软土直剪蠕变试验分析与本构模型研究

发布时间：2020-03-30 18:18

【摘要】：软土在我国主要分布于湖泊、江河的中下游及沿海的三角洲地区,其较强的蠕变特性对实际工程中建筑物的工后沉降有着极大影响。随着珠江三角洲地区沿海、沿江等地城市化的快速发展,也带动了大量软土工程的开发利用,同时许多穿过甚至构筑在软土地基层上的建筑基础,可能会随着软土长期蠕变特性而产生过大的工后不均匀沉降,这将成为建筑物安全使用和稳定性方面的潜在威胁。合适的蠕变本构模型能够准确、真实的反映出蠕变过程中应力、应变与时间的变化关系,也能更好的预测实际工程中软土变形发展。由于不同区域土层的沉积环境不同,使得各地区软土成分较复杂,相应的蠕变特性及本构模型也不尽相同。基于此,本文以广州萝岗原状软土为研究对象,采取室内直剪蠕变试验与流变学理论相结合的方法,从宏观蠕变力学特性行为和机理出发,对软土蠕变特性及其本构模型展开深入探讨。本文主要研究工作和结论有如下几个方面:(1)采取室内直剪蠕变试验对萝岗原状软土蠕变特性展开了研究。试验结果表明,分级加载作用下萝岗软土的剪切应变随时间的增加呈阶梯状的变化趋势;萝岗软土在各级荷载的加载瞬间都会产生瞬时剪切变形,且该变形与时间无关;在较低剪应力下,萝岗软土蠕变变形较小,变形在较短时间内达到稳定状态,主要表现为衰减蠕变特征;在中等和较高剪应力下,萝岗软土既有明显衰减蠕变特征,也有等速蠕变过程,且剪应力越高,等速蠕变时间越长,蠕变变形达稳定也越久;萝岗软土具有显著的蠕变特性,其蠕变变形随应力的增加而越明显,相应的蠕变时间也越长。(2)基于萝岗软土应变-时间关系曲线,对比分析了三种典型的线性流变本构模型对试验曲线的拟合效果。分析发现,Merchant模型只有在较低和较高剪应力水平下的模拟效果较好;Burgers模型在各剪应力水平下拟合效果均不理想;五元件广义Kelvin模型能较好的描述各蠕变曲线变化特征。由于线性流变本构模型中拟合参数值是随应力而变化的,且任何一组线性流变本构模型参数下的本构方程均不能完全模拟蠕变曲线过程,说明线性流变本构模型不能较准确、方便的描述软土蠕变特性。(3)以萝岗软土蠕变的应力-应变等时曲线为基础,对萝岗软土蠕变过程的非线性特征进行分析。当剪应力小于屈服应力,萝岗软土蠕变过程则以粘弹性蠕变特性为主;当剪应力大于屈服应力,萝岗软土蠕变过程开始呈现粘塑性蠕变特性;萝岗软土的整个蠕变过程具有显著的非线性特征,且随着时间的推移越发明显。(4)基于线性流变模型拟合效果和蠕变柔量与时间变化关系曲线的分析结果,推导建立了软土的非线性蠕变本构模型。考虑土体蠕变的非线性,把萝岗软土蠕变变形简化为线性粘弹性、线性粘塑性和非线性粘塑性三部分;对线性粘弹性选取五元件广义Kelvin模型建模,线性粘塑性部分则采用一个摩阻滑块并联一个独立弹簧再与一个Maxwell体并联的组合蠕变模型描述,而非线性粘塑性选用幂函数经验模型模拟;结合以上三个模型,从而推导建立一个半理论半经验的非线性蠕变本构模型,并通过Origin9求解出固定的13个模型参数值,克服了线性流变本构模型参数取值的变化性,且并较好的拟合了各直剪蠕变试验曲线结果。此外,通过该模型对广州南沙地区天然软土蠕变变形的预测,并取得了较好的吻合效果,验证了该非线性蠕变本构模型用于描述珠三角地区软土蠕变变形过程的合理性和适用性。
【学位授予单位】：广州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU41

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本文编号：2607881