天然黏土普遍具有超固结性、结构性和各向异性，其破坏过程往往表现出渐进特性。在实际工程中，若忽略土体的这些力学特性，设计将偏于不安全，易引发工程问题。合理构建可考虑黏土超固结性、结构性和各向异性的土体本构模型，并将其数值实现以研究黏土的渐进破坏特性，具有重要的理论意义和工程价值。目前岩土领域中，黏土的本构模型多是基于弹塑性框架建立的，其公式复杂性制约了土体本构模型在数值分析和工程实践中的应用。亚塑性模型是一种新型本构理论，在建模时无需区分弹塑性变形，也不需预设屈服面、流动法则和硬化参数等理论框架，相比于弹塑性模型具有公式简单、模型参数少和易于数值实现等优点。 本文基于亚塑性理论，将简单的四参数砂土亚塑性本构模型，扩展为可描述超固结性、结构衰减性和组构各向异性等力学行为的黏土亚塑性本构模型。在此基础上，利用微极理论代替经典连续体理论，建立了黏土的微极亚塑性本构方程，解决了传统有限元计算中遇到的网格依赖性问题。进一步将建立的微极亚塑性本构模型进行有限元二次开发，研究黏土渐进破坏中剪切带的形成与演化机制。主要研究内容如下： （1）改进了现有的超固结黏土亚塑性本构模型。首先，基于亚塑性本构理论的基本建模思路，对亚塑性本构中的破坏面、应力响应包络线和应力历史等做了详细的推导说明；其次，使用应力转换法对破坏面进行修正，将原有的圆锥形线性破坏准则修正为非线性破坏准则，使得模型可以考虑中主应力效应；最后，利用一个新的标量因子对模型的不排水应力路径进行修正，该标量因子是亚塑性模型应变率方向和流动法则之间的函数。修正后的模型适用性更广，可更为准确描述各种黏土的不排水应力路径，解决了现有模型不排水应力路径在开始加载时弹性变形预测过小的问题。 （2）提出了可考虑结构性衰减的黏土亚塑性本构模型。首先，假定土体的结构性受到结构敏感度和当前应力水平的共同影响，提出了一个描述初始结构度的方法，该初始结构度可随着轴向积累应变的增加而逐渐退化；其次，构建了新的结构性因子，该结构性因子由土体的初始结构度和超固结比参数组成，分别用于反应土体自然沉积过程中的结构效应和固结历史。进一步将该结构因子考虑进亚塑性模型的非线性中，并利用一致性原则推导了模型的刚度参数和变形参数；最后，使用天然结构性黏土的侧限压缩试验和三轴排水/不排水试验对模型进行了验证。结果表明，提出的模型可以较好反映天然黏土的结构性衰减行为，以及不同超固结比和不同压力水平下结构性黏土和 重塑黏土的强度及变形特性。 （3）提出了可考虑组构演化的各向异性黏土亚塑性本构模型。首先，基于应力转换法，将亚塑性本构模型的线性破坏准则转化为非线性破坏准则，使得亚塑性模型能够考虑中主应力的影响；其次，基于组构张量和临界状态理论，构建了可描述加载方向和组构方向的各向异性状态变量，进一步将各向异性状态变量加入到亚塑性方程的强度参数中，使亚塑性本构模型可以合理描述原生各向异性黏土的强度及变形特性。此外，基于伏斯列夫等效应力，构建了一个可反映超固结比的结构应力张量，将该结构应力张量与亚塑性方程的应力张量项相结合，使得模型可描述固结历史效应；最后，利用常规三轴和真三轴试验对提出的模型进行了验证。结果表明，提出的模型可以成功预测不同超固结比和中主应力系数比下各向同性/各向异性黏土的强度及变形特性。 （4）建立了可考虑尺寸效应的黏土微极亚塑性本构模型。微极理论考虑了土体颗粒的旋转自由度，基于该理论建立的本构模型在描述应变局部化问题时能避免经典连续体理论在有限元应用时所受到的网格尺寸依赖性。首先，介绍了微极理论中物质的运动过程，并推导了对应的力和动力矩平衡方程；其次，借助复数张量，给出了四参数亚塑性本构模型的通用微极形式，并扩展至可描述黏土应力历史和结构性衰减的微极亚塑性本构模型；最后，推导了在有限元中实现时用到的控制方程弱形式，以及应变率矩阵和刚度矩阵。 （5）进行了微极亚塑性本构模型在有限元软件Abaqus中的数值实现，揭示了天然黏土剪切破坏时的应变局部化现象。首先，基于有限元Abaqus软件，自定义可考虑旋转自由度的四节点单元类型并编写微极亚塑性本构模型的Fortran程序，以及计算结果后处理的子程序，验证了有限元网格划分对该模型计算结果的无关性；其次，基于编写的微极亚塑性本构有限元程序，研究了微极理论中材料的尺寸效应、弱化单元位置、边界条件和土体结构性对剪切带形成与演化机制的影响；最后，将天然黏土的平面应变试验结果与模型数值计算结果进行对比。结果表明，微极亚塑性本构模型可预测黏土的应力应变关系，以及剪切带的形成和演化规律。 |
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