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基于细观破损原理的结构性非饱和土本构模型构建与解析

一、绪论

1.1研究背景与意义

非饱和土是一种普遍存在于自然界和工程实践中的土体类型，其物理和力学性质表现出明显的非线性和不稳定性，与饱和土存在较大差异。在自然界中，非饱和土广泛分布于地表浅层，如山坡、河岸、沙漠等区域。在工程领域，道路路基、机场跑道、堤坝、基坑等土工结构常涉及非饱和土，其物理和力学性质的复杂性给工程设计和施工带来诸多挑战。

建立可靠的非饱和土本构模型对于分析和设计土工结构具有重要意义。传统的饱和土力学理论无法全面准确地描述非饱和土的力学行为，因为非饱和土中存在气相，导致其应力-应变关系、强度特性、渗透特性等与饱和土有显著不同。准确描述非饱和土的力学行为，对于土工结构的安全稳定设计、施工过程的合理控制以及工程长期性能预测至关重要。例如，在堤坝工程中，若对非饱和土的力学性质认识不足，可能导致堤坝在水位变化、降雨等因素作用下出现滑坡、渗漏等问题，威胁工程安全。

细观破损原理是基于土的微观结构和破坏机理的一种本构模型，与传统的经验性本构模型相比更具有理论性和通用性。传统本构模型往往基于宏观试验数据建立，缺乏对土体微观结构和破坏过程的深入理解，难以准确反映土体在复杂应力条件下的力学行为。而基于细观破损原理的本构模型从土颗粒的相互作用、微观结构变化以及破损机制出发，能够更深入地揭示非饱和土的力学本质，为非饱和土力学行为的准确预测提供更坚实的理论基础。

1.2国内外研究现状

1.2.1非饱和土本构模型研究进展

自20世纪60年代以来，非饱和土本构模型的研究取得了显著进展。早期的非饱和土本构模型主要基于饱和土的弹塑性理论进行拓展，如Bishop（1959）提出的有效应力原理，将非饱和土的有效应力与孔隙水压力、孔隙气压力联系起来，为非饱和土本构模型的发展奠定了基础。随后，学者们从不同角度提出了多种非饱和土本构模型，可大致分为以下几类：

基于吸力的模型：这类模型将吸力作为一个重要的状态变量，通过引入吸力与土的力学性质之间的关系来描述非饱和土的行为。Fredlund和Xing（1994）提出的土-水特征曲线模型，能够较好地描述吸力与含水量之间的关系，被广泛应用于非饱和土本构模型中。基于该模型，一些学者建立了考虑吸力影响的弹塑性本构模型，如Alonso等（1990）提出的巴塞罗那基本模型（BBM），该模型考虑了非饱和土的屈服、硬化和软化特性，在非饱和土力学研究中具有重要地位。

基于孔隙气-水相互作用的模型：此类模型着重考虑孔隙气和孔隙水在非饱和土中的相互作用对其力学性质的影响。Gallipoli等（2003）提出的双应力状态变量模型，分别考虑了净应力和基质吸力对土骨架变形的影响，能够更准确地描述非饱和土在复杂应力路径下的变形特性。

基于微观结构的模型：随着微观观测技术的发展，基于微观结构的非饱和土本构模型逐渐受到关注。这类模型从土颗粒的排列、接触和孔隙结构等微观层面出发，建立微观结构参数与宏观力学性质之间的联系。如采用离散元方法（DEM）模拟土颗粒的运动和相互作用，研究非饱和土的力学行为。Jiang等（2013）通过考虑土体结构性破损的微观机理，建立了结构性土的本构模型，为基于微观结构的非饱和土本构模型研究提供了有益的参考。

然而，现有非饱和土本构模型仍存在一些不足之处。部分模型参数较多，物理意义不明确，难以通过常规试验准确测定；一些模型对复杂应力路径和边界条件的适应性较差，在实际工程应用中受到限制；此外，对于非饱和土在干湿循环、温度变化等复杂环境条件下的力学行为，现有的本构模型还不能很好地描述。

1.2.2细观破损原理在土力学中的应用

细观破损原理在土力学领域的应用逐渐得到重视。在饱和土研究方面，已有学者基于细观破损原理建立了相关本构模型。如蒋明镜等（2013）通过考虑土体结构性破损的微观机理，建立了结构性土的本构模型。该模型通过定义与重塑土屈服面几何相似的结构性屈服面，反映结构性对土体力学特性的影响；通过引入表征结构性损伤的破损参数，确定了结构性土加载过程中的硬化规律。将该本构模型用于结构性土室内固结试验及三轴压缩试验结果的模拟，初步验证了其合理性。

在非饱和土研究中，细观破损原理的应用相对较少，尚处于探索阶段。由于非饱和土的三相体系（固相、液相、气相）使得其微观结构和破坏机理更为复杂，如何将细观破损原理有效地应用于非饱和土本构模型的建立，还面临诸多挑战。目前，对于非饱和土在细观层面上的破损机制，如土颗粒间的胶结作用在干湿循环过程中的变化、孔隙气和孔隙水对颗粒间接触力的影响等方面的研究还不够深入，缺乏系统的理论和实验研究成果。这导致在基于细观破损原理建立非饱和土本构模型时，难以准确描述非饱和土的微观结构变化与宏观力学行为之间的关系，