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我国东南沿海分布着深厚的软粘土地层,对软粘土特别是湛江地区的软粘土进行深入探讨,对于该地区地基上的岩土工程设计、施工和运营维护都具有重要的现实意义。以往的研究表明湛江软粘土是一种典型的天然沉积强结构土,具有独特的物理力学性质,前人曾对其进行微观结构、物质组成、物理化学特性、工程特性、赋存规律以及各种微观和宏观力学特性进行了系统的研究,但多以试验研究为主,本文侧重于对其力学特性进行理论分析,主要对其蠕变性状的描述模式进行理论探讨,研究内容与成果如下:
首先,提出了能同时描述应变硬化型q~ε1曲线和应变软化型q~ε1曲线的一种新的模式,并推导了相应的切线模量的公式,探讨了如何简化该模式和确定参数的方法,以及参数与应力水平的关系。
其次,在湛江软粘土一维蠕变试验的基础上,用等时曲线近似方法确定了湛江软粘土的几种屈服极限,基于多种元件模型,采用Matlab反演了湛江软粘土蠕变参数,寻找最优的湛江软粘土一维蠕变模型;在湛江软粘土室内三轴剪切蠕变试验数据的基础上,研究了湛江软粘土的蠕变特性,通过分析蠕变曲线的规律,从广义Kelvin模型和西原模型及线性粘弹塑性模型中选择最优模型来描述该软粘土的蠕变特性,建立了适合湛江地区软粘土的理论模型和经验模型,并对模型的应用进行了探讨。
再次,根据应变硬化-软化模型,提出了一种新的塑性元件,将该元件与广义Kelvin模型串联,推导了相应的粘弹塑性本构关系,给出了模型参数的求解方法。以遗传流变理论为依据推导出软粘土的蠕变模型,提出了一种新的蠕变核函数,分析了该模型能精确描述软粘土蠕变变形的原因。针对湛江软粘土蠕变等时曲线具有折线形式,提出一种适合湛江软粘土的新经验模型。此外,还将尖点突变模型和燕尾突变模型应用于软粘土三轴蠕变的变形分析,得到了相应的蠕变性状描述模式。
最后,对改进的西原模型进行了二次开发,利用Mohr-Coulomb屈服准则推导出用于数值计算的粘弹塑性材料的差分公式,并添加到FLAC3D程序中。SMP准则的物理意义最为明确,但因屈服函数表达式是非线性形式而难以有效开发,利用FLAC3D的二次开发平台,使用VC++环境在FLAC3D软件中实现了含SMP强度准则的粘弹塑性模型的开发。鉴于描述岩土材料的蠕变特性经常用到广义Kelvin模型,根据FLAC3D软件提供的二次开发平台,利用VC++环境在FLAC3D软件中实现了含N个Kelvin元件的线性粘弹性模型的开发。结合一种新的强度准则与线性粘弹性模型,利用湛江软粘土三轴蠕变试验数据对该种粘弹塑性模型的二次开发的合理性进行了验证,探讨了蠕变参数的取值方法,并初步分析了其在具体工程中的应用效果。