长期循环荷载作用下软黏土的蠕变特性及工程应用研究

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在我国的长江口、珠三角、天津滨海等海岸地区,广泛分布着软黏土地基,随着沿海地区的快速发展,越来越多的构筑物需要建设在这类软土地基之上,其含水量高、压缩性强、渗透性差,具有显著的蠕变特性。土体的蠕变特性导致诸多建立在软黏土地基上的建筑物出现沉降时间过长、沉降量过大等不良现象,严重威胁建筑物的长期稳定性。而由于软黏土不同的颗粒成分、沉积环境、地质历史等因素,其蠕变特性表现出明显的地域特征,同时近海建筑物受波浪等长期循环荷载作用,更增加了蠕变问题的复杂程度。因此,开展对长期循环荷载作用下软黏土蠕变特性的研究,建立合理的蠕变本构关系,探讨正确的数值分析方法预测蠕变变形引起的长期沉降,具有重大的学术研究意义和工程实用价值。
  本文以天津滨海地区软黏土为例,采用试验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法系统地研究了软黏土的蠕变特性,具体研究内容和所取得的成果如下:
  (1)在已有的室内三轴固结不排水蠕变试验的基础上,开展了一系列长期循环荷载作用下软黏土的室内三轴固结不排水循环蠕变试验,得出不同应力水平和加载模式下全过程蠕变曲线,研究分析了不同应力水平及不同静偏应力与动偏应力耦合作用下饱和软黏土的蠕变特征及其规律。
  (2)以三轴蠕变试验成果为基础,结合已有的经典蠕变经验模型,分析其对试验数据拟合的差异性,建立了既适用于长期静荷载又适用于长期循环荷载作用下的软黏土非线性经验蠕变模型。该模型应力-应变关系仍沿用传统Singh-Mitchell蠕变模型的指数函数形式,并加以修正扩展;应变-时间关系采用双曲线函数。本文所建立的新模型得到了三轴蠕变试验的验证,对试验数据的拟合优于传统的Singh-Mitchell蠕变模型和Mesri蠕变模型。
  (3)将所提出的经验蠕变模型融合于分层总和法中,建立了考虑蠕变效应的地基固结沉降计算模型,该模型不仅能够预测地基的最终沉降量,还能够得到沉降历时曲线,从而可以全面把握建筑物完建后地基的沉降特征。以某重力式防波堤为背景,利用该模型计算了长期循环荷载作用下地基土体的沉降。
  (4)基于ABAQUS平台,通过二次开发将本文建立的循环荷载作用下软黏土蠕变模型引入到CREEP用户子程序中,建立了一个软黏土非线性蠕变模型的有限元计算程序,实现了塑性和蠕变的耦合计算。通过对三轴蠕变试验的数值模拟,验证了本文所开发计算程序的合理可靠性。
  (5)利用已得到验证的有限元计算程序对某重力式防波堤进行数值模拟,分析其地基沉降规律,并进一步研究了不同土层厚度、结构物自重、波高等因素对蠕变特性和地基沉降的影响,对其敏感性进行了分析。
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