渗透吸力：由于土表面吸附阳离子－阳离子浓度增加－对水吸力4）水表面负电荷吸引水偶极子5）范德华力：分子力双电层：水偶极子＋阳离子－扩散层＝双电层，其中水为结合水渗透吸力阳离子的吸附水偶极子图黏土颗粒表面的双电层2.8.4

粘土颗粒间的作用力及粘土的结构性1.静电力（库仑力）：面－角相吸2.范德华力（分子键）偶极子及诱发的偶极子间吸引。s<1m,衰减快3.通过离子作用力4.结晶与胶结（化学键）5.渗透斥力：两粘土颗粒间水离子浓度高，渗压（高）于自由水，使颗粒排斥图黏土的几种结构形式单片絮凝单片分散片组絮凝片组分散图：黏土的各种絮凝合构2.8.5土的结构性对其力学性质的影响土的压缩试验：原状土重塑土应力的门槛值图原状土与重塑土的土的压缩试验曲线图制样方法对土的性质的影响长江口深水航道二期整治工程N40－41

标段，1620m钢筋混凝土半圆形沉箱导堤。内填纱，下部抛石整平。地基为薄粉细砂下的淤泥土，由于在波浪荷载下土的结构破坏，2002年12月5－7日大风浪，14号平移60m；1－5号沉降1.0m.图：长江口深水航道二期整治工程旧金山海滨淤泥土的原状土与扰动土的不排水试验。首先将原状不扰动土样从地层中取出放在三轴压力室中，施加围压（不固结）以平衡原位应力。然后进行不排水试验直到破坏。然后拆开三轴压力室，取出试样，在橡皮膜中就地进行重塑，再重装压力室。仍旧施加围压（不固结），再加轴向荷载，得到的应力应变曲线和孔压关系见图，这种试验分别进行了两组。图旧金山海滨淤泥土的原状土与扰动土的不排水三轴试验图有效应力路径孔隙水压力的发展图

可见两种土的应力应变关系相差极大。对两组试样，由不排水强度计算的敏感度分别为4.5和3.1。这种差别主要是由于二者的有效应力不同。由于扰动土的结构破坏，使试样内超静孔压大大增加，有效应力降低。2.8.6

损伤理论及其在岩土材料中应用1.概述：连续损伤力学是由卡克诺夫（Kachnov）1958年在探讨一维蠕变断裂问题时提出的，他引入了连续性因子和有效应力的概念来表示材料损伤后的应力应变关系。以后损伤力学（damagemechanics）被推广应用来模拟金属的疲惫，蠕变及延展塑性变形的损伤，也被用于岩石和砼等脆性材料。近年来也被广泛应用于土力学中。2.

对于连续性材料，单轴拉伸试样受到拉力P作用，其表现（总）截面积为A，由于产生损伤（断裂）截面上实际受力面积为Aef，因为断裂而产生的孔隙面积为AD，则:损伤因子（损伤变量）连续因子假如：ADP图材料的损伤3.一维弹性损伤的应力应变关系假如确定了：则建立了一个最简洁的损伤模型4.

损伤模型的建立1)选择或确定一个或一组合适的损伤变量D。2)确定有效应力与损伤变量间关系，即考虑损伤变量的本构关系。3)确定损伤变量的函数表达式D=F（）

D=0时表示材料无损伤或初始状态；D=1.0表示材料达到完全损伤状态。(a)初始材料的弹塑性应力应变关系(b)完全损伤材料应力应变关系(c)部分损伤材料应力应变关系图弹塑性材料的损伤变形特性分析5.胶结杆物理模型图胶结杆模型图由胶结杆组成的各类损伤模型6.土的损伤模型－原理1)与塑性应变一样，损伤及其引起的应变也是不行复原的，可以在不行逆热力学理论框架内建立损伤本构模型；2)将原状土在初始状态作为一种初始无损伤材料；3)将完全破坏（重塑）的土体作为损伤后的材料(强度与刚度不确定为0）；4)在加载（或其他扰动）变形过程中土体可认为是原状土与损伤土两种材料的复合体；5)把损伤土部分所占的比例w称为损伤比。则实际土体力学特性可表示为二者的加权平均值。其中S为土的某一种力学指标Ai,iAd,d图

单向压缩下土的损伤增量形式：应力应变关系：假如w是应变的函数:【D】d

损伤模量矩阵7.土的损伤模型－探讨土的损伤后的性状：1）没有了强度，如某些损伤模型所假设；2）无抗剪强度，但可承受静水压力，如受限制的液体；3）达到临界状态，在确定p，q作用下，表现确定抗剪强度，处于临界状态，发生剪变，但不再发生体应变，如一般岩土材料。（1）例如对于一般原状土，主要是由于颗粒间移动造成胶结与原组织的破坏，损伤表现为塑性应变的函数。（2）而对于冻土，则温度、压力均可引起结冻土的融解，宏观上表现出损伤性质。例如围压大到确定水平，冻土的强度包线随围压增加而下降。（3）对于湿陷性黄土则损伤主要是由土中含水量增加引起的。（4）另外反复加载引起的疲惫、蠕变、腐蚀，其损伤主要是时间的函数。（5）多种动因及来源于土的多种微观结构的变更。冻土度强度包线图损伤模型的建立1）选择或