基于相对湿度场和变模量本构的岩土膨胀分析模型

程树范; 曾亚武; 叶阳; 高睿; 李涵

doi:10.15961/j.jsuese.202200347

工程科学与技术 ›› 2023, Vol. 55 ›› Issue (05) : 99 -108. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200347

基于相对湿度场和变模量本构的岩土膨胀分析模型

程树范, 曾亚武, 叶阳, 高睿, 李涵

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摘要

随着含水率（湿度）的增加，红层黏土（岩）会表现出体积膨胀和吸水软化的双重特征，这是诱发红层滑坡和路基隆起等地质灾害的主要原因。为研究含水率对受荷岩土体变形的影响，本文在湿度应力理论的基础上，对含水率归一化处理，提出基于相对湿度的变模量本构，建立岩土膨胀分析模型；以固结黏土和红层黏土岩为研究对象，开展膨胀和吸水软化试验。结果表明：膨胀试验中，黏土岩和固结土的侧限膨胀率分别为0.345和0.205，膨胀应力分别为225.0和112.5 kPa，黏土岩具有更强的膨胀能力；固结土吸水效率更高，能够更快地达到膨胀平衡状态。软化试验中，干燥状态下黏土岩的压缩模量较大，但吸水过程中模量的衰减也较快，饱和状态下固结土与黏土岩的压缩模量基本相同。基于试验数据，对本文模型的稳态参数进行反演，并基于已标定的分析模型对侧限膨胀试验进行模拟，一方面，验证本文方法在稳态分析时的适用性；另一方面，给出了相对湿度场平均扩散率K的标定方法。以圆形洞室遇水问题为算例，进行了稳态理论计算和瞬态数值计算，以说明本文模型在应用于岩土膨胀大变形分析时的优越性。本文分析模型参数易获得，数值模拟结果准确性高，可为红层膨胀岩和膨胀土地区工程建设提供理论指导。