結(jié)構(gòu)性粘土的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

1結(jié)構(gòu)性土研究土壤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是指土壤中顆粒和顆粒之間的狀態(tài)、排列形式（或稱為組結(jié)構(gòu)）和顆粒之間的相互作用。必須說，土壤具有一定的結(jié)構(gòu)特征，尤其是天然土壤的結(jié)構(gòu)特征對(duì)土壤特性有很大影響。目前對(duì)于重塑土的研究已可在一定程度上滿足工程的需要，但結(jié)構(gòu)性土的研究在試樣制備、試驗(yàn)方法、土工特性和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的描述等方面都很不成熟。本文主要是針對(duì)結(jié)構(gòu)性粘土的微觀機(jī)理、試樣的制備、土工特性和數(shù)學(xué)模型的研究進(jìn)展進(jìn)行敘述。2土體結(jié)構(gòu)的特征模型土的微結(jié)構(gòu)概念最早由Terzaghi(1925年）使用，W.L.Kubiena(1938年)給微結(jié)構(gòu)以確切的定義，他用組構(gòu)一詞描述土的基質(zhì)和骨架的排列及其相互關(guān)系，R.Brewer(1964年)提出了土結(jié)構(gòu)或構(gòu)造，指出形成復(fù)合顆粒的基本顆粒和復(fù)合顆粒本身以及相應(yīng)的孔隙的大小、形狀和排列所表現(xiàn)的土的物理構(gòu)成。后來人們發(fā)現(xiàn)土粒間存在著多種聯(lián)結(jié)形式，Raymond,Tuncer和Kutay(1975年)認(rèn)為，組構(gòu)為顆粒排列的幾何特征，而結(jié)構(gòu)包括組構(gòu)與相鄰顆粒間的相互連接力。比較公認(rèn)的觀點(diǎn)是，土的結(jié)構(gòu)指土粒本身的形狀、大小和特征，土粒在空間的排列形式、孔隙狀況及粒間接觸和聯(lián)結(jié)特征的總和。胡瑞林認(rèn)為，土的微結(jié)構(gòu)主要包括結(jié)構(gòu)單元體特征、顆粒的排列特征、孔隙性和結(jié)構(gòu)連接。施斌認(rèn)為，土結(jié)構(gòu)的具體內(nèi)容包括了以下三個(gè)方面(1)形態(tài)學(xué)特征，指結(jié)構(gòu)單元體的大小、形狀、表面特征及其定量的比例關(guān)系；(2)幾何學(xué)特征，指各單元體在空間上的排列狀況；(3)能量學(xué)特征，指各單元體間的連接特征。中國在20世紀(jì)80年代初期召開了關(guān)于土和土體結(jié)構(gòu)工程特性學(xué)術(shù)討論會(huì)，高國瑞對(duì)細(xì)粒土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了術(shù)語、概念和分類命名的研究，蔣國澄研究了粘性土的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及某些特殊土的性狀。土體結(jié)構(gòu)性本構(gòu)模型的建立已成為21世紀(jì)土力學(xué)的核心問題，胡瑞林、王思敬等提出了土體微結(jié)構(gòu)力學(xué)的“概念·觀點(diǎn)·核心”，指出了微觀結(jié)構(gòu)力學(xué)體系形成的3個(gè)階段：結(jié)構(gòu)量化階段、結(jié)構(gòu)力學(xué)效應(yīng)分析階段和結(jié)構(gòu)性本構(gòu)模型建立階段。同時(shí)，結(jié)構(gòu)性土樣制備技術(shù)對(duì)研究結(jié)構(gòu)性土也非常關(guān)鍵。2.1材料土土體莫斯科大學(xué)率先研制結(jié)構(gòu)性土樣制備儀器。之后，李生林、吳義祥等相繼開發(fā)了結(jié)構(gòu)性土樣制備裝置(冷凍真空升華干燥儀)，使得土體的結(jié)構(gòu)圖像能較客觀地反映土體的原始結(jié)構(gòu)。此外，蔣明鏡等通過在原料軟土中摻入冰粒和微量水泥，人工設(shè)定化學(xué)膠結(jié)作用和大孔隙組構(gòu)來模擬天然粘土的結(jié)構(gòu)性，謝定義等和胡再強(qiáng)等也采用相似方法人工制備了結(jié)構(gòu)性土。施斌發(fā)展了冷凍刀切干燥技術(shù)。陶秀珍在均質(zhì)粉狀高嶺土中摻入添加劑，制備具有化學(xué)膠結(jié)作用的試樣，模擬海成粘土的化學(xué)膠結(jié)作用。2.2土體微結(jié)構(gòu)的表征這一工作已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，文獻(xiàn)對(duì)此做了詳細(xì)綜述。目前土的微結(jié)構(gòu)形態(tài)量化信息提取的方法如下：直接手段包括(1)壓汞→孔隙的大小和數(shù)量(2)氣體吸附→孔隙大??；間接手段包括(1)X射線衍射→定向性(2)電彌散法→孔隙性(3)磁化率法→定向性(4)滲透性法→各向異性度(5)聲波法→各向異性度(6)偏光顯微光度法→定向性(7)計(jì)算機(jī)圖像分析→可獲得結(jié)構(gòu)圖片上的所有結(jié)構(gòu)信息。近期采用了無損傷探測(cè)土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的CT技術(shù)。施斌應(yīng)用Videolab圖像分析系統(tǒng)，并引進(jìn)了概率熵來反映微觀結(jié)構(gòu)單元體排列有序性，對(duì)粘性土在擊實(shí)過程中形成的5種微觀結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)，同時(shí)應(yīng)用能譜分析技術(shù)分析了石灰對(duì)膨脹性粘土穩(wěn)定性的影響。王清等通過SEM圖像處理技術(shù)，提出了粘性土微結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)單元體形態(tài)、定向性、孔隙特征等結(jié)構(gòu)要素的定量評(píng)價(jià)指標(biāo)。李向全等根據(jù)土體具有的非線性特征，運(yùn)用分形幾何理論提出了粒度分維、顆粒定向分維等7項(xiàng)定量表征土體微結(jié)構(gòu)狀態(tài)的分維指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)固結(jié)過程中軟土微結(jié)構(gòu)要素調(diào)整變化具有明顯的階段性。陳嘉歐對(duì)珠江三角洲粘性土進(jìn)行微結(jié)構(gòu)研究，從粘性土的微結(jié)構(gòu)與工程加固效果的相關(guān)性進(jìn)行了初步探索。施斌等、蒲毅彬等、吳紫汪等、李曉軍等、LiXiaojun等都應(yīng)用了CT技術(shù)對(duì)土體的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)應(yīng)用分形幾何對(duì)土的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了量化，表明可以建立分維數(shù)與土微結(jié)構(gòu)的定量關(guān)系。同樣，文獻(xiàn)對(duì)粒狀材料進(jìn)行了分形研究，可以得到粒狀材料的三維形狀信息。由于組構(gòu)張量(fabrictensors)決定了微觀測(cè)量分布的方向性，所以，研究并測(cè)量組構(gòu)張量非常重要。C.Y.Ku等應(yīng)用自動(dòng)圖像分析系統(tǒng)，對(duì)組構(gòu)張量的空間分布進(jìn)行了研究。A.Anandarajah等基于土不同方向的導(dǎo)電性，間接地測(cè)量了顆粒定向性的變化。A.G.Papadimitriou等考慮微結(jié)構(gòu)的影響，引入了組構(gòu)演化指數(shù)，并把這一指數(shù)引入到存在的本構(gòu)模型，通過模擬對(duì)比，驗(yàn)證了指數(shù)的有效性。為了對(duì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的定量，近年來有的學(xué)者探討了用數(shù)值方法來模擬微結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行定量的分析。A.Anandarajah應(yīng)用基于離散元的集合分析技術(shù)(assemblyanalysistechnique)對(duì)顆粒定向性的各向異性研究表明：宏觀的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系決定于顆粒束與束之間的接觸。J.P.Latham等采用MonteCarloMethod生成了隨機(jī)的顆粒面接觸和空間排列，探討了顆粒形狀等對(duì)孔隙的影響。J.Bohac等應(yīng)用離散元(PFC2D)方法，成功地模擬了顆粒的破碎過程。C.Haynie等數(shù)值模擬了1-D和2-D微結(jié)構(gòu)，然后，應(yīng)用小波變換研究了微結(jié)構(gòu)的尺度效應(yīng)。2.3膠結(jié)土的粘聚力目前，微結(jié)構(gòu)的力學(xué)效應(yīng)研究的不多。雷華陽、肖樹芳研究了海積軟土的微結(jié)構(gòu)參數(shù)與力學(xué)強(qiáng)度的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，在不同固結(jié)壓力作用下孔隙的存在是結(jié)構(gòu)要發(fā)生變形的根本原因、孔隙在固結(jié)前大，在固結(jié)后小。隨壓力增加孔隙平面分布分維數(shù)呈減小趨勢(shì)，壓力增大使孔隙復(fù)雜度變小。她們又從微觀的角度出發(fā)，結(jié)合凈勢(shì)能曲線解釋了固結(jié)曲線上拐點(diǎn)的意義，研究了次固結(jié)系數(shù)的變化規(guī)律。姚海林等利用人工合成的針鐵礦膠結(jié)高嶺土的微觀膠結(jié)機(jī)理和模型，計(jì)算了天然針鐵礦膠結(jié)的貴州紅粘土的粘聚力的理論值，揭示了該天然膠結(jié)土粘聚力的微觀本質(zhì)。李得福等對(duì)某高速路段不同深度的軟土樣品，以電鏡掃描為主要手段，獲得其微觀結(jié)構(gòu)圖像，對(duì)該地區(qū)土體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，同時(shí)分析了土體在固結(jié)過程中的結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料，研究土體固結(jié)機(jī)理與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系。V.I.Osipov等研究了粘性土觸變過程的微結(jié)構(gòu)變化，研究表明：在剪切過程中，微結(jié)構(gòu)的破壞不是由于振動(dòng)引起的，相反，單元體內(nèi)微結(jié)構(gòu)會(huì)變的更均勻，且由于接觸點(diǎn)處的粘聚力的減少，系統(tǒng)的強(qiáng)度會(huì)降低。X.Bai等研究了高嶺土在固結(jié)和剪切過程中的微結(jié)構(gòu)變化，在剪切的早期階段顆粒束(疇)趨向于水平排列，后一階段會(huì)輕微破壞；同樣的試樣，通過光微鏡觀察到，隨著應(yīng)變?cè)黾樱械慕Y(jié)構(gòu)特征變的明顯，有的變的不明顯，也就是說，應(yīng)變對(duì)于微結(jié)構(gòu)變化的影響不相同。D.R.Katti等研究了膨脹土在膨脹過程中的微結(jié)構(gòu)演化規(guī)律，采用SEM技術(shù)進(jìn)行微結(jié)構(gòu)分析，膨脹量的增加和由于膨脹引起的膨脹壓力降低的同時(shí)，顆粒的大小也減少了，這可能歸因于粘土顆粒由大的集粒破碎成小的顆粒，膨脹對(duì)微結(jié)構(gòu)的重要影響對(duì)粘土的變形和水力特性有重要影響。P.Dudoignon等對(duì)高嶺基質(zhì)土在剪切過程中的顆粒排列的宏觀與微觀特性進(jìn)行了測(cè)量，應(yīng)用光微鏡、相關(guān)的圖像分析技術(shù)和SEM表明了顆粒的定向性，并測(cè)量了剪切面與鄰近基質(zhì)的孔隙變化，研究得出在三軸剪切試驗(yàn)中，顆粒的排列機(jī)理與水的排出、粘土滲透性的各向異性和孔徑的彎曲程度有關(guān)。3宏、微觀相結(jié)合的建模思想在我國建立和解文獻(xiàn)指出，定量研究微結(jié)構(gòu)變化的每個(gè)細(xì)節(jié)既不可能，也不必要。只要把變形的微觀機(jī)制搞清楚了，建立宏觀模型時(shí)充分考慮這些機(jī)制，最后結(jié)果自然就符合實(shí)際。這就是我們主張的宏、微觀相結(jié)合的建模思想，由此建立的模型不妨稱之為結(jié)構(gòu)性模型。目前，結(jié)構(gòu)性對(duì)土工特性的影響進(jìn)行了深入的研究，類似的綜述可看文獻(xiàn)。3.1土樣擾動(dòng)和模型優(yōu)化李作勤對(duì)有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的欠壓密土的力學(xué)特性、粘土的壓密狀態(tài)和壓密類型作了大量的工作，根據(jù)天然荷重對(duì)粘土壓密作用的有效性，把欠壓密土分為兩類，即一般壓密土和有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的欠壓密土，分析了欠壓密土的地質(zhì)條件，討論了顆粒間固化聯(lián)結(jié)鍵的成因，指出粘土的“先期固結(jié)壓力”和“結(jié)構(gòu)屈服壓力”具有不同的物理概念，有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的欠壓密土，當(dāng)外荷引起的組合壓力超過其“結(jié)構(gòu)屈服壓力”時(shí)，欠壓密土的力學(xué)性質(zhì)便暴露出來。通過定義穩(wěn)定孔隙比，可以把同一應(yīng)力狀態(tài)下孔隙比大于穩(wěn)定孔隙比的狀態(tài)稱為欠壓縮(密)狀態(tài)，而把孔隙比小于穩(wěn)定孔隙比的狀態(tài)稱為超壓縮(密)狀態(tài)。李濤等根據(jù)土樣擾動(dòng)對(duì)土的e-logp壓縮曲線的影響，提出了一個(gè)能描述受到不同程度擾動(dòng)土的壓縮曲線的數(shù)學(xué)模型，并據(jù)此建立了利用擾動(dòng)和重塑樣壓縮試驗(yàn)的結(jié)果來估算“不擾動(dòng)土”先期固結(jié)壓力pc的方法。王國欣等通過建立數(shù)學(xué)模型消除結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)先期固結(jié)壓力的影響，從重塑土的角度出發(fā)，通過其壓縮及回彈曲線求先期固結(jié)壓力，用作圖法確定結(jié)構(gòu)性土不同孔隙比下存在的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，直觀地表現(xiàn)了結(jié)構(gòu)性土逐漸破損的過程。3.2壓縮性的變化J.B.Burland、沈珠江、張誠厚、龔曉南等、H.Tanaka等和F.Cotecchia等都研究了結(jié)構(gòu)性土的壓縮特性。壓縮曲線的特點(diǎn)大致為：壓縮曲線的初始段很平緩，當(dāng)壓力超過某一值時(shí)出現(xiàn)陡降段，并向重塑土的壓縮曲線靠近，也就是說，在低于屈服應(yīng)力的范圍內(nèi)，土的壓縮性小，在高于屈服應(yīng)力的范圍內(nèi)，土的壓縮性大，最后與重縮土的壓縮曲線相同。J.C.Chai研究結(jié)構(gòu)性粘土發(fā)現(xiàn)，對(duì)于靈敏度(Sensitivity)大于3的結(jié)構(gòu)性粘土，e與p′的關(guān)系用ln(e+ce)-lnp′表達(dá)更接近于線性，把這一關(guān)系代入到彈塑性模型中可以進(jìn)行沉降計(jì)算。呂海波等研究了結(jié)構(gòu)性對(duì)瓊州海峽軟土壓縮特性的影響，討論了土結(jié)構(gòu)性的存在對(duì)工程防波堤地基處理工程效應(yīng)的影響。房后國等研究了天津海積軟土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及其對(duì)力學(xué)特性的影響。3.3服應(yīng)力時(shí)cv值比較沈珠江、張誠厚、龔曉南等研究表明：在壓力低于屈服應(yīng)力時(shí)，Cv值較高且基本為一常數(shù)；當(dāng)接近屈服應(yīng)力時(shí)，Cv值急劇降低，最后趨近于重縮土的Cv值。未擾動(dòng)土的Cv最高值與最低值之間相差幾十倍。3.4天然地基的剪切曲線J.B.Burland、沈珠江、張誠厚、龔曉南等研究表明：由于粘土存在結(jié)構(gòu)性使強(qiáng)度包線呈折線型，與壓縮曲線以σpc為界形成性質(zhì)截然不同的兩段類似，天然土的剪切曲線在圍壓等于σpc前后也有明顯的轉(zhuǎn)折。3.5粘土的結(jié)構(gòu)J.B.Burland、沈珠江、張誠厚、龔曉南等、李作勤等研究表明：對(duì)結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)的粘土，當(dāng)固結(jié)壓力高于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈應(yīng)變硬化型；當(dāng)固結(jié)壓力低于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈應(yīng)變軟化型。粘土的結(jié)構(gòu)性使其具有明顯的初始屈服面，在初始屈服面內(nèi)土體呈彈性；超過初始屈服面時(shí)，土體呈塑性。3.6固結(jié)應(yīng)力對(duì)孔隙壓力的影響張誠厚研究認(rèn)為，對(duì)結(jié)構(gòu)性較弱的上海粘土，在較大的固結(jié)應(yīng)力范圍內(nèi)，在低應(yīng)變階段孔隙壓力急劇增大，之后緩慢增大至穩(wěn)定值；只是在固結(jié)壓力很低時(shí)，孔隙壓力才會(huì)出現(xiàn)峰值；對(duì)結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)的湛江粘土，在固結(jié)應(yīng)力較低的條件下，孔隙壓力會(huì)出現(xiàn)峰值，之后逐漸降低；固結(jié)應(yīng)力較高時(shí)，孔隙壓力隨應(yīng)變?cè)龃蠖龃?，逐漸趨近于穩(wěn)定值。沈珠江詳細(xì)地分析了孔隙壓力的產(chǎn)生原因和消散規(guī)律，并應(yīng)用結(jié)點(diǎn)固化理論進(jìn)行了解釋。3.7沉降的影響因素張誠厚等研究了軟粘土的結(jié)構(gòu)性對(duì)路基沉降的影響，表明由于結(jié)構(gòu)性的存在，在沉降計(jì)算中必須考慮結(jié)構(gòu)性的影響，并且在施工中注意施工的進(jìn)度。孫紅等通過室內(nèi)試驗(yàn)，研究了軟粘土的結(jié)構(gòu)性及其在受力過程中的損傷特性，并討論結(jié)構(gòu)損傷對(duì)地基瞬時(shí)沉降和固結(jié)沉降的影響。3.8原位地基的特性張誠厚、J.B.Burland、沈珠江、H.Tanaka等研究了結(jié)構(gòu)性土的現(xiàn)場(chǎng)原位土工特性，原位側(cè)向變位曲線往往呈凸出型，孔壓靜力觸探試驗(yàn)?zāi)芏ㄐ缘姆从吵鼋Y(jié)構(gòu)性的變化。3.9顯微結(jié)構(gòu)特征胡再強(qiáng)等研究了非飽和黃土的顯微結(jié)構(gòu)與濕陷性，黃土濕陷性的內(nèi)因是黃土的骨架顆粒形態(tài)、排列方式、孔隙特征和顆粒膠結(jié)形式等顯微結(jié)構(gòu)特征；而土體的吸力和非水穩(wěn)定性膠結(jié)力的破壞及由此而引起的水穩(wěn)定性膠結(jié)力和摩阻力的超載，所導(dǎo)致的土體結(jié)構(gòu)破壞，則是黃土濕陷性的外因。3.10各向異性原理張誠厚研究認(rèn)為，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的各向異性會(huì)造成抗剪強(qiáng)度的各向異性。L.Callisto等的研究表明，結(jié)構(gòu)性土真三軸試驗(yàn)結(jié)果具有強(qiáng)度各向異性，而常規(guī)三軸與真三軸均發(fā)現(xiàn)測(cè)量的剛度強(qiáng)烈的依賴于應(yīng)力路徑的方向。4結(jié)構(gòu)土壤的數(shù)學(xué)模型從土力學(xué)的發(fā)展來看，結(jié)構(gòu)性本構(gòu)模型的建立有微觀模型與宏觀模型之分，目前這兩種建模思想還沒有很好地結(jié)合。4.1微結(jié)構(gòu)力學(xué)材料模型微觀模型的基本思路出自Taylor(1938年）提出的材料中不同方向微滑面上的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。這些關(guān)系的建立有2個(gè)前提，即微滑面上的應(yīng)力是宏觀應(yīng)力張量的分量(靜態(tài)約束)，微滑面上的變形是宏觀應(yīng)變張量的分量(動(dòng)態(tài)約束)。鐘曉雄等研究了散粒體的微觀組構(gòu)與本構(gòu)關(guān)系：通過引入微觀組構(gòu)張量和接觸密度分布函數(shù)，將散粒體的微觀力學(xué)變量與宏觀力學(xué)變量聯(lián)系起來，從而建立了散粒體的本構(gòu)理論，得到應(yīng)力-應(yīng)變的增量關(guān)系為施斌等根據(jù)土蠕變的速率過程理論、塑性滑動(dòng)理論和虛功原理，從土的微觀結(jié)構(gòu)角度，建立了各向異性粘土蠕變的微觀力學(xué)模型，給出了模型的數(shù)值解，首次確定了粘粒定向分布函數(shù)。蠕變的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為式中ηijkm為土體四階粘滯張量。苗天得等基于微結(jié)構(gòu)突變失穩(wěn)假說，深入研究濕陷性黃土的變形機(jī)理，將體積濕陷與剪切濕陷統(tǒng)一到同一個(gè)突變模式，給出了黃土濕陷變形的一個(gè)完整本構(gòu)關(guān)系。G.R.Mcdowell等研究可壓縮土的微結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，建立了單個(gè)顆粒斷裂的微結(jié)構(gòu)力學(xué)特性與可壓碎集粒體的宏觀力學(xué)特性之間的關(guān)系，應(yīng)用脆性基質(zhì)材料考慮斷裂的Weibull分布，解釋了扁平板之間的顆粒壓碎的試驗(yàn)現(xiàn)象。G.T.Houlsby等應(yīng)用微結(jié)構(gòu)力學(xué)模型來建立粘土的屈服面形狀，簡(jiǎn)單模型具有和粘土特性類似的特點(diǎn)，尤其是可以估計(jì)由于K0固結(jié)引起的各向異性屈服面的形狀，及隨著應(yīng)變發(fā)展的演化規(guī)律。Y.W.Pan等基于微結(jié)構(gòu)力學(xué)方法估計(jì)了粒狀材料的組構(gòu)。S.Yimsiri等應(yīng)用微結(jié)構(gòu)力學(xué)理論建立了描述土在小應(yīng)變特性的模型，該模型可以考慮組構(gòu)各向異性、應(yīng)力條件和接觸特性對(duì)小應(yīng)變模量的影響，求得了各向同性應(yīng)力條件下各向同性組構(gòu)時(shí)小應(yīng)變模量的封閉解。G.R.Mcdowell等評(píng)述了小應(yīng)變情況下土剛度的應(yīng)力依賴性。S.Yimsiri等應(yīng)用微結(jié)構(gòu)模型分析了土在小應(yīng)變時(shí)剛度的各向異性，對(duì)給定的顆粒集合體，建立了5參數(shù)的交叉各向異性（cross-anisotropic）彈性材料與微結(jié)構(gòu)變量(組構(gòu)各向異性、接觸剛度、顆粒半徑、接觸點(diǎn)數(shù))的關(guān)系。X.S.Li對(duì)非飽和土的有效應(yīng)力進(jìn)行了微結(jié)構(gòu)分析。在基本假設(shè)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用虛功原理，對(duì)非飽和土推求出了控制變形和破壞的準(zhǔn)有效應(yīng)力(quasi-effective)。4.2彈塑性損傷模型沈珠江率先從損傷力學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，建議了一個(gè)可以考慮粘土結(jié)構(gòu)破損過程的損傷力學(xué)模型，推導(dǎo)了彈塑性損傷矩陣，制定了定量描述其受力后逐漸破損過程的數(shù)值模擬方法。隨后，將原先建議的彈塑性損傷模型加以簡(jiǎn)化，提出了一個(gè)更實(shí)用的非線性損傷力學(xué)模型，并對(duì)該模型的有限元算法作了初步的探討。再后來，又提出了一種堆砌體模型，以描述天然粘土變形過程中伴隨的結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)象，這一模型把變形過程中的結(jié)構(gòu)性土看作不同大小土塊的集合體，總的變形由土塊的彈性變形、土塊之間滑動(dòng)引起的塑性變形和土塊破碎引起的損傷變形3部分組成，塑性變形用常用的屈服函數(shù)描述，損傷變形則引入一種類似的損傷函數(shù)加以描述，推導(dǎo)相映的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。在以上模型的基礎(chǔ)上，何開勝等建議了結(jié)構(gòu)性粘土的彈塑性損傷模型，可用于結(jié)構(gòu)性粘土的工程計(jì)算和流變預(yù)測(cè)。趙錫宏等以熱力學(xué)理論為基礎(chǔ)，考慮到內(nèi)變量理論，提出了考慮各向異性損傷的能量指標(biāo)概念，構(gòu)造勢(shì)函數(shù)，建立損傷的演化方程，進(jìn)而建立軟土的彈塑性各向異性損傷力學(xué)模型。4.3巷道巖體結(jié)構(gòu)材料特性分析沈珠江等首次提出了巖土破損力學(xué)的基本概念、目標(biāo)和任務(wù)，并建立了一種理想的脆彈塑性模型，在分析理想固體特性的基礎(chǔ)上研究了二元介質(zhì)模型的特性，并應(yīng)用于黃土與超固結(jié)粘土的特性分析。巖土破損力學(xué)的研究對(duì)象為具有結(jié)構(gòu)性的天然巖土材料，其主要目標(biāo)是通過數(shù)值分析模擬這類材料在工程背景下的變形和破壞過程，特別是挖方條件下的破損過程?；诮Y(jié)構(gòu)性巖土材料是由于膠結(jié)力空間分布的不均勻性而形成的非均質(zhì)材料，巖土破損力學(xué)把結(jié)構(gòu)性巖土材料抽象成由膠結(jié)強(qiáng)的結(jié)構(gòu)塊和無膠結(jié)的軟弱帶組成的二元結(jié)構(gòu)體，變形過程中膠結(jié)塊逐步破損并向軟弱帶轉(zhuǎn)化。隨后，又在非均質(zhì)材料的均勻化理論的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了巖土二元介質(zhì)模型的增量型一般應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。4.4修正cm-clay模型Cam-claymodel是建立在重塑土的基礎(chǔ)上的，許多學(xué)者對(duì)此模型進(jìn)行改進(jìn)以建立結(jié)構(gòu)性土的本構(gòu)模型。饒為國等考慮到劍橋模型沒有包括土的結(jié)構(gòu)性這一因素，基于經(jīng)典塑性理論，通過引入土體結(jié)構(gòu)性影響因子——綜合結(jié)構(gòu)勢(shì)，建立了一個(gè)可以考慮結(jié)構(gòu)性影響的土體本構(gòu)模型。M.Kavvadas等基于增量塑性和臨界狀態(tài)概念，建立了結(jié)構(gòu)性土的臨界狀態(tài)增量塑性模型(MSS)，模型模擬了前期固結(jié)壓力、老化、膠結(jié)等引起的結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)和擾動(dòng)等引起的結(jié)構(gòu)破損對(duì)土的工程性質(zhì)的影響，且模擬了天然的Pappadai粘土的試驗(yàn)結(jié)果。后來又發(fā)展了實(shí)用于天然土的各向異性彈塑性模型。V.Sivakumar等研究了各向異性彈性對(duì)超固結(jié)天然粘土的屈服特性的影響。狀態(tài)邊界面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)屈服軌跡與各向異性彈性特性相關(guān)的假定表明，狀態(tài)邊界面內(nèi)的彈性墻是傾斜的，狀態(tài)邊界面的形狀由各向異性彈性和Cam-clay土參數(shù)確定，應(yīng)用天然粘土對(duì)模型進(jìn)行了檢驗(yàn)。A.Asaoka等為了考慮結(jié)構(gòu)性土和超固結(jié)土的力學(xué)特性，把超次加載面引入到原始的Cam-clay模型中。在新的模型中，除了可考慮通常的壓縮硬化和膨脹軟化外，還可考慮塑性體積膨脹硬化和塑性體積壓縮軟化，又研究了砂土和粘土的體積變化特性。M.D.Liu等對(duì)結(jié)構(gòu)性土的特性進(jìn)行了理論研究，把土的結(jié)構(gòu)影響引入到修正的Cam-clay模型中，建立了一個(gè)結(jié)構(gòu)性Cam-clay模型。如果土無結(jié)構(gòu)或者因加荷結(jié)構(gòu)完全破壞，則該模型退化為修正Cam-clay模型。為描述土的結(jié)構(gòu)性的影響引入了3個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，模型用于壓縮和剪切試驗(yàn)中結(jié)構(gòu)性土特性的預(yù)估，結(jié)果證實(shí)該模型可以定性地和定量地反映結(jié)構(gòu)性土的許多特性。4.5外荷作用下的結(jié)構(gòu)演化模式謝定義等在分析研究了土結(jié)構(gòu)性對(duì)土的力學(xué)特性影響的基礎(chǔ)上，提出了結(jié)構(gòu)性的定量化參數(shù)——綜合結(jié)構(gòu)勢(shì)，然后，把結(jié)構(gòu)性參數(shù)引入到土的變形本構(gòu)關(guān)系和強(qiáng)度本構(gòu)關(guān)系，得到了以結(jié)構(gòu)性參數(shù)為基礎(chǔ)描述的土變形——強(qiáng)度基本規(guī)律的本構(gòu)關(guān)系。肖樹芳等在對(duì)海積軟土結(jié)構(gòu)性研究的基礎(chǔ)上，引入了反映土的結(jié)構(gòu)連接強(qiáng)度及其受力后變化的結(jié)構(gòu)性參數(shù)m，進(jìn)而建立了結(jié)構(gòu)性彈塑性模型；又引入結(jié)構(gòu)因子來描述外荷作用下的微觀結(jié)構(gòu)變化，并建立了外荷作用下軟土結(jié)構(gòu)演化模式。B.A.Baudet等發(fā)展了一個(gè)新的模型來預(yù)測(cè)天然土結(jié)構(gòu)的逐漸破損過程。在新的破損率中，結(jié)構(gòu)的變化等價(jià)于靈敏度的變化，即表示為下式：s=1+(s0-1)exp(-kf(εp))，把這一演化率引入到重塑土的本構(gòu)模型中以反映結(jié)構(gòu)性土的特性。M.D.Liu等引入結(jié)構(gòu)指數(shù)s來反映結(jié)構(gòu)性和結(jié)構(gòu)性的破損過程對(duì)壓縮曲線的影響，并給出了結(jié)構(gòu)性土的