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基于多孔介质理论的饱和软土弹塑性固结沉降研究

杨全虎  
【摘要】:固结理论是土力学基本课题之一。从1925年Terzaghi提出一维固结理论到1941年Biot提出三维静力固结理论以来,固结理论主要围绕着对这两种固结理论的完善而展开,主要是考虑土的非线性性质,引入土的非线性本构模型和考虑孔隙流体的粘性与可压缩性,在固结理论方面并没有突破性的进展。现代多孔介质理论是基于混合物理论发展而来的描述多孔多相体力学行为的力学理论,它遵循严格的热力学关系,具有数学推理严密,理论体系完善的特点。软土在我国广泛分布,软粘土的显著特性是含水量高、孔隙比大,抗剪强度及渗透系数低和压缩性、灵敏度高。软土的变形受到形成原因、沉积历史、固结压力大小、应力历史和应力路径等诸多因素的影响。随着经济建设的快速发展,越来越多的道路、桥梁、隧道、地铁和工建项目选址在软土地基上,在将传统固结理论应用到软粘土时,已经发现在某些情况下有较大的误差。国内外已有大量的由于软土地基破坏失稳造成的经验教训。 论文在查阅大量文献的基础上,首先总结了国内外有关土力学,软土固结理论和多孔介质混合物理论的研究进展及其概况。通过分析软土的特殊构成和独特物理力学性质,作者分析指出了Terzaghi固结理论和Biot固结理论的特点及其缺陷,指出其适用范围。根据软土的多孔多相性质,作者引入多孔介质混合物理论,把饱和软土视为固液两相多孔介质,给出了饱和软土的两相多孔介质模型。该模型从严格的热力学原理出发,具有严密的理论论证体系,能够反映固结沉降的基本物理现象。软粘土土骨架的变形具有弹塑性、粘塑性特点,作者在文中总结分析了土的材料模型的发展概况,重点分析了非线性弹性模型和弹塑性模型的研究进展,指出了模型的适用性。在引入软粘土土骨架的弹塑性变形性质后,作者利用Galerkin加权残值法推导了饱和软土两相多孔介质模型场方程的有限元平衡方程,利用罚参数法,可以求得孔隙水压力。最后,作者用有限元程序计算了一个算例,并对计算结果作了分析研究。


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