软土固结—蠕变耦合效应的试验研究及有限元分析

软土具有固结时间长、流变特性显著等特点,所以软土地基上的构筑物常会出现承载力不足、沉降过大等问题。因此,对于具有时效性变形的软土来说,传统的基于经典弹塑性力学的土力学计算方法是有着明显缺陷的。为了定量掌握软土工程的变形性状和破坏规律,对可能产生的破坏进行预测并采取适当的工程对策,必须真正把握软土固结和蠕变相互耦合的内在变形机理,并进一步建立能反映这种耦合效应的计算模型。 本文通过理论分析、室内试验和数值模拟等方法,对软土固结和蠕变相互耦合的变形特性进行了系统的研究,主要内容和结论如下: 1.在已有研究成果的基础上,系统阐述了软土固结和蠕变的理论,并指出将Biot固结理论、土的本构关系和元件流变模型相结合是描述软土固结—蠕变耦合效应的有效途径。 2.同时,对珠江三角洲典型软土进行了一系列室内试验研究,包括常规三轴试验、一维固结试验、直剪蠕变试验以及三轴蠕变试验等,用以揭示软土固结—蠕变耦合效应的内在变形机理,并比较软土在不同加载方式和排水条件下的变形特性。试验结果表明,在一维固结试验中表征体积蠕变特性的次固结系数有着一定的变化规律,它和当前的固结状态密切相关,并与压缩指数之间有较好的相关性。直剪蠕变曲线可用指数衰减函数或广义Kelvin模型来拟合及描述;在三轴蠕变状态,软土的变形特性随着排水条件而变化,从而揭示了固结—蠕变耦合特性受排水条件的影响显著。根据试验成果和Singh-Mitchell蠕变方程,建立了考虑排水条件的软土蠕变经验模型,进而提出了符合土体变形规律的非线性弹粘性本构模型即修正广义Kelvin计算模型,以及模型参数的确定方法; 3.将该模型与土的应力—应变关系、Biot固结方程耦合,建立了修正广义Kelvin蠕变固结计算模型,并调试了可考虑软土工程固结—蠕变耦合效应的有限元程序。通过对某个塑料排水板堆载预压工程实例的分析,验证了所建模型及程序的有效性,并探讨了多种因素对软土地基时效变形的影响,给出了一些建议。研究表明:采用修正广义Kelvin计算模型进行固结有限元分析是一种更合理和