【摘 要】
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沿海及内陆沿湖沿江地区广泛分布着深厚的软黏土地层,这些软黏土含水量大、承载力低、流变性强。随着地区经济的快速发展,越来越多的大型建(构)筑物修建在软黏土地层上,这些软土工程可能会因为土的强流变性而出现工后沉降过大、沉降不均匀以及承载力不足等问题,引发工程事故。本文从力学特性研究、理论模型研究以及数值分析研究三个方面对饱和软黏土流变特性进行深入研究。主要工作总结如下:(1)开展了饱和软黏土流变特性试
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沿海及内陆沿湖沿江地区广泛分布着深厚的软黏土地层,这些软黏土含水量大、承载力低、流变性强。随着地区经济的快速发展,越来越多的大型建(构)筑物修建在软黏土地层上,这些软土工程可能会因为土的强流变性而出现工后沉降过大、沉降不均匀以及承载力不足等问题,引发工程事故。本文从力学特性研究、理论模型研究以及数值分析研究三个方面对饱和软黏土流变特性进行深入研究。主要工作总结如下:(1)开展了饱和软黏土流变特性试验研究。采用GDS应力路径三轴仪对杭州软黏土进行了三轴等应变率剪切试验、不排水蠕变试验和超固结剪切蠕变试验,系统地研究了杭州软黏土的应变率效应、长期蠕变特性以及超固结状态下土体蠕变特性。单级应变率加载试验在200 k Pa围压下进行,结果显示在2%/h、4.5%/h和10%/h加载速率下,杭州软黏土抗剪强度分别为91.5 k Pa、98.5 k Pa及115.5 k Pa,这表明加载速率会影响软黏土抗剪强度,加载速率越大强度越高,多级应变率加载试验结果也证明了这一结论。长期蠕变试验结果表明,应力水平越大,软黏土蠕变特性越明显。超固结蠕变试验结果表明,软黏土的超固结比越大,其蠕变系数越小,二者之间存在指数函数关系。这也证明通过超载预压法可以有效地减小软黏土工后沉降。(2)建立了软黏土一维流变本构模型。针对软黏土非线性力学特性,引入分数阶微积分理论得到基于Caputo微分算子的非线性元件,获得分数阶Merchant流变本构模型;另外根据杭州及湖州软黏土超固结蠕变特性,考虑剪切蠕变系数与超固结比之间函数关系,在弹粘塑性模型理论框架下建立了超固结剪切流变本构模型。经验证两个模型都能较好地反映土体非线性蠕变特性,所建立的超固结剪切流变本构模型可以较好地反映超固结比对软黏土蠕变特性的影响。(3)建立了软黏土三维弹粘塑性本构模型。借鉴Perzyna过应力理论思想,分别采用双屈服面以及单一连续屈服面的形式建立了两种不同的弹粘塑性本构模型。新的模型可以同时考虑反映体积压缩机制的压缩流变和反映剪切膨胀机制的剪切流变。两种模型建立过程中采用并拓展了Yin-Graham等效时间法,将真实时间转化为应变率的形式,所建立的模型是率相关本构模型,能够反映应力历史及应力路径的影响。通过长期蠕变试验和多级等应变率加载试验验证了模型的有效性。(4)分析了单层地基一维流变固结规律。引入分数阶Merchant模型,建立考虑土体流变特性和土体自重影响的单层地基一维流变固结理论控制方程。采用Laplace变换得到Laplace域内控制方程解析解,进一步采用Laplace数值反演方法(AFT方法)得到时间域内流变固结应力及沉降解答,采用退化验证以及试验验证方式对固结方程合理性进行验证。分析了考虑自重应力及不考虑自重应力情况下土体固结过程。探讨了分数阶阶次α、黏滞系数η以及弹性模量比R对固结沉降发展的影响。(5)分析了复杂荷载及排水边界条件下成层地基流变固结规律。拓展单层地基一维流变固结理论应用于成层地基,以任意形式荷载扩展了地基荷载条件、以连续排水边界条件拓展了地基排水边界条件,建立了复杂工况下成层地基流变固结控制方程。采用Laplace变换及数值反演方法得到固结方程应力及沉降半解析解答,对成层土地基模型进行验证。分析了瞬时荷载、单级施工荷载以及周期荷载三种荷载工况下流变固结过程,得到了边界参数b、粘性参数θ等模型参数对地基沉降以及固结度的影响。(6)进行了流变本构模型UMAT有限元开发应用。以ABAQUS有限元软件为平台,在UMAT子程序接口中通过Fortran语言实现了分数阶Merchant模型有限元开发。后将有限元子程序导入至ABAQUS中,对不同应力水平下三轴蠕变试验进行了模拟,通过有限元计算结果与试验结果的对比验证了UMAT子程序的合理性;接着将此有限元子程序运用到工程案例中,建立了软黏土一维流固耦合固结工程以及三维路堤堆载工程数值模拟,来考虑软土工程在长期荷载作用下软黏土地层蠕变特性。
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