川农学子探索纳米二氧化硅改良土损伤本构模型

四川文化网成都8月6日电（通讯员 曹波）为丰富实践经，在此次暑假中，我团队（奋勇向前暑假实践团队）开展了暑假实践。
近年来，随着城市交通的快速发展导致对土石等混合材料的需求越来越大，同时，随着全球环境保护的不断推进，工程建设活动引起的生态问题已经不能再忽视。在工程建筑中，为了使土的强度、稳定性满足工程施工的各项标准，采用各种方式对土体进行改良，常见的主要有石灰、水泥、微生物等改良材料。这些材料均存在细微不足。纳米二氧化硅比表面积高、经济效益好、对环境影响较小、加入土体中不发生化学反应等因素，尝试将其作为砂土的改良材料。我们此次暑假实践的主题是基于能量耗散理论的纳米二氧化硅改良土损伤本构模型。进一步研究改良土在荷载作用下的能量转化规律与损伤之间的关系，对改良土进行加卸载试验。
首先我们做的是改良土的力学特性试验。我们先做的是土的颗粒分析实验，颗粒分析试验对于土工试验来说是基础且重要的一个试验项目，不仅能较快知道土中各粒组含量，还可以对粘粒含量进行定量分析，为土体分类、土的工程性质定义和地基液化的判定等工作提供重要依据。我们通过使用不同孔径大小的筛来分离实验所用的土体，直径分别为10mm、5mm、2mm、1mm、0.5mm、0.25mm、0.075mm，再将各部分的土称重，求出在总量中所占比重。然后我们做的是土的击实试验，准确了解填料的压实特性，对于保障路基填筑质量是非常必要的。压实特性与填
料的含水率密切相关，因此通过试验得到土体不同含水率与干密度的关系曲线非常重要。由于本次试验所用土体按照规范划分为细砂土，所以本次采用轻型击实试验。通过击实试验获得所取土的干密度和最优含水率，为工程建设提供重要依据。我们先通过轻型击实仪来击实土壤，再通过计算算出土壤不同含水率条件下实验所得的干密度，进行比较并作图。最后是通过三轴测试仪来进行纳米二氧化硅含量常规三轴试验，三轴剪切试验即三轴压缩试验，能够反映试样发生变形破坏的全过程，是用来研究强度变化和应力应变关系的依据。因此为研究改良土的强度及变形特性，通过对 SiO2含量在 0~4.5%范围内的土体进行一系列三轴试验，利用试验结果分析改良土的变形和强度特性。

图为土壤的筛分。 摄 曹波 摄

图为土壤的筛分。 曹波 摄

然后我们进行的是纳米二氧化硅改良土的能量演化规律的相关实验。为了研究改良土的能量演化规律，在不同围压下对改良土进行加卸载试验。通过三轴加卸荷载试验，分析纳米二氧化硅改良土的应力应变关系。我们共进行了四个围压的加卸载试验和常规加载试验，并对试验获得的应力应变曲线进行了分析。通过应力应变曲线分析加卸载与常规加载曲线得差异性、加卸载曲线的区别、卸载弹性模量的变化规律、土体内部各能量的变化规律、残余应变的变化，最终再相互联系进行总结，得出结论。

图为加荷载实验。 曹波 摄

图为加荷载实验。 曹波 摄

最后便是基于能量角度建立损伤本构模型。我们通过对以上两个实验的参数的确定与分析比较，进行本构模型的建立，并进行了验证。土体的损伤从本质上来说就是内部能量变化的过程。已有不少学者从能量角度研究损伤，如谢和平基于应变能释放建立的岩石整体破坏准则，金丰年基于耗散能定义损伤变量并确定损伤阈值，这说明从能量角度研究损伤是可行的。因此，我们基于前面的对能量的分析基础上研究土体损伤特性，并建立相关的数学表达式描述损伤演化规律。针对加卸载过程应力-应变曲线的发展特性，峰值应力后土体仍然具有一定的弹性能，土体具有一定的强度，对损伤本构模型进行修正。总体的过程即为先基于能量角度建立损伤本构模型，再对参数进行确定及分析，最后进行模型的验证。
通过本次的暑假实践，我们团队清晰的学习到了基于能量耗散理论的纳米二氧化硅改良土损伤本构模型的建立过程。