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软粘土蠕变试验与本构模型辨识方法研究及应用

邓志斌  
【摘要】: 路堤沉降预测机理研究是软弱地区公路建设中十分重要课题之一。文中针对自上至下由高液限土、软粘土组成的特殊路基,采用试验研究、理论分析、公式推导、数值仿真等技术手段开展了高路堤沉降分析及预测研究,最后以湖南竹城公路为工程背景,进行工程实例分析。主要研究工作如下: 第一、软粘土蠕变试验及结果分析 1开展室内土工物理力学性质试验,掌握高液限土以及软粘土的强度与变形特性;在此基础上,进行软粘土不同固结应力下单向固结蠕变试验以及不同围压、不同加载等级下三轴固结不排蠕变试验,得到全过程蠕变试验曲线及孔压发展曲线;详细分析了陈氏法处理后的土样蠕变曲线、应力-应变等时曲线及应变率-偏应力曲线。 2基于三轴蠕变试验分别采用著名的经验模型Singh-Mitchell蠕变模型、Mesri蠕变模型及其二者修正模型对试验结果进行预测与对比,但拟合误差较大。鉴于此,本文试图建立新的蠕变本构模型进行理论分析,即应力-应变关系采用幂函数,应变-时间关系采用双曲线函数。该模型的优点是参数少,且对竹城公路软粘土蠕变试验结果的拟合精度较高,经验模型在工程实践中具有一定的应用价值,但缺乏严密的理论根据,对有限元工程数值分析却显得困难。需要进一步研究适合于有限元数值分析的本构模型。 第二、基于遗传算法与层叠模型的软粘土本构关系辩识原理研究 1研究遗传算法与弹粘塑性有限元程序相结合进行参数辨识的原理,编制了相应的辨识程序GAPD,由此得出结论:遗传算法应用于岩土弹粘塑性本构模型的参数辨识是可行的。 2基于层叠模型与遗传算法软粘土本构关系辩识原理研究,编制了相应的数值分析软件,结合室内三轴蠕变试验结果,辩识结果表明七参数层叠模型适合于竹城公路软粘土地基沉降分析。 第三、路基沉降工程实例分析 文中选取竹城公路K8+270高路堤工程地质断面进行工程实例分析路基沉降规律,分别采用如下方法分析:①层叠模型有限元法(七参数层叠模型);②分别考虑和不考虑蠕变特性的大型通用有限元程序Plaxis;③工程实践中常用的分层总和法。通过分析比较,得到有益于指导实际工程设计、施工的结论。 总之,本文通过大量的蠕变试验,探讨了路基软粘土的蠕变变形与强度特性及其影响因素;寻求了合适的蠕变模型,包括层叠模型、经验蠕变模型以及屈服面蠕变模型以及这些蠕变模型的参数确定方法;将这些模型与有限元数值分析相结合,发展了多种能够反映软粘土蠕变特性的路基沉降计算方法。本文的研究工作为提高软粘土路基设计水平提供了理论基础,不仅具有较高的学术价值,而且具有较高的工程应用意义。


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