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第27卷第1期岩石力学与工程学报Vol.27No.1

2008年1月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringJan.，2008

黏土本构建模理论与试验研究

周葆春

(信阳师范学院建筑工程系，河南信阳464000)

博士学位论文摘要：在进行大量黏土力学性质试验的基础上，将岩土本构关系的数值建模方法拓展到黏性土领域，在弹塑性

理论的框架内，探讨黏土本构建模、本构关系和强度特性问题，主要包括3方面的工作：黏土本构关系的数值建模研究、应

力历史与应力路径对黏土本构关系与强度特性的影响研究以及黏土经典本构模型的参数研究与模型评价。主要研究成果如

下：

(1)将岩土本构关系的数值建模方法拓展到黏性土领域，进行了增p排水剪切、等p排水剪切、常规三轴不排水剪切和

减p排水剪切应力路径下正常固结土的三轴压缩试验，建立了这4种应力路径下黏土的弹塑性本构模型，给出了整个应力场

中的应力–应变关系，通过可视化显示为应力场中的空间应变曲面。特别是建立了减p路径和不排水条件下黏土的弹塑性本

构模型，为土体挖方工程和不排水条件下的相应土体工程提供了符合实际的本构模型。此外，从模型的理论基础、基本框架

和预测结果等方面将数值建模方法与传统方法进行对比，显示出数值建模方法优越于传统建模方法。

(2)对比4种应力路径下正常固结土的变形结果发现，无论在应力范围、应变峰值、应变曲面的形状和体积屈服轨迹的

变化趋势上都存在显著差别，而剪切屈服轨迹相似，这些差别都是由应力路径相关性造成的。同时说明，土体本构关系中应

力路径相关性不可忽视；而数值建模方法是描述土体应力路径相关性的有效方法。对不同应力路径下正常固结土的剪切与体

积屈服轨迹的对比，结果表明应力路径对黏土应变硬化的演变过程有显著影响，同时说明在土体弹塑性本构模型的传统建模

方法中，通过假设屈服面的固定形式来描述土体应力–应变关系是不准确的。

(3)基于塑性体应变与塑性剪应变之间的相互作用原理，通过不同应力路径与应力历史条件下重塑黏土的三轴压缩试验，

探讨了应力历史与应力路径对黏土本构关系的影响机制。为探讨应力路径对黏土有效抗剪强度参数的影响，在确保试样的初

始状态、应力历史、排水条件、加荷速率、试验仪器、破坏取值标准均一致的前提下，进行了不同应力路径下同种重塑黏土

的排水剪切三轴压缩试验，试验结果证实不同应力路径下重塑黏土有效抗剪强度参数有较大差异，并对此进行了定性分析。

(4)针对Duncan的E-μ模型基于轴向应变与侧向应变关系曲线为双曲线假设，而试验曲线常常偏离理想的双曲线关系，

造成的泊松比参数拟合困难，提出利用通过不同应力水平点的直线拟合轴向应变与侧向应变间关系，从而确定泊松比参数的

改进方法。为解决土工试验规程建议的K-G模型未考虑土体剪缩性的问题，建议了一个3模量7参数K-G-D模型，给出了

完整的应力–应变关系式，该模型并未在规程模型的基础上增加试验工作，概念清晰，形式简单，便于实际应用；通过试验

和数值模拟验证了模型的合理性与有效性，并对模型的适用范围进行了探讨。为解决修正剑桥模型应用中正常固结线与临界

状态线拟合出的对数硬化模量不一致问题，基于修正剑桥模型的基本框架，从正常固结线与临界状态线的概念出发，推导出

对数硬化模量与平均正应力之间的关系表达式，从而将两者统一起来，并通过数值模拟体现出该方法的合理性与有效性。

关键词：土力学；本构关系；数值建模方法；相互作用原理；应力路径；应力历史；三轴压缩试验

中图分类号：TU43文献标识码：A文章编号：1000–6915(2008)01–0216–01

THEORETICALANDEXPERIMENTALRESEARCHON

CONSTITUTIVEMODELINGOFCLAYS

ZHOUBaochun

(DepartmentofArchitecturalEngineering，XinyangNormalUniversity，Xinyang，Hen