土的结构性文献综述

得分：_______ 南京林业大学

研究生课程论文

2014～2015学年第2学期

课程号：PD06005

课程名称：高等土力学

论文题目：土的结构性文献综述

学科专业：建筑与土木工程

学号：

姓名：

任课教师：

二○一五年六月

土的结构性文献综述

摘要：近年来，土结构性的重要性日显突出，研究也不断加深，本文回顾了土结构性研究发展的历程，并介绍了微结构、固体力学土结构性研究方法。

关键词：土结构性;历史历程;本构模型;微结构;

0 前言

近年来，土的结构性研究引起了人们的广泛关注。从广义上讲，土都具有结构性，土结构性的强弱是与土的先期固结压力、沉积时间、沉积条件以及土的物理化学成分等相关的。土的结构性是指土结构的力学效应，即受力时土的结构与其力学行为的相互影响。如在对粘性土原状样（有结构性的土）和重塑样（丧失结构性的土）的室力学试验时发现，原状样和重塑样的力学性质差异较大，主要表现在:（1）班压缩曲线上原状样有明显的结构屈服点，而重塑样压缩曲线基本为一直线；（2）巨轴剪切试验中，原状样的应力应变曲线上有明显的结构屈服应力点，而重塑样没有；（3）源状样在应力低于结构屈服应力时，固结系数基本为一常数，而当应力增加到结构屈服应力附近时，固结系数急剧降低，最后趋近于重塑样的固结系数；（4）巨轴剪切试验中，原状样的抗剪强度包线呈折线型，而重塑样为一直线。以上这些特性均表明了土结构性对土的力学性质是有较大影响，所以用传统通过饱和扰动土和砂土发展起来的土本构模型是很难反映结构性土的力学性态的，其计算所得的结果必然与实际情况相差甚远。

1 土结构性概念

土的结构性是指土中颗粒或土颗粒集合体以及它们之间的孔隙的大小、形状、排列组合及联结等综合特征。因此土的结构性除了应包括土的骨架和孔隙的几何特征（即土颗粒和孔隙的大小、多少、形状和分布等）外，从土力学的角度考虑还应包括颗粒之间的联结特征.如果将孔隙看作是反映颗粒排列的一个方而，那么土的结构性就应该包括土中颗粒的排列特征（几何特征）和联结特征（力学特征）。

2 土结构性研究意义

土力学性质的差异或变化取决于因和外因2方而。土本身的颗粒性状、孔隙性状、含水量和矿物成分等因素的不同组合，使土具有不同的初始结构性，因而具有不同的力学性质。例如，由于土中孔隙不同使其具有不同的排水通道，因此反映土固结速率的固结系数和渗透系数受微结构的影响也较大；由于颗粒的特殊排列方式和联结特性，使有的土具有各向异性特征；由于试样的初始微结构不同，在含水量降低时吸力的增大引起的效应亦不同。此外，对于非饱和土，其渗水系数和渗气系数与土的微结构形态的关系极为密切。外因即荷载（水可看作广义的荷载），如应力作用过程、路线和水平等。外因可以改变土本身的结构、形成次生结构，使同一种土在不同状态下具有不同的力学性质。土的应力一应变关系、孔隙水压力—应变曲线和固结曲线等都与土的结构性有明显的关系。用不同方法制备的密度、粒度和湿度等物性指标相同的土样其力学性质常具有较大差异，这也与结构性有密切关系。由此可见，土的结构性对于工程建设是非常重要的。因此，将土结构性的研究提到“21世纪土力学的核心问题”的高度。长期以来，对于土的力学性质仅局限于从粒度、密度和湿度3个方而来描述，忽视了一个极其重要的因素，即结构性。当代土力学的发展要求定量地描述土的结构性。在过去的半个多世纪里几代岩土力学工作者一直研究这个问题，但是到口前为止，还没有找到能反映土结构性的定量化指标。

3 土结构性的历史历程

3.1 微结构性研究的初步阶段（20年代中期—50年代初）

一般认为，1925年土力学的奠基人太沙基所倡导的土的微结构概念与思想是土微结构研究的开端，也是土结构性研究的开端.他提出了粘土的“蜂窝状结构”是在自然沉积过程中很常见的一种结构形态.其后许多学者也注意到了土的微结构的力学意义，并进行了研究。这一时期的研究以观察土的微结构形态，研究其对土力学性质的影响为主.由于缺乏有效的观测手段，仅以放大镜为主要工具，难以对土的复杂的结构性进行系统的研究。

3.2 结构性研究的深化阶段（50年代中期一60年代后期）

随着科学技术的发展，光学显微镜、偏光显微镜、X射线衍射技术等在土的微结构研究中得到了广泛应用。人们开始注意到了结构要素的完整性，特别是结构单元的定向分布特征。常宝琦和林崇义提出

土结构是颗粒排列的规律性和颗粒间联结性质的规律性的统称，土结构可分为构造和粘聚性2部分，前者纯属几何特征，后者是由于土的各相间的相互作用对颗粒位移的阻力，进而研究了黄土颗粒的联结特征和受力变形特征。

3.3 土结构性定量化研究的初步阶段（60年代末一80年代中期）

在此阶段，对土微结构的研究有了较大的发展，人们在进一步寻求定量描述微结构形态诸要素的方法。同时，对土结构联结特征的力学模拟研究也越来越受重视，提出了多种结构模式。在土结构性的研究方法上，比较有代表性的有土结构的微观图像定量分析和土微结构受力作用下的力学模拟。这2种方法对后来土结构性的研究起到了很大的影响.在这一时期，中国也有许多学者对土的微观结构进行了观察和分析。

3.4 土结构性定量化研究的发展阶段（80年代中期至今）

在此阶段，尽管对描述土结构性某一要素的研究手段有所增多，研究的深度有所增加，对土的种类研究的广度有所增大，但无论是在结构性研究方法上还是在对结构性的认识上都没有太大的发展。寻找一个有效的、能应用于实际工作的、带有综合性质的结构性指标成了众多学者的一致追求，形成了土结构性研究的新高潮。计算机图像处理技术的应用，为从微结构形态方而进行土结构性定量化的研究提供了新的手段。不同类型的土微结构研究成果为建立土结构性的力学模型提供了参考依据。基于土力学特性非线性的土结构性的损伤模型得到了新的发展。

4 土结构性研究方法

4.1 土结构性本构模型的研究方法

近十年来，土结构性本构模型研究得到了长足的发展，国外许多学者提出了众多的土结构性本构模型。（1）从微观角度出发，结合相关非线性理论，如分形理论、突变理论等，将微结构参数与宏观力学参数相结合进行研究的。微结构研究方法是由20世纪20年代沿袭和发展下来的微结构形态学的研究方法，它几乎将微结构当成了土结构性的代名词，多年来许多学者都试图通过微结构观测与宏观力学试验相对应，建立起微结构参数与宏观力学参数间的关系，但由于测试

技术上的复杂性和准确性，其建立的土结构性本构模型似乎离真正的应用还相差很大的距离。（2）结合固体材料力学研究方法进行的，如损伤力学、扰动状态概念以及多屈服面理论等。通过这方面的研究试图从数学力学的观点建立一种能够有效描述土结构性在受力过程中变形和破坏的力学模型，由此推导和反映土的宏观力学行为。它是受到土力学中揭示规律的影响，带有现代力学发展意义的特色，但在土结构性的表征方式和结构

性受到扰动时变化规律的正确反映方面，还有许多工作要做。（3）用土力学的研究方法，主要是通过对结构性土和重塑土做对比试验，得出可以描述结构破坏的结构性参数。它或局限于说明不同结构性的土具有不同的力学规律，或只针对某些土的特殊性质而提出某些对症的表述参数（如结构强度、先期固结压力、湿陷系数、灵敏度和液化度等），从总体上看，仍然缺乏实质、系统、全面的研究。

4.2 微结构本构模型的研究方法

微结构本构模型是指根据土的微观结构和粘土颗粒的物理化学性质建立土的本构模型，以此来反映土的宏观力学行为。它的基本思路出自Taylor提出的材料中不同方向微滑面上的应力应变关系。目前土的微结构模型大多是针对重塑土或扰动土建立起来的，而对于结构性土建立的微结构模型不多，具有代表性的主要有以下两个模型。

1999年，苗天得等基于微结构突变失稳假说，给出了一个完整失陷变形黄土的本构模型，此模型的增量本构形式为:

其中：，

式中，a，b是考虑到实际土体孔隙和模型结构的差别而引入的两个变形调整因子，它们是含水量和应力状态的函数；R为孔隙半径；为孔隙率；N （R）为孔隙分布函数；为微结构突变角度为总的体积改变；为初始孔隙比。

此模型是针对湿陷性黄土建立的，而黄土是一种典型的结构性土，它的建立对其他结构性土（如软粘土、红土等）是非常具有启发

意义的。

上述研究表明，现代微结构研究已从原来的定性研究朝着定量化研究方向发展，并寻求土的微结构参数直接用于土力学本构模型的建立。以上微结构本构模型的研究对结构性土在复杂受力条件下变形、破坏机制进行了有益的探索，但从建立结构性土的结构性力学模型的角度，无论在技术还是原理方面都还存在一些问题，表现在如下几个方面。

（1）信息提取技术。尽管多年来研究的丰富成果以及测试手段和计算机技术的发展给它的进一步发展提供了良好条件，但要全面描述结构性土的形态几何特征和能量学特征，还应当进一步完善已有的结构量化信息提取技术，继续开拓新的途径。

（2）微结构动态观测。观测结构性土在外力或其他因素作用下的结构动态变化，目前限于观测手段的限制，大多还是采用平行样的测试方法，很难对土的结构变化进行真正的动态观测。

（3）微观结构研究的尺寸效应。微观结构的研究是对土体在微观层面上的结构研究，如何根据相似性原理，研究土体的宏观和微观联系、尺寸效应以及与土体各种物性间关系，这些都有待进一步的深入研究。

（4）微观力学模型。将土体微观结构定量研究成果应用于研究土体的变形、强度、蠕变等，建立它们的微观力学模型，目前的工作还是比较肤浅的。尽管20世纪80年代以来，美国Bazan墩授完善了Taylor的微观建模思想，取得了材料在不同方向微滑面上的应力应变关系，国的施斌也建立了各向异性粘性土蠕变的微观力学模型，并取得了较好的拟合效果，但模型参数的确定还是一个问题，有待进一步的研究。

4.3 固体力学的研究方法

4.3.1 基于损伤理论的结构性本构模型

1988年，珠江、章为民最早提出了土体的损伤理论，他们首先定义了一种理想原状土（可认为是天然沉积土）和一种理想的完全损伤土（可认为是重塑土）。而现实的土体的变形和破坏可视为原状土到损伤土的演变过程。至1993年以来，珠江等基于损伤理论并针对结构性粘土提出了复合体模型及堆砌体模型，其中复合体模型包括弹塑

性损伤模型、非线性弹性损伤模型和弹粘塑损伤模型。

（1）堆砌体模型

其原理是，首先假定总的应变增量由两部分组，一部分由有效应力增加而引起，可以用已有的弹塑性模型计算，另一部分是由于颗粒破损的结果，即：

式中，为弹塑性柔度矩阵，为损伤柔度矩阵，I为单位矢量。

（2）损伤理论的缺陷

损伤理论只能表示材料的损伤，难以模拟有些材料在受力后，强度增长的现象，如在压缩试验过程中，对于软粘土或松砂的强度将得到了强化。还有它难于模拟有些材料在先前受到扰动而软化后，继而又发生强度的增长的现象。针对以上缺陷，C.S.Desa提出了扰动状态概念，可以较好的解决上述的缺陷，并已利用它建立了相关的土结构性本构模型。

4.3.2 基于扰动状态概念的结构性本构模型

扰动状态概念（D ishz}ed State Concep缩写为DSC）的思想，首先由美国著名学者C.S.Desai于1974年提出，是一种针对材料的受力扰动而发展起来的本构模拟方法。它不但可以模拟材料的损伤还可以模拟材料的强化，从而弥补了损伤理论的缺陷。1992年，Desai 首先把扰动状态概念用来建立材料的本构模型，并相继有些国外学者把其应用到无粘性土、砂土、粘性土、不同土体的界面等，得到了较好的效果，这些本构模型均是基于Desai的扰动状态概念的基本方程建立的，其士曾量本构方程形式为：

式中，、、分别为实际、相对完整状态和完全调整状态下的应变；、分别为相对完整状态和完全调整状态下的柔度矩阵；、分别为相对完整状态和完全调整状态下的应力；D为扰动函数。

另外M. D. L iu和J .P .Carte采用扰动状态概念的思想，采用不同的扰动函数表达形式，建立了结构性土的压缩模型。

虽然扰动状态概念是很好的理论，具有很多优点，但在用其建立的本构模型中，同损伤理论一样，难以克服参数较多这个缺点，使其

在实际应用中受到一定的限制。

4.3.3 固体力学研究中存在的问题

通过上述分析表明，虽然固体力学的理论应用到土体中，具有概念清楚，原理上较易理解等一些优点，但从以上所建的这些模型中可以看出，建立的土的结构性模型一般都较为复杂，且参数较多，对计算的要求较高，并且参数需通过大量的试验获得，在实际应用中会受到一定的限制。

5 结语

自Roscoe发表第一个全面考虑土的压硬性和剪缩的著名剑桥模型以来，土的本构模型研究有了长足的进展。而土的结构性本构模型经过十几年的发展，也有了上述诸多的本构模型。从中可以发现上述各种本构模型大部分是基于剑桥模型建立的，由此可见其在土本构模型中的地位。同时在建立土的结构性本构模型中，许多理论都得到了应用，这是否说明了土力学的理论与其他理论相结合是今后土本构模型发展的一个方向。

上述中的许多土结构性本构模型在实际中也得了应用，取得了较好的效果，但似乎离真正实际应用还有一定距离。一个模型能否得到应用推广，笔者认为关键在于模型的合理性、模型对象的适用性以及模型参数的求取的简易性。只有这样，才能有利于在工程实际中得到应用，从而能更好的为实际工程的计算与设计服务。

参考文献：

[1]王国欣,肖树芳.土结构性本构模型研究现状综述[J].工程地质学报,2006.

[2] 龚晓南,熊传祥,项可祥.粘土结构性对其力学性质的影响及形成原因分析[J].水利学报,2000.

[3] 珠江,土体结构性的数学模型-21世纪土力学的核心问题[J].岩土工程学报,1996.

[4] 定义,齐吉琳.土结构性及其定量化参数研究的新途径[J].岩土工程学报,1999.

[5] 苗天德,忠玉,任九生.湿陷性黄土的变形机理与本构关系[Jl.岩土工程学报,1999.