數值模擬在黃土濕陷試驗中的應用可靠性分析

■呂文龍 ■華北地質勘查局核工業(yè)247 大隊，天津 301800

濕陷性黃土是一種特殊的土質，因為這種土質遇到水會產生大面積的沉降。由于濕陷性黃土的特殊性質，如果在建筑施工前，未進行黃土濕陷性試驗，就直接建造在具有濕陷性的黃土上，很容易造成建筑物的沉降。所以為了保障建筑物的質量，避免建筑物沉降帶來的經濟財產、人員安全的損失，需要運用合理的施工工藝，進行黃土濕陷的試驗，同時加固濕陷性黃土上的建筑物。

1 黃土濕陷試驗

本文通過分析某工程的室內試驗及ANSYS 軟件數值模擬的結果進行對比，分析數值模擬在黃土濕陷試驗中應用的可靠性分析。在黃土濕陷試驗中主要是測量施工地區(qū)黃土土樣的相對下沉系數以及自重濕陷系數。

1.1 黃土取樣

在黃土濕陷試驗中，應加大對黃土濕陷試驗取樣的重視程度。因為一旦黃土濕陷的土樣不符合試驗標準，將造成黃土濕陷數據不真實、缺乏利用價值。在黃土濕陷試驗的取樣中，可以多取一些黃土濕陷式樣。例如可以取12 個環(huán)刀試樣，其中4 個可以測量黃土土樣的密度、孔隙之比、含水量等原始的黃土數據，同時分別取得2 個進行黃土濕陷性的相對下沉系數及自重濕陷系數的試驗，剩余的4 個環(huán)刀試樣可以作為備用試驗的材料。當黃土取樣完畢后，必須要將取得的土樣進行密封，同時擦拭環(huán)刀的外壁，保證其整潔度，另外要保證環(huán)刀的上面和下面是削平的狀態(tài)。

2 試驗過程

2.1 準備測量儀器

黃土濕陷性的試驗一般運用的是GJZ-3 型中壓固結儀。

2.2 試驗的主要方法

試驗采用雙線法。主要步驟包括，第一，取出兩個環(huán)刀試樣，并將其切割，同時將切割后的環(huán)刀試樣的外壁涂抹上薄厚均勻的凡士林，最好是涂抹的凡士林是薄薄的一層，之后再將刀口朝下，放入護環(huán)之內。第二，借助提環(huán)螺絲及放有透水石及濾紙的底盤放置到容器之中，然后放下加壓導環(huán)和傳壓活塞，從而使得各部密切接觸，最終保持平衡。第三，將加壓容器置于加壓框架正中，密合傳壓活塞及橫梁，預加1.0kPa壓力，使得固結儀的各個部分進行緊密的接觸，同時調整好百分表并使其讀數歸置為0。第四，將其中一個試樣在天然濕度的條件下進行分級加壓，直到濕陷變形情況達到穩(wěn)定。第五，將另外一個試樣在自然的條件下，施加50kpa 的第一級壓力，并且在規(guī)定的時間范圍內準確的記錄下百分表的讀數，一直記錄到土樣變形穩(wěn)定之后，關于土樣穩(wěn)定的標準一般為每一時的變形不能大0.01 毫米。之后，在對浸水之后的土樣進行分級的加壓，同時還需要記錄百分表的數據，也是一直到土樣變形穩(wěn)定之后。其為相對下沉系數的試驗結果。而自重濕陷性系數指的是在保持天然濕度及黃土結構厚度的黃土試樣上施加黃土的飽和自重壓力，觀察其在受水之后的濕陷量。

2.3 試驗結果

相對下沉系數試驗結果:(1)土樣描述:原狀土;(2)取土:地表下0.8 米;(3)試樣原始高度:20 毫米;(4)試樣原始孔隙比:0.859;(5)試樣土粒體積的高度:10.758 毫米;(6)壓力值與相對下沉系數:如表所示。

(7)自重濕陷系數試驗結果.試驗編號為1、2 號的試件的平均自重壓力分別為19.211 和19.211kpa。浸水前百分表的讀數分別為0.018 和0.02。浸水后百分表的讀數為分別為0.239 和無顯示。自重濕陷系數都為0.011。

通過上述試驗的過程，可以得知相對下沉系數的計算公式:Im=Em/1 +E0。其中Im 就是濕陷性黃土的相對下沉系數，Em 是濕陷性黃土的最大孔隙比，E0 為濕陷性黃土試驗開始時的孔隙比。自重濕陷系數的試驗的計算公式:Sa=(Hz1 -Hz2)/H0。其中Sa 為自重濕陷性系數，Hz1 為保持天然濕度和結構的試樣，加至該試樣上覆土的飽和自重壓力時，下沉穩(wěn)定后的高度。Hz2 為加壓穩(wěn)定后的試樣，在浸水作用下，附加下沉穩(wěn)定后的高度。H0 為黃土試樣最原始的高度。通過相對下沉系數的試驗可以得知，相對下沉系數的數值都大于0.015，進而可以判斷施工地區(qū)為濕陷性黃土。同時通過試驗自重濕陷系數，其兩個編號的系數都為0.011，也可以判斷該地區(qū)為濕陷性的土層。通過相對下沉系數和自重濕陷系數的試驗，可以判斷施工地區(qū)是否屬于濕陷性黃土區(qū)。

3 ANSYS 數值模擬黃土濕陷性試驗

運用ANSYS 對黃土濕陷試驗進行模擬時，可以分為浸水及自然條件下的模擬方式。關于如何區(qū)分浸水和自然條件下的模擬方式，可以根據黃土的彈性模量的變化進行區(qū)分，之后再運用ANSYS 技術進行數值模擬。

3.1 建立土樣模型

在建立土樣模型的時候，需要將浸水條件下以及自然條件下的土樣都模擬出來。在模型的建立中，主要是模擬土樣的豎向變形，在模擬浸水狀態(tài)時，可以利用壓縮模量的變化進行表現。土樣模型的尺寸是有嚴格規(guī)定的，依據《鐵路土工試驗規(guī)程》確定，選取直徑為79.8 毫米，高度為二十毫米的環(huán)刀試樣，并采用SOLID65 單元模擬黃土的單元，土樣應力及應變關系可以利用鄧肯-張的雙曲線模型進行模擬，土體變形需要遵循摩爾-庫倫屈服的準則。另外，還需要在護環(huán)的周圍及黃土土樣的底部施加位移得約束力，并在黃土土樣的頂層加以壓力，從而觀測模擬結果。

3.2 ANSYS 技術建立的土樣模型的數據

當施加壓力分別為50、100、150、200、400kpa 時，浸水之前的彈性模量分別為1.5e7、1.6e6、2.3e7、2.3e7、3.3e7pa。在浸水之后的彈性模量分別為2.1e6、3.0e6、3.9e6、3.4e6、3.4e7pa。

不同壓力值下相對下沉系數的關系如表所示。

在進行模擬自重濕陷試驗的時候，施加的壓力為土層上部的飽和自重，試驗地區(qū)土層的飽和自重為19.211kPa，且壓縮模量為土樣的初始值。同時，在未浸水之前時，土樣沉降為0.0297 毫米，在浸水之后，土樣沉降深度為0.226 毫米，經過計算，其自重濕陷系數數值模擬值為0.0098。

3.3 試驗總結

通過ANSYS 技術建立的土樣模型的數據得出以下結論:在相對下沉系數的試驗中，盡管其與室內試驗的結果有著一些不同，但是整體上是相同的，規(guī)律也是保持一致的，而且室內試驗的方式主要是人為進行操作的，所以誤差出現的可能性是較大的，因此室內實驗的結果與數值模擬的結果存在差異也是必然的，從相對下沉系數上看，ANSYS 數值模擬在黃土濕陷試驗中的應用是具有可靠性的。在自重濕陷試驗的數值模擬結果中，其自重濕陷系數數值的模擬值為0.0098，室內實驗的結果為0.011，僅為0.0012，相差的數值不大，因此，也反應了數值模擬在黃土濕陷性試驗的應用中存在一定的可靠性。

4 結語

由于濕陷性黃土的特殊土質導致其很容易影響到建筑物的施工質量，在建造建筑物的時候，需要重視起濕陷性黃土的試驗工作，從而保證建筑施工的安全有序進行。當前，較為先進的濕陷性黃土的試驗方式就是ANSYS 數值模擬，此方法可以通過計算機軟件做出黃土土樣的模型，通過賦值模擬計算從而得出黃土的自重濕陷系數、相對下沉系數等。本文通過數值模擬的方式，首先在室內試驗黃土樣本的相關參數之后，利用ANSYS 軟件模擬施工地區(qū)的黃土的土樣，從而得出黃土土樣的自重濕陷系數、濕陷起始壓力以及相對下沉系數等，并將數值模擬的結果與室內試驗的結果進行對比，分析數值模擬在黃土濕陷實驗中的可靠程度，經過試驗顯示，可以明顯的看出室內試驗與ANSYS 數值模擬的數據與室內土工試驗的結果比較是相對吻合的，所以數值模擬在濕陷性黃土試驗中的應用還是相當可靠的。

［1］楊欣.非均勻濕陷條件下黃土地基橋梁群樁承載特性離心模型試驗研究［D］.長安大學，2014.