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软土路基双重非线性流—固耦合仿真分析与沉降预测

魏丽敏  
【摘要】:稳定和过量沉降是软土地基工程中必须面对的两大问题。路基的过量沉降或不均匀沉降将导致线路运营条件恶化、乘客舒适度降低、甚至危及行车安全。严格控制工后沉降量是设计和修筑软土路基的技术关键,而合理、准确地预测沉降发展过程,又是经济合理地选择地基处理措施、科学安排施工进度、合理确定路面铺筑时间、有效减少工后沉降的技术基础。本文结合湖南省和广东省的相关科研项目,针对软土路基沉降分析和预测这一课题,基于粘弹塑性大位移问题的双重非线性流—固耦合分析方法,从室内试验、现场监测、理论研究、数值模拟到工程应用,进行了系统深入的探讨。主要工作有: 1.通过室内试验,分析了广东省西部沿海地区软粘土的基本物理力学特性、水理特性、应力—应变特性、应力历史特性等;并通过长期蠕变试验,研究软粘土的流变特性、流变参数、超载预压对软粘土变形规律的影响。 2.基于丰富翔实的现场实测数据,全面地分析了软粘土地基的竖向位移(沉降和分层沉降)、水平位移的发展规律和孔隙水压力的消散规律;获得了“薄层轮加法”施工对软土路基稳定性和变形的影响规律。研究表明,对具有明显流变特征的软粘土地基上分级修筑的路基进行双重非线性流—固耦合分析能更合理地考虑时间、荷载效应对变形的影响。 3.将任意固结度υ_i下土体强度指标φ_i、c_i与常规固结不排水剪试验所得强度指标φ_(cu)、C_(cu)或φ′、c′之间的关系引入Mohr—Coulomb屈服准则,提出了修正Mohr—Coulomb准则。首次提出了有限元分析中考虑软土地基强度随固结度增长的方法,该方法能合理地考虑强度增长对土体应力场、位移场的影响。 4.考虑软土变形的大位移、大应变、流—固耦合及依时性特点,创建了采用粘弹塑(西原)模型模拟土骨架,并采用动态“生”、“死”单元模拟路堤的施工过程,以及考虑强度随固结度增长的软土路基双重非线性流—固耦合分析模型,推导了用于增量分析的连续性方程和U.L.J.格式平衡方程,建立了分析软土路基的双重非线性有限元列式和迭代求解算法,并编制了大型实用化有限元分析程序LSVEP,该程序除了具有上述流—固耦合双重非线性分析与施工过程仿真分析


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