湛江軟黏土三軸剪切蠕變特性研究

湛江軟黏土三軸剪切蠕變特性研究

中國沿海地區(qū)廣泛分布的軟沉積物。隨著道路建設(shè)的高速發(fā)展,需要對軟黏土的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行深入研究,因此發(fā)展和完善湛江軟黏土的變形及變形控制理論顯得尤為重要,而解決這些問題的關(guān)鍵之一是建立恰當(dāng)?shù)牧W(xué)本構(gòu)關(guān)系模型。工程實(shí)例表明,土具有彈性、塑性和流變性,與其它類型土相比,軟黏土的流變變形更為顯著,建立合理準(zhǔn)確的流變模型是土力學(xué)研究的重要任務(wù)。本文以湛江軟黏土為研究對象,通過分析常規(guī)三軸剪切蠕變試驗數(shù)據(jù),建立了湛江軟黏土流變本構(gòu)關(guān)系的理論模型和經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀?土的破壞過程分析試驗儀器為GDS應(yīng)力路徑三軸儀,采用分級加載,試驗圍壓為0、0.1、0.2、0.4MPa。當(dāng)圍壓為0.05MPa時,本文根據(jù)湛江軟黏土的三軸剪切蠕變試驗,可得出不同軸向偏應(yīng)力時應(yīng)變隨時間的變化如圖1所示。由圖1可知,土樣在加載瞬時均有一定量的彈性瞬時應(yīng)變,其值隨偏應(yīng)力的增大而不變或略有下降;瞬時彈性應(yīng)變后,蠕變呈衰減穩(wěn)定,變形隨時間增長而趨于穩(wěn)定。當(dāng)偏應(yīng)力繼續(xù)增大至破壞強(qiáng)度時,瞬時變形后歷時較短,即進(jìn)入加速蠕變階段并發(fā)生破壞,且破壞前有較明顯征兆,取破壞強(qiáng)度為0.16MPa。若認(rèn)為蠕變曲線主要由線性黏彈性變形和線性黏塑性變形構(gòu)成,對于圍壓為0.05MPa情況下的應(yīng)力-應(yīng)變等時曲線如圖2所示,圖2曲線可視為折線,折點(diǎn)約為0.028MPa,如果不考慮軸向偏應(yīng)力為0.16MPa的急劇破壞曲線,則線性黏彈性變形和線性黏塑性變形占主要部分。由以上分析可知,土的屈服應(yīng)力σs=0.028MPa。建立模型時,線性黏彈性變形用廣義Kelvin體描述,線性黏塑性變形用Bingham體或者用胡克體與黏壺串聯(lián)的Bingham體來描述。同理,圍壓為0.1MPa時,σs=0.029MPa;圍壓為0.2MPa時,σs=0.05MPa;圍壓為0.4MPa時,σs=0.25MPa。圖2中的曲線為明顯的折線形式,折點(diǎn)出現(xiàn)在第1級加載主應(yīng)力差值之前,若不考慮該部分,可以發(fā)現(xiàn)圖2近乎為直線,據(jù)此可以認(rèn)為此圍壓下的蠕變變形曲線可以用線性黏彈性變形曲線來較好地逼近,即用廣義Kelvin體描述。在其它圍壓下的情況基本相似。2漢江軟粘土變形模型的建立2.1發(fā)展理論的結(jié)構(gòu)關(guān)系模型線性黏彈性模型、西原模型、線性黏彈塑性模型,分別如圖3～圖5所示。(1)pcp的計算其蠕變變形可表示為:ε(t)=[1EH+1E1(1?exp(?E1tη1)+1E2(1?exp(?E2tη2)]σ(1)ε(t)=[1EΗ+1E1(1-exp(-E1tη1)+1E2(1-exp(-E2tη2)]σ(1)(2)eh+1e111e1表達(dá)水平當(dāng)σ≥σs時,蠕變變形可表示為:ε(t)=[1EH+1E1(1?exp(?E1tη1)+σ?σsση2t]σ(2)ε(t)=[1EΗ+1E1(1-exp(-E1tη1)+σ-σsση2t]σ(2)(3)關(guān)于1emp1e的,2t,2t;2t2t;2t2t2t,2t2t,2t當(dāng)σ≥σs時,蠕變變形可表示為:ε(t)=[1EH+1E1(1?exp(?E1tη1))+σ?σsση2t+σ?σsσE2]σ(3)ε(t)=[1EΗ+1E1(1-exp(-E1tη1))+σ-σsση2t+σ-σsσE2]σ(3)(4)e表達(dá)價2,1e3,3.2.3,3.2.3,3.3.3,3.2.3,3.2.3,3.2.3,3.2.3,3.2.3,3.2.3,3.2e1e3,3.2e3,3.2e3,3.2e1,3.23,3.23,3.23,3.23.3,3.2e3,3.2e3,3.2e3,3.2e3,3.2e3,3.2e3,3.2e3,3.3,3.3.3,3.2e3,3.3,3.3.3,3.2e3,3.3,3.3.3.3.3.3.3.3.3.3,3.2e3,3.2e3,3.2e3,3.2e3,3.2e3,3.2e3,3.3,3.2e3,3.3,3.2e3,3.3,3.3.3,3.2e3,3.3,3.3.3,3.2e3,3.3,3.3.3,3.3.3,3.3.3,3.3.3,3.3.3,3.3.3,3.3.3,3.3.3,3.3.3,3.3.3,3.3.3,3.3.3,3.3.3,3.3.3,3.3.3,3.3.3,3.3.3,3.3.3,3.3.3,3.3.3,3.3.3,3.3.3.3,3.3.3.3,3.3.3.3.3,3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3其蠕變變形可表示為:ε(t)=[1EH+1E1(1?exp(?E1tη1)+1E2(1?e?E2t/η2)+1E3(1?exp(?E3tη3)]σ(4)ε(t)=[1EΗ+1E1(1-exp(-E1tη1)+1E2(1-e-E2t/η2)+1E3(1-exp(-E3tη3)]σ(4)(5)e1e當(dāng)σ≥σs時,模型蠕變變形可表示為:ε(t)=[1EH+1E1(1?exp(?E1tη1)+1E2(1?exp(?E2tη2)+σ?σsση3t]σ(5)ε(t)=[1EΗ+1E1(1-exp(-E1tη1)+1E2(1-exp(-E2tη2)+σ-σsση3t]σ(5)(6)e表征1e當(dāng)σ≥σs時,模型蠕變變形可表示為:ε(t)=[1EH+1E1(1?exp(?E1tη1)+1E2(1?exp(?E2tη2)+σ?σsση3t+σ?σsσE3]σ(6)ε(t)=[1EΗ+1E1(1-exp(-E1tη1)+1E2(1-exp(-E2tη2)+σ-σsση3t+σ-σsσE3]σ(6)2.2各模型擬合精度分析模型建好后,對于各種理論模型由最小二乘原理按高斯-牛頓法進(jìn)行曲線的非線性擬合,本文應(yīng)用Matlab程序進(jìn)行計算機(jī)擬合,其擬合參數(shù)見表1～表6所列。若用擬合的平均誤差表示擬合精度,各模型的擬合平均誤差見表7所列,從表7可以比較各模型的擬合精度。從表7可以看出,擴(kuò)展的七元件線性黏彈性模型比五元件線性黏彈性模型的擬合精度要高,擴(kuò)展的七元件西原模型比五元件西原模型擬合精度要高;擴(kuò)展的八元件線性黏彈塑性模型比六元件線性黏彈塑性模型擬合精度要高。由此可看出,線性黏彈性模型的擬合精度最高,西原模型和線性黏彈塑性模型的擬合精度次之,這與蠕變變形中的線性黏塑性變形成份所占比例小、蠕變變形主要以線性黏彈性變形為主及七元件線性黏彈性模型曲線能更好地逼近蠕變曲線有關(guān)。由表7還可以看出,線性黏彈塑性模型的擬合精度高于西原模型,這與線性黏彈塑性模型對線性黏塑性變形的描述能力高于西原模型有關(guān)。由于線性黏彈性模型的擬合精度已經(jīng)很高,故建議有條件地選用五元件或七元件線性黏彈性模型來描述0.05MPa圍壓下的湛江軟黏土的蠕變變形。2.3廣義kelren模型除了進(jìn)行圍壓為0.05MPa的三軸剪切蠕變試驗,還進(jìn)行了圍壓為0.1、0.2、0.4MPa的試驗。圍壓為0.1MPa時,從0.03～0.295MPa共分10級加載,圍壓為0.2MPa時,從0.065～0.4MPa分5級加載,圍壓為0.4MPa時,從0.27～0.75MPa分5級加載,廣義Kelvin模型擬合的精度普遍較高,特別是在圍壓分別為0.05MPa和0.4MPa時,擬合精度略微降低出現(xiàn)在圍壓分別為0.1MPa和0.2MPa時,這是由于湛江軟黏土的蠕變過程中,出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損傷,從而導(dǎo)致產(chǎn)生非線性變形的因素增多,而當(dāng)應(yīng)力水平較低或出現(xiàn)高于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時,導(dǎo)致產(chǎn)生非線性變形的因素相對較少,而廣義的Kelvin模型相對于西原模型和線性黏彈塑性模型,其描述非線性曲線的能力較弱。限于篇幅,本文不再一一列表詳述。2.4模型模擬和相結(jié)合模型從以上分析可以看出,廣義Kelvin模型描述湛江軟黏土蠕變變形,反映了蠕變變形的最主要的特征,效果最好,西原模型和線性黏彈塑性模型能較全面地反映蠕變變形的變化規(guī)律,效果次之。若選擇廣義Kelvin模型描述湛江軟黏土蠕變變形,可以通過運(yùn)用最小二乘法原理得到0.1、0.2、0.4MPa圍壓下的擬合參數(shù)。3經(jīng)驗?zāi)Ｐ?.1經(jīng)驗發(fā)展的本質(zhì)關(guān)系模型(1)應(yīng)力水平擬合參數(shù)ε=aexp(bσD)tλ(7)ε=aexp(bσD)tλ(7)其中,σD為應(yīng)力水平,20%≤σD≤80%;a、b、λ為擬合參數(shù)。Mesri模型對應(yīng)的蠕變變形可表示為:ε=[aσD1?bσD]tλ(8)ε=[aσD1-bσD]tλ(8)其中,σD、a、b、λ同(7)式。(2)加載時的實(shí)際變形ε(t)=A0+Atλ+Bt(9)ε(t)=A0+Atλ+Bt(9)其中,A0為加載時的瞬時變形;λ為曲線走勢的參數(shù);B為亞穩(wěn)定階段蠕變速率。3.2參數(shù)調(diào)整同樣運(yùn)用最小二乘法原理,采用Matlab程序進(jìn)行計算機(jī)擬合,其擬合參數(shù)見表8、表9所列。3.3軟土地變形模型的擬合擬合的平均誤差見表10所列。由表10可以看出,冪函數(shù)型經(jīng)驗?zāi)Ｐ捅萂esri模型的擬合精度高、使用更為簡單,能夠擬合的曲線形式更多,若選擇冪函數(shù)型經(jīng)驗?zāi)Ｐ兔枋稣拷涴ね寥渥冏冃?同樣通過運(yùn)用最小二乘法原理,可以得到0.1、0.2、0.4MPa圍壓下的擬合參數(shù)。4結(jié)構(gòu)參數(shù)轉(zhuǎn)換工程算例取通過湛江軟黏土地區(qū)的一條公路,路基寬度為30m,高度為6m,地基土水平方向分析范圍為基底寬度的2倍,豎直方向分析范圍為地表18m,距離路面中心線10m范圍內(nèi)承受0.150MPa的法向應(yīng)力。求解思路是在Visualstudio2005上以FLAC3D自帶的Burger蠕變模型為藍(lán)本,編寫五元件線性黏彈性模型,然后嵌入FLAC3D,用FISH語言編寫的線性插值程序可求出每個單元體在不同應(yīng)力條件下的參數(shù)值,應(yīng)用文獻(xiàn)的參數(shù)轉(zhuǎn)換方法,將一維參數(shù)轉(zhuǎn)化為三維參數(shù)后賦于每個單元體,模型中豎直方向的沉降量分布云圖如圖6所示。以路基底部中心點(diǎn)為研究對象,除了利用五元件線性黏彈性模型求沉降外,利用文中的冪函數(shù)經(jīng)驗?zāi)Ｐ头謩e求出中心點(diǎn)以下的18個單元體的變形量之和,具體做法是根據(jù)每個單元體的應(yīng)力場和表8～表10,利用線性插值決定每個單元體冪函數(shù)經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛥?shù)的取值,進(jìn)而得到每個單元體豎直方向的變形量,認(rèn)為18個單元體豎直方向的變形量之和為路基底部中心點(diǎn)的沉降量,用該方法計算時間與沉降量的關(guān)系如圖7所示。從圖7可以看出,2種曲線相近而略有差別,這主要與2種模型具有不同的擬合效果及不同計算過程等因素有關(guān)。5理論模型與經(jīng)驗?zāi)Ｐ驼拷涴ね辆哂忻黠@的流變特性,其蠕變變形以線性黏彈