基于細(xì)觀定量分析方法的地基土蠕變特性與模型研究

【摘要】本文通過采用顆粒流程序PFC2d對(duì)地基土的各向等壓蠕變?cè)囼?yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了試樣在不同圍壓等級(jí)下的體應(yīng)變曲線與細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化特征，并采用雙曲線蠕變模型對(duì)試樣的體應(yīng)變?nèi)渥兦€進(jìn)行了擬合分析。

【關(guān)鍵詞】地基土;各向等壓蠕變;二維顆粒流模擬;體應(yīng)變;蠕變模型

關(guān)于工程實(shí)踐中出現(xiàn)的地基工后沉降和變形危害問題，受到了工程界和學(xué)術(shù)界越來(lái)越多的關(guān)注，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)地基土的工后沉降問題積累了眾多研究成果[1-4]。地基土的工后沉降變形關(guān)乎土體變形隨時(shí)間發(fā)展的特性，包括土體在靜力加載下的蠕變特性和循環(huán)加載下的變形累積特性。地基土的蠕變特性即為地基土變形隨時(shí)間的發(fā)展特性，因此，本文開展地基土的蠕變特性的細(xì)觀定量數(shù)值模擬研究既具有重要的科學(xué)意義，又具有很好的工程實(shí)踐參考價(jià)值。

1.數(shù)值試樣與方案

1.1 ?數(shù)值試樣的生成

首先參照文獻(xiàn)[4]的數(shù)值試樣的生成方法，依據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)的試樣尺寸（38mm×76mm），本文采用顆粒流軟件PFC2d內(nèi)置的線性接觸模型，通過半徑擴(kuò)大法生成圓盤形顆粒數(shù)值試樣的寬度：38mm、高度：76mm的試樣，其中試樣的最大粒徑為0.08mm，最小粒徑為0.03mm。試樣的圓盤形顆粒總數(shù)為3595個(gè)，顆粒密度設(shè)置為2650kg/m3，通過反復(fù)的調(diào)試設(shè)置顆粒的彈性模量為60MPa，法向與切向剛度比設(shè)置為1.5。然后，通過調(diào)用顆粒流程序中內(nèi)置的Burgers流變模型取代之前生成試樣時(shí)所采用的線性接觸模型，隨后通過循環(huán)使得試樣達(dá)到平衡。

1.2 數(shù)值試驗(yàn)方案

為了從細(xì)觀角度研究地基土顆粒試樣在不同圍壓加載條件下內(nèi)部結(jié)構(gòu)的蠕變演化特征，根據(jù)已有室內(nèi)試驗(yàn)研究成果，本文采用PFC2d細(xì)觀數(shù)值模擬的方法開展試樣在不同圍壓加載下蠕變特性，數(shù)值試驗(yàn)方案如表1所示。

2.數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1試樣的變形曲線分析結(jié)果

試樣在變形過程呈現(xiàn)出明顯的三階段變形特征，分別是從瞬時(shí)變形逐步發(fā)展為衰減變形，最后形成穩(wěn)定變形狀態(tài)，變形曲線也呈現(xiàn)出較為明顯的雙曲型非線性特征。當(dāng)試樣所受的荷載水平較低時(shí)，發(fā)現(xiàn)試樣的變形量較小，變形發(fā)現(xiàn)的穩(wěn)定時(shí)間越快，衰減階段的時(shí)間較小，但隨時(shí)試樣作用的荷載水平的增加，試驗(yàn)變形的穩(wěn)定速度越慢，變形三階段的特征越明顯。試樣在同樣的圍壓作用下的體應(yīng)變曲線與時(shí)步的對(duì)數(shù)曲線呈現(xiàn)非線性變形規(guī)律，當(dāng)作用的荷載水平越低，體應(yīng)變衰減階段的時(shí)間越短，試樣穩(wěn)定得越快，隨時(shí)荷載水平的增大，試樣體應(yīng)變的發(fā)展越慢，衰減穩(wěn)定的時(shí)間越長(zhǎng)。

2.2試樣配位數(shù)時(shí)步曲線分析

通過統(tǒng)計(jì)試樣在不同圍壓作用下配位數(shù)隨時(shí)步的發(fā)展規(guī)律，試樣的平均配位數(shù)隨時(shí)步的發(fā)展規(guī)律與試樣的體應(yīng)變隨時(shí)步的發(fā)展的規(guī)律大致相同，也存在先快速增大，隨后慢速發(fā)展，最后穩(wěn)定的三階段演變特征，同樣演變的速度與荷載的大小有關(guān)，當(dāng)作用的荷載較小時(shí)，衰減發(fā)展階段較短，試樣進(jìn)入穩(wěn)定的時(shí)間越快，隨時(shí)荷載水平的增大，試樣衰減發(fā)展的過程較長(zhǎng)，試樣進(jìn)入穩(wěn)定的時(shí)間越長(zhǎng)。

2.3試樣的細(xì)觀組構(gòu)演化分析

試樣在各向等壓作用下力鏈的分布比較均勻，初始時(shí)表現(xiàn)較為松散，但隨著荷載水平的逐步提高，試樣內(nèi)部顆粒向內(nèi)部中心移動(dòng)，接觸力得到加強(qiáng)，隨后逐步呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明試樣在荷載作用下試樣內(nèi)部顆粒不斷進(jìn)行調(diào)整至穩(wěn)定狀態(tài)，顆粒調(diào)整的速度與荷載水平的大小有關(guān)。

2.4雙曲線蠕變模型擬合分析

通過采用前期研究建立的雙曲線蠕變模型[4]對(duì)試樣在各向等壓蠕變?cè)囼?yàn)中的試樣蠕變曲線進(jìn)行擬合分析。如圖1所示，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)值試樣的體應(yīng)變?nèi)渥兦€與雙曲線蠕變模型的擬合精度較好，雙曲線模型對(duì)試樣曲線的擬合精度基本在95%左右，說(shuō)明雙曲線模型能夠較好對(duì)該試樣的體應(yīng)變曲線的規(guī)律進(jìn)行描述。

3.結(jié)論

本文基于顆粒流軟件PFC2d，開展地基土在不同圍壓作用下各向等壓蠕變?cè)囼?yàn)的數(shù)值模擬研究，分析了試樣在不同圍壓等級(jí)作用下的變形曲線與細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化規(guī)律，得到如下研究結(jié)論：（1）在不同的圍壓大小的作用下，可以發(fā)現(xiàn)試樣在變形過程呈現(xiàn)出明顯的三階段變形特征，分別是從瞬時(shí)變形逐步發(fā)展為衰減變形，最后形成穩(wěn)定變形狀態(tài)，變形曲線也呈現(xiàn)出較為明顯的雙曲型非線性特征;（2）通過分析不同均壓大小下試樣的配位數(shù)在不同圍壓荷載作用下的變化規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)荷載水平越低時(shí)，試樣的平均配位數(shù)的變化越平緩，當(dāng)荷載水平越高時(shí)，試樣的配位數(shù)變化曲線的衰減變化階段越明顯，試樣穩(wěn)定得越慢。當(dāng)荷載越大時(shí)，試樣的平均配位數(shù)越多，說(shuō)明試樣越密實(shí)，試樣內(nèi)部形成的結(jié)構(gòu)越明顯。（3）雙曲線模型對(duì)試樣的體應(yīng)變?nèi)渥兦€的擬合效果較好，可以很好地描述試樣的體應(yīng)變?nèi)渥兲卣鳌?/p>

參考文獻(xiàn)

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【浙江省教育廳一般科研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：Y20180605）?！?/p>

（作者單位：浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院）

【中圖分類號(hào)】TU753

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B

【文章編號(hào)】1671-3362（2020）10-0078-02

勘誤

本刊2020年9期第54-55頁(yè)“基于灰色GM（1，1）模型的建筑施工安全事故預(yù)測(cè)”一文，應(yīng)注明該文屬于“2020年河南省軟科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目‘基于灰色系統(tǒng)理論的河南省建筑行業(yè)安全生產(chǎn)事故預(yù)測(cè)研究基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：202400410360）”。

第68-71頁(yè)“江西民國(guó)建筑探析”一文應(yīng)注明該文屬于：1. 南昌老城區(qū)民國(guó)時(shí)期建筑裝飾藝術(shù)研究，江西藝術(shù)科學(xué)規(guī)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：YG2011090）;2. 南昌老城區(qū)民國(guó)時(shí)期建筑裝飾藝術(shù)的分析研究，江西農(nóng)業(yè)大學(xué)科學(xué)研究基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：QN11YS01）。

特此更正，并向該文作者表示誠(chéng)摯的歉意。