軟土路基雙重非線性流—固耦合仿真分析與沉降預(yù)測(cè).pdf

1、穩(wěn)定和過量沉降是軟土地基工程中必須面對(duì)的兩大問題。路基的過量沉降或不均勻沉降將導(dǎo)致線路運(yùn)營(yíng)條件惡化、乘客舒適度降低、甚至危及行車安全。嚴(yán)格控制工后沉降量是設(shè)計(jì)和修筑軟土路基的技術(shù)關(guān)鍵，而合理、準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)沉降發(fā)展過程，又是經(jīng)濟(jì)合理地選擇地基處理措施、科學(xué)安排施工進(jìn)度、合理確定路面鋪筑時(shí)間、有效減少工后沉降的技術(shù)基礎(chǔ)。本文結(jié)合湖南省和廣東省的相關(guān)科研項(xiàng)目，針對(duì)軟土路基沉降分析和預(yù)測(cè)這一課題，基于粘彈塑性大位移問題的雙重非線性流—固耦合分析方

2、法，從室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、理論研究、數(shù)值模擬到工程應(yīng)用，進(jìn)行了系統(tǒng)深入的探討。主要工作有： 1.通過室內(nèi)試驗(yàn)，分析了廣東省西部沿海地區(qū)軟粘土的基本物理力學(xué)特性、水理特性、應(yīng)力—應(yīng)變特性、應(yīng)力歷史特性等；并通過長(zhǎng)期蠕變?cè)囼?yàn)，研究軟粘土的流變特性、流變參數(shù)、超載預(yù)壓對(duì)軟粘土變形規(guī)律的影響。 2.基于豐富翔實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，全面地分析了軟粘土地基的豎向位移(沉降和分層沉降)、水平位移的發(fā)展規(guī)律和孔隙水壓力的消散規(guī)律；獲得了“薄

3、層輪加法”施工對(duì)軟土路基穩(wěn)定性和變形的影響規(guī)律。研究表明，對(duì)具有明顯流變特征的軟粘土地基上分級(jí)修筑的路基進(jìn)行雙重非線性流-固耦合分析能更合理地考慮時(shí)間、荷載效應(yīng)對(duì)變形的影響。 3.將任意固結(jié)度Ui下土體強(qiáng)度指標(biāo)φ、c與常規(guī)固結(jié)不排水剪試驗(yàn)所得強(qiáng)度指標(biāo)cu、ccu或'、c′之間的關(guān)系引入Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，提出了修正Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。首次提出了有限元分析中考慮軟土地基強(qiáng)度隨固結(jié)度增長(zhǎng)的方法，該方法能合理地

4、考慮強(qiáng)度增長(zhǎng)對(duì)土體應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)的影響。 4.考慮軟土變形的大位移、大應(yīng)變、流—固耦合及依時(shí)性特點(diǎn)，創(chuàng)建了采用粘彈塑(西原)模型模擬土骨架，并采用動(dòng)態(tài)“生”、“死”單元模擬路堤的施工過程，以及考慮強(qiáng)度隨固結(jié)度增長(zhǎng)的軟土路基雙重非線性流—固耦合分析模型，推導(dǎo)了用于增量分析的連續(xù)性方程和U.L.J.格式平衡方程，建立了分析軟土路基的雙重非線性有限元列式和迭代求解算法，并編制了大型實(shí)用化有限元分析程序LSVEP，該程序除了具有上述流—

5、固耦合雙重非線性分析與施工過程仿真分析功能外，還提供了多種方法計(jì)算路基施工過程中不同時(shí)刻的地基固結(jié)度，以供工程現(xiàn)場(chǎng)依據(jù)不同情況選用。 5.對(duì)計(jì)算中涉及到的9個(gè)參數(shù)進(jìn)行深入了的參數(shù)敏感性分析，從而了解了各參數(shù)變化對(duì)軟土路基施工過程中的地表沉降、分層沉降、水平位移、孔隙水壓力等發(fā)展趨勢(shì)的影響規(guī)律和影響程度，得出各參數(shù)對(duì)地基沉降量影響的敏感度順序從高到低依次為：泊松比u、滲透系數(shù)k、內(nèi)摩擦角、彈性模量Ee、粘塑性流動(dòng)系數(shù)γvp、粘聚力

6、c、水平與豎向滲透系數(shù)比值k1/k2、粘彈性模量Eve、粘彈性流動(dòng)系數(shù)γve。 6.在本文提出的雙重非線性流-固耦合力學(xué)模型基礎(chǔ)上，建立了適用于多種觀測(cè)信息的可變?nèi)莶罘ㄇ蠼鈪?shù)的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型和確定軟土路基計(jì)算參數(shù)的反分析方法，研制了相應(yīng)計(jì)算程序BAVEP；首次結(jié)合Monte-Carlo法獲得全局最優(yōu)解，較好地解決了可變?nèi)莶罘ㄒ子谙萑刖植孔顑?yōu)解的難題；為方便工程應(yīng)用，進(jìn)一步創(chuàng)立了適合于軟土路基參數(shù)反分析的“分階段多層次動(dòng)態(tài)施工參數(shù)

7、反分析技術(shù)”。實(shí)際工程應(yīng)用表明，該方法實(shí)用有效，所得參數(shù)能綜合反映現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件、土層分布、排水特性、加載歷程等影響，理論計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合良好，驗(yàn)證了本文方法的正確性和程序的可靠性。 7.運(yùn)用研制的反分析程序BAVEP反分析確定計(jì)算參數(shù)，再利用雙重非線性流—固耦合仿真分析程序LSVEP對(duì)軟土路基進(jìn)行沉降預(yù)測(cè)，建立了軟土路基沉降預(yù)測(cè)的有機(jī)體系——參數(shù)反分析沉降預(yù)測(cè)法，并與擬合曲線法、不等時(shí)距等維新息GM(1，1)灰色模型的預(yù)測(cè)沉