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《西安理工大学》 2000年
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黄土的非线性流变本构模型及其在逆作法工程中的应用

张朝鹏  
【摘要】:逆作法是近十多年来国内在地铁、人防工程和高层建筑深基础工程施工中 开始采用的一种新型施工方法。考虑这种施工方法的地下工程设计目前尚属以经 验成份为主的设计阶段。宝鸡火车站北口地下商场工程是西北黄土地区首例采用 逆作法施工的一项地下工程。为了定量确定该项工程合理的设计参数和优化施工 方案,本文考虑了土的弹、粘、塑性变形性质,在试验确定土的粘弹塑性本构模 型,利用三维有限元数值方法,进行逆作法过程的数值仿真方面,开展了一定的 研究工作,取得了一些有益的成果。 首先,通过工程场地黄土的室内流变试验,揭示了高湿度Q_2黄土具有显著 的非线性流变特性,即:当应力水平低于屈服应力时,应力-应变关系具有线性 粘弹性,其蠕变变形为衰减稳定变形;反之,当应力水平大于屈服应力时,应力 -应变关系为非线性,表现为非线性粘塑性,其蠕变变形是不稳定的变形,是流 变发展过程的主要部分。在此基础上,进一步整理分析试验资料,提出了高湿度 Q_2黄土半经验半理论流变本构模型和数值表达式。该模型是由一个五元件广义凯 尔文模型和一个四元件广义宾哈姆来串联组成,其中五元件的广义凯尔文模型反 映了土的线性粘弹性部分;广义宾哈姆模型描述了土的非线性粘塑性流变特性。 为了应用黄土的非线性本构模型解决工程问题,本文运用土体的三维非线 性流变的分析理论和方法,对黄土的非线性流变本构模型进行了有限元解析,在 此基础上,研制了面向对象的土体三维非线性流变分析程序。该程序选用了三维 空间20节点六面体等参元,能够考虑材料的弹性变形、粘弹性变形;粘塑性变 形以及它们耦合作用的非线性流变;能够模拟施工中的分步开挖;能够计算土体 中塑性区随时间的发展过程;能够输出研究者指定工程关键部位的位移、应力和 变形。 最后利用研制开发的非线性流变分析程序,对宝鸡火车站北口地下商场工 程施工过程进行了三维非线性流变分析,分析结果表明:设计推荐的逆作法施工 方案在施工过程中没有产生较大塑性区,而且没有引起周围地面过大的水平位移 和地面沉降,土体和结构满足稳定要求,设计施工方案可行,另外,还提出了进 一步优化施工的建议。
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