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深圳地区花岗岩残积土非饱和力学特性及其本构模型的应用研究

刘一奥  
【摘要】:我国沿海区域的花岗岩受气候和地形影响风化强烈形成残积土,对其水力、力学、变形特性及本构模型进行研究时,除了要考虑残积土本身的复杂工程性质外,更不能忽视其非饱和性。我国深圳地区是花岗岩残积土分布的主要地区,“粤港澳”大湾区的建设,大批新建、新修、新改工程不断涌现。花岗岩残积土大部分土体都处于非饱和状态,其力学特性不同于饱和土体。在基坑工程中随着地下水位的降低,土体由饱和状态变为非饱和状态,在这个过程中其力学性质会发生显著变化。相反,土体饱和度的增加不仅会因土体有效应力减小而劣化土体强度,还会使土体自身属性发生改变,例如屈服面的扩展或缩小。采用饱和土的本构关系计算土的变形规律显然存在很大的误差。因此,很有必要对这种土的非饱和力学特性进行系统的研究,完善适用于描述花岗岩残积土的非饱和力学特性的本构模型。目前对流-固耦合作用下基坑的失稳研究多基于饱和土的有效应力原理,考虑饱和度变化引起土体材料性质改变的研究较少,因此构建非饱和土体材料的本构模型并应用到实际基坑工程中具有重大意义。论文以深圳地区的花岗岩残积土为研究对象,对花岗岩残积土进行水力、变形和强度特性的相关试验研究。以修正剑桥模型为基础,构建了适用于花岗岩残积土的非饱和二次修正剑桥模型。基于流-固耦合计算原理,在ABAQUS程序中进行二次开发实现了非饱和二次修正剑桥模型对深圳地区某一基坑工程的数值分析,为类似工程的实践提供参考。论文的主要研究成果及结论如下:(1)通过GEO-Experts应力相关的土-水特征曲线压力板仪测试了花岗岩残积土试样的土-水特征曲线,获得了残积土的土水特征。分析不同竖向应力、颗粒级配和干湿循环作用下的土-水特征曲线变化规律,其中竖向应力对土-水特征曲线的影响最为显著,有竖向应力作用的土样孔隙率和饱和度减小,土-水特征曲线总保持在无竖向应力作用的SWCC曲线之上,且原状样受竖向应力作用比重塑样敏感。颗粒级配对土-水特征曲线的整体影响较弱,粗颗粒增多会减小土-水特征曲线的进气值。土样在干湿循环中滞回效应明显,滞回圈的面积随干湿循环次数和竖向应力的增加而显著减小,在3次干湿循环后滞回圈有消失的趋势。用Van Genuchten模型、Fredlund-Xing模型和Gardner模型拟合对比后发现,Van Genuchten模型拟合效果最突出,基于拟合模型和模型参数预测出非饱和花岗岩残积土的抗剪强度公式和渗透系数曲线,分别应用于第4章的强度验证和第6章的基坑数值模型。(2)采用GDS非饱和三轴仪开展了花岗岩残积土重塑试样的非饱和三轴剪切试验,分析不同颗粒级配、净围压和基质吸力对土样的强度和变形特性的影响。非饱和重塑土的应力-应变曲线形态受基质吸力和净围压共同影响而大多表现为应变硬化,只有在高基质吸力,低净围压条件时曲线才出现应变软化,随着基质吸力和净围压的提高,重塑土强度在不断增大,并且随着基质吸力和净围压的提高,体变量也在不断增加,剪胀现象只在低基质吸力和低净围压的条件下才会出现。粗颗粒含量增加会降低重塑土的持水能力,在相同基质吸力下试样含水率降低而表现为强度增大。相对于基质吸力与净围压而言,颗粒级配对非饱和重塑土的应力应变、强度变形影响微弱。试验获取的抗剪强度参数既可以对第3章土-水特征曲线预测结果进行验证,也为本文第5章提出的本构模型提供了试验支撑。(3)在修正剑桥模型的基础上提出了非饱和二次修正剑桥模型,考虑了土体的拉伸屈服强度P_t和应变强化的影响系数β,前者将屈服面整体左移,后者将屈服面向右扩展。同时推导出非饱和二次修正剑桥模型的雅可比矩阵用来提高数值建模的收敛性。在渗流-力耦合求解框架下,开发非饱和二次修正剑桥模型UMAT子程序并嵌入到ABAQUS中。应用USDFLD子程序实现求解过程中土体饱和度对非饱和二次修正剑桥模型屈服面的控制。并在ABAQUS中对不同基质吸力下的三轴试验进行模拟,与室内试验结果对比来验证其模型的合理性和FORTRAN语言编辑的准确性。(4)构建仅考虑单一力场和考虑渗流-力耦合场作用下的两类基坑模型,前者使用修正摩尔库仑本构模型描述基坑土体,后者则采用本文提出的非饱和二次修正剑桥本构模型,分别开展对花岗岩残积土地区某基坑工程的数值模拟与验证。对不同连续墙嵌固深度下的两类基坑模型计算结果进行对比分析,以桩顶位移、桩身位移和周边土体沉降作为基坑失稳破坏的依据,得到两类基坑工程连续墙的最优嵌固深度。对于采取非饱和二次修正剑桥模型的基坑连续墙嵌固深度的获取,则通过开展大型室内物理模型试验来进一步研究。其研究结果对深圳地区的连续墙内支撑式支护结构基坑工程具有指导作用,并可为大湾区等其它地区提供工程参考。


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