粘土的數值建模與固結問題研究.pdf

1、近些年來，地下水滲流導致的地表沉降問題受到廣泛關注，這種由滲流引起的地表沉降屬于固結問題，是巖土工程中的一類重要的研究課題。飽和土的固結實際上是土骨架變形場與孔隙流體滲流壓力場耦合作用的過程，其規(guī)律十分復雜。這種耦合效應與兩個物理場的本構關系緊密相關，特別地，土介質的本構關系的合理性是分析此類問題的關鍵。 隨著對巖土本構關系研究的深入，經典Biot 理論中土體采用彈性應力應變關系的假定逐漸被一些非線性本構關系取代，如Duncan

2、-Chang 模型、劍橋模型等，將Biot 固結理論由線性推向了非線性。但是，目前巖土本構模型多是根據特定路徑試驗結果通過數學推演而來，并不能定量地反映出巖土材料在不同應力歷史、應力路徑下的土的應力應變關系特性。因而現有的固結問題的研究還不能令人滿意，如將某一特定路徑下的非線性本構關系運用到各種不同路徑的工程分析之中，必然會產生不合理的結果。 為了能更好解決上述問題，本文采用數值建模的方法建立粘土的彈塑性本構關系，并基于此模型對

3、彈塑性固結問題做了理論和數值研究，主要工作如下： 首先，在多路徑三軸試驗基礎上建立多路徑彈塑性本構模型。考慮到天然沉積粘土的初始固結條件千差萬別，有的接近等壓固結狀態(tài)，大多數則是0 K 固結狀態(tài)，這種不同的應力歷史實際上就是應力路徑的不同，會導致應力應變關系的差異，本文對武漢地區(qū)粘土進行了不同初始固結條件、不同排水條件下的四種路徑的三軸試驗，分析了粘土的最基本力學特性。根據這些特性，確定本構模型框架，以對應的試驗數據構成數據空間

4、反演模型參數空間，獲取了不同路徑下粘土的彈塑性本構關系。并將本構模型可視化，得出整個應力場( , ) p q 中的模型的三維視圖及相應的屈服軌跡線。從這些不同路徑下彈塑性本構模型的三維視圖可以清晰地看出不同應力歷史、應力路徑對土介質本構關系的影響是明顯的。 另外，基于本文彈塑性模型推導了適用于軸對稱及平面應變問題的統(tǒng)一應力應變矩陣式，對兩種初始固結狀態(tài)下三軸試驗過程做了數值模擬，與試驗結果以及幾種經典非線性本構關系（如Dunca

5、n-Chang 模型、Cam-Clay 模型等）的數值模擬結果進行了對比，通過對比可以看出本文模型有更好的全局穩(wěn)定性以及容錯性，能更好的吻合了試驗曲線，不會因為部分試驗數據的誤差導致分析結果出現較大偏離。 第三，將本文建立的彈塑性本構關系引入Biot 固結理論，建立了適應于彈塑性固結問題的增量控制方程，并對該問題采用了兩種方式進行了求解。第一種方式是解耦解答，另一種解答方式是耦合分析。 在解耦分析中，針對有些土介質可能出

6、現的剪脹效果不太明顯的特點，采用平均主應力p Δ與體應變v εΔ之間為非線性關系的假定，結合工程實際可能出現的應力路徑，推導出該問題的解耦條件，并在對應路徑下對地基沉降問題進行了數值模擬，對比研究了在解耦條件下，不同應力路徑對固結沉降以及孔壓變化的影響，并比較了本文模型與Cam-Clay 模型在該問題解答時表現出的特點。證明了該解耦方法的能較好預測孔壓以及沉降的變化，并在分析過程中能較好反映應力路徑及剪脹性等特性的影響。 在耦合

7、分析中，根據本文模型的特點，將每一荷載增量步看作單位時間完成，對應當前增量步的體變分量作為分析參數代入連續(xù)方程，建立了基于數值模型的孔壓變化方程，根據工程中最常見的兩類問題（軸對稱及平面應變問題）推導出基本解，結合土骨架的控制方程建立了此類液－固耦合問題的半解析半數值解答體系，編制了有限元程序，從而實現了從建立本構關系到模擬固結問題的全數值方法。通過不同應力路徑下的固結算例對比分析表明，該方法簡單合理，并能考慮土的應力路徑對地基水平位移

8、、沉降變形及孔壓變化的影響。 結合本文的粘土和砂土彈塑性本構關系以及上述的耦合解答模式，將本文的分析模式拓展至分層地基進行研究，對兩種不同的雙層地基固結問題做了詳細對比分析，得出了兩個結論：（1）不同應力路徑對雙層地基固結規(guī)律的影響與單一介質地基類似；（2）上層地基的滲透性及剛度等特性對雙層地基的固結起決定作用。 總之，如何在本構模型中體現土的基本變形特性，諸如應力歷史、應力路徑及剪脹性等，是非常重要的，特別在固結分析中