基于PFC-COMSOL聯(lián)合開(kāi)展軟土固結(jié)細(xì)觀機(jī)理研究

倪小東，尹學(xué)謙，蔡 鐘

基于PFC-COMSOL聯(lián)合開(kāi)展軟土固結(jié)細(xì)觀機(jī)理研究

倪小東1,2，尹學(xué)謙1,2，蔡 鐘1,2

（1. 河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 巖土工程研究所，江蘇 南京 210098）

基于細(xì)觀顆粒離散元方法建立土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)性模型， 依據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)匹配模型細(xì)觀參數(shù)， 采用COMSOL軟件進(jìn)行土體內(nèi)部滲流場(chǎng)求解， 實(shí)現(xiàn)PFC-COMSOL聯(lián)合開(kāi)展軟土固結(jié)研究， 最終將分析方案與室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。 研究結(jié)果表明： PFC使用聚粒模擬絮凝狀軟土 能較真實(shí)地 再現(xiàn)海相軟土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特性；結(jié)構(gòu)性蠕變對(duì)軟土固結(jié)沉降量有一定影響，軟土壓縮量應(yīng)考慮蠕變的影響；軟土固結(jié)過(guò)程中 首先出現(xiàn)不均勻壓縮， 超孔壓完全消散后， 土體恢復(fù)均勻性。

軟土固結(jié)；細(xì)觀；PFC-COMSOL；蠕變

軟土復(fù)雜的微觀特性使其具有高孔隙率和低滲透性的特點(diǎn)，從而導(dǎo)致了軟土壓縮性高、固結(jié)緩慢的特性，因此從細(xì)觀角度研究軟土固結(jié)是有必要的。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者基于不同的研究目的，分別采用不同的概化結(jié)構(gòu)模型分析土體的細(xì)觀結(jié)構(gòu)[1-5]。但概化結(jié)構(gòu)模型僅僅用于土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)定性分析，為實(shí)現(xiàn)土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)的量化研究，李向全等[6]根據(jù)土體具有的非線性特征，運(yùn)用分形幾何理論提出了粒度分維、顆粒定向分維等7項(xiàng)定量表征土體微結(jié)構(gòu)狀態(tài)的分維指標(biāo)。隨著掃描電鏡、CT掃描儀的應(yīng)用及計(jì)算機(jī)圖像分析技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在研究分析土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)特性方面取得了豐富的成果[7-9]。眾多學(xué)者已認(rèn)識(shí)到土體固結(jié)過(guò)程中滲透系數(shù)及土體孔隙的變化，但目前對(duì)此規(guī)律的定量研究還比較少。

本文依托于前人的研究，從細(xì)觀角度出發(fā)，開(kāi)展軟土細(xì)觀結(jié)構(gòu)特性研究，提出新的軟土細(xì)觀模型；開(kāi)展軟土的室內(nèi)固結(jié)壓縮試驗(yàn)，深入了解軟土固結(jié)過(guò)程，試驗(yàn)結(jié)果作為選取模型參數(shù)的依據(jù)；根據(jù)軟土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征，利用基于離散元的顆粒流程序PFC2D建立符合軟土細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征的軟土細(xì)觀模型，采用測(cè)量圓監(jiān)測(cè)土體孔隙變化，同時(shí)采用COMSOL軟件建立土體內(nèi)部的滲流場(chǎng)模型，實(shí)現(xiàn)PFC-COMSOL聯(lián)合求解軟土固結(jié)問(wèn)題。

1 軟土細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征及細(xì)觀模型的建立

1.1 軟土細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征

圖1所示為各個(gè)地區(qū)通過(guò)電鏡、X光線等掃描得到的軟土微觀圖像[10-13]，各地軟土顆粒細(xì)觀形態(tài)雖有差異但以片狀為主，而片狀顆粒投影至平面近似為長(zhǎng)條狀，在建立軟土細(xì)觀模型時(shí)需體現(xiàn)該特點(diǎn)。

圖1 不同地區(qū)軟土的微觀圖像Fig.1 Microscopic images of soft soil in different regions

圖2 粘土的兩種基本結(jié)構(gòu)Fig.2 Two basic structures of clay

圖2 所示粘土的分散結(jié)構(gòu)與絮凝結(jié)構(gòu)均為粘土特有結(jié)構(gòu)，分散結(jié)構(gòu)土粒間表現(xiàn)為凈斥力，絮凝結(jié)構(gòu)顆粒間表現(xiàn)為凈引力，土顆粒間的凈斥力和凈引力是產(chǎn)生這兩種結(jié)構(gòu)特征的根本原因。環(huán)渤海天津海岸帶，珠三角海積軟土區(qū)及長(zhǎng)三角等地區(qū)廣泛分布深厚軟土，沿海軟土細(xì)觀結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化為圖2所示絮凝結(jié)構(gòu)，本文根據(jù)絮凝結(jié)構(gòu)建立軟土細(xì)觀模型。固結(jié)前的軟土顆粒通過(guò)顆粒搭接形成土體骨架，顆粒間的接觸以面-邊和面-角接觸為主，而固結(jié)后這種結(jié)構(gòu)遭到破壞，孔隙減小，顆粒間的接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槊?面接觸。這種現(xiàn)象充分說(shuō)明了在軟土固結(jié)的過(guò)程中，土體骨架遭到破壞，土顆粒間的接觸形式發(fā)生改變，相應(yīng)的細(xì)觀模型應(yīng)能反映這種微結(jié)構(gòu)變化過(guò)程。

1.2 軟土細(xì)觀模型建立

根據(jù)軟土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征，本文采用基于離散元的顆粒流程序PFC對(duì)軟土材料模擬。采用PFC基本單元圓盤(pán)或球無(wú)法模擬滿足軟土細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征的模型，但在PFC中可以通過(guò)FISH函數(shù)創(chuàng)建聚粒（CLUMP），可以將基本的圓盤(pán)或球形顆粒粘結(jié)在一起，形成各種形狀的復(fù)雜顆粒，如圖3（a）所示。聚粒（CLUMP）是具有固定空間關(guān)系的顆粒集合，無(wú)論受到多大的外力都不會(huì)發(fā)生破壞，聚粒內(nèi)部顆粒間的相互作用也不用考慮。為了使軟土細(xì)觀模型能反映軟土真實(shí)地細(xì)觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文基于微觀結(jié)構(gòu)中平均方向角、定向角和平面形態(tài)系數(shù)三種結(jié)構(gòu)定向性的定量評(píng)價(jià)指標(biāo)，使用聚粒作為軟土顆粒的絮凝結(jié)構(gòu)細(xì)觀模型，如圖3（b）所示。

數(shù)值壓縮試驗(yàn)還原室內(nèi)壓縮試驗(yàn)，示意如圖4所示。初始狀態(tài)時(shí)，模型底邊長(zhǎng)為6.18 cm，高2 cm，模型孔隙率為0.62，含有6 070個(gè)CLUMP單元，組成CLUMP的顆粒共有21 862個(gè)，其粒徑為0.000 086 m，顆粒間的接觸模型為接觸黏結(jié)模型。

圖3 軟土細(xì)觀模型Fig.3 Meso-model of soft soil

圖4 數(shù)值壓縮試驗(yàn)示意圖Fig.4 Schematic diagram of numerical compression test

2 PFC-COMSOL聯(lián)合求解方案

2.1 聯(lián)合求解方案

根據(jù)固-液兩相間的相互作用力計(jì)算方程[14-15]，將COMSOL中當(dāng)前時(shí)步的滲流場(chǎng)轉(zhuǎn)換為每一個(gè)顆粒受到的滲流力，導(dǎo)入PFC細(xì)觀模型中，在滲流力與荷載的共同作用下計(jì)算至穩(wěn)定狀態(tài)，然后將PFC中模型的尺寸信息以及孔隙率變化情況導(dǎo)出，在COMSOL中建立對(duì)應(yīng)尺寸的新模型，將新的孔隙率信息轉(zhuǎn)換為新的滲透系數(shù)導(dǎo)入COMSOL中，開(kāi)始下一輪計(jì)算。圖5為聯(lián)合求解數(shù)據(jù)交換示意圖。

圖5 數(shù)據(jù)交換示意圖Fig.5 Data exchange diagram

在軟土固結(jié)的過(guò)程中，隨著孔隙率的減小以及土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，土體的滲透系數(shù)也在不斷變化，因此在固結(jié)過(guò)程中必須對(duì)土體的滲透系數(shù)不斷修正。由于土體的固結(jié)壓縮量并不是隨著深度均勻發(fā)生的，靠近排水面的土層率先固結(jié)，因此在監(jiān)測(cè)細(xì)觀模型孔隙率變化情況時(shí)應(yīng)選擇不同的土層進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

COMSOL軟件模擬滲流場(chǎng)時(shí)滲透系數(shù)設(shè)定為常數(shù)，但是軟土固結(jié)過(guò)程中，由于軟土的結(jié)構(gòu)調(diào)整以及孔隙率變化，材料的滲透系數(shù)變化較大，所以在固結(jié)過(guò)程中必須對(duì)軟土材料的滲透系數(shù)進(jìn)行修正。文獻(xiàn)[16-17]給出了軟土固結(jié)過(guò)程中滲透系數(shù)與孔隙比的關(guān)系式，本文通過(guò)此關(guān)系式修正滲透系數(shù)。

2.2 方案優(yōu)勢(shì)

軟土固結(jié)的本質(zhì)是土的壓縮和水的排出，因此在模擬固結(jié)過(guò)程時(shí)，土體內(nèi)部滲流場(chǎng)的模擬很重要。PFC雖然模擬顆粒流模型有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但其流場(chǎng)計(jì)算功能局限性較大，本文采用COMSOL軟件對(duì)軟土固結(jié)過(guò)程中的滲流場(chǎng)進(jìn)行宏觀模擬，能有效解決這一問(wèn)題。

為得到固結(jié)過(guò)程中模型的孔隙比和滲透系數(shù)內(nèi)部的變化規(guī)律，需要對(duì)模型的不同土層的孔隙比進(jìn)行監(jiān)測(cè)，PFC程序中可以利用測(cè)量圓有效實(shí)現(xiàn)這一功能，傳統(tǒng)有限元軟件建立的模型不能很好地反映固結(jié)過(guò)程中軟土細(xì)觀結(jié)構(gòu)調(diào)整所引起的宏觀參數(shù)（彈性模量、滲透系數(shù)等）的變化，從而導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相差較大。此外，測(cè)量圓可以監(jiān)測(cè)固結(jié)過(guò)程中模型任意位置的應(yīng)力應(yīng)變及孔隙比，根據(jù)測(cè)量圓監(jiān)測(cè)的信息，可以得到軟土壓縮過(guò)程e-p曲線，反推壓縮系數(shù)，從而得到模型不同位置處壓縮系數(shù)在固結(jié)過(guò)程中的變化規(guī)律。利用傳統(tǒng)有限元軟件建立的軟土固結(jié)模型將軟土假定為連續(xù)均質(zhì)材料，無(wú)法反映軟土的細(xì)觀特點(diǎn)，因此對(duì)軟土固結(jié)過(guò)程的模擬結(jié)果并不能令人滿意，PFC程序可以使用CLUMP聚粒模擬軟土絮凝狀結(jié)構(gòu)，可較真實(shí)地再現(xiàn)海相軟土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特性，數(shù)值模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確。

3 室內(nèi)試驗(yàn)及參數(shù)標(biāo)定

3.1 室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)

本文采用基于離散元的顆粒流程序PFC對(duì)軟土材料模擬。PFC程序并不是直接給定材料的宏觀力學(xué)參數(shù)，而是通過(guò)給定顆粒的細(xì)觀參數(shù)來(lái)反映材料的宏觀性質(zhì)。利用PFC模擬軟土材料的關(guān)鍵是建立顆粒細(xì)觀參數(shù)與材料宏觀參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系。開(kāi)展室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)?zāi)康氖翘峁﹨?shù)標(biāo)定需要的宏觀參數(shù)，同時(shí)也用來(lái)對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證其合理性。

本文所用土樣為取自浙江溫州的濱海相飽和軟土，其天然孔隙比為1.631s。使用三聯(lián)式固結(jié)儀分級(jí)加壓，加壓梯度為1，每一級(jí)的荷載分別為：12.5、25、50、100、200 kPa 。圖6為固結(jié)試驗(yàn)所得壓縮量隨時(shí)間的變化曲線，圖7為壓縮試驗(yàn)所得孔隙比隨荷載的變化曲線（e-p曲線）。從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，在各級(jí)荷載作用下試樣產(chǎn)生的壓縮量主要發(fā)生在前100 min，100 min之后試樣的壓縮速率以及壓縮總量均很小，說(shuō)明前100 min土體內(nèi)部的超孔壓已經(jīng)消散完畢，在這之后產(chǎn)生的壓縮量是由于蠕變產(chǎn)生的。

圖6 壓縮量隨時(shí)間的變化曲線Fig.6 Curves of compression volume with time

圖7 孔隙比隨荷載的變化曲線Fig.7 Curve of void ratio with load

由壓縮試驗(yàn)得到的壓縮量隨時(shí)間變化的曲線，可以作為數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果是否合理的依據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬壓縮量與時(shí)間關(guān)系接近，則可以說(shuō)明本文使用的方法是合理的。此外，由試驗(yàn)得到的軟土宏觀壓縮特性是PFC參數(shù)標(biāo)定的依據(jù)。

3.2 參數(shù)標(biāo)定

軟土細(xì)觀模型中使用線性接觸剛度模型、滑動(dòng)模型以及接觸黏結(jié)模型。顆粒接觸模型確定之后，需要對(duì)各參數(shù)進(jìn)行設(shè)置賦值，由于這些細(xì)觀參數(shù)無(wú)法直接獲取，必須通過(guò)建立顆粒細(xì)觀參數(shù)與材料宏觀參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系得到，該過(guò)程稱為參數(shù)標(biāo)定。

軟土固結(jié)問(wèn)題，需要標(biāo)定軟土材料的壓縮特性，在參數(shù)標(biāo)定時(shí)建立顆粒細(xì)觀參數(shù)與軟土宏觀壓縮特性的對(duì)應(yīng)關(guān)系。模擬過(guò)程采用PFC伺服機(jī)制在上下兩個(gè)表面加壓，分別計(jì)算模型在12.5、25、50、100以及200 kPa荷載下的壓縮量，與前文壓縮試驗(yàn)所得實(shí)際壓縮量進(jìn)行比較。當(dāng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差較大時(shí)，調(diào)整顆粒的細(xì)觀參數(shù)，重新模擬計(jì)算，直到模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致時(shí)為止，此時(shí)顆粒的細(xì)觀參數(shù)即為本次參數(shù)標(biāo)定結(jié)果。

經(jīng)過(guò)一系列參數(shù)調(diào)整，當(dāng)顆粒細(xì)觀參數(shù)為表1所示時(shí)，數(shù)值壓縮試驗(yàn)結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果基本一致，如圖8所示。

圖8 壓縮曲線Fig.8 Compression curve

4 數(shù)值試驗(yàn)分析

4.1 軟土固結(jié)數(shù)值試驗(yàn)

利用上述聯(lián)合求解方案對(duì)室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)進(jìn)行模擬，由于固結(jié)試驗(yàn)分級(jí)加載，此處僅展示第一級(jí)荷載（12.5 kPa）下軟土的固結(jié)模擬過(guò)程。

數(shù)值試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮斠?jiàn)圖4，所用參數(shù)為上文參數(shù)標(biāo)定所得，詳見(jiàn)表1。PFC軟件中測(cè)量圓可以對(duì)模型中任一位置變量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，試驗(yàn)分析過(guò)程中將模型分成等厚度的四層，利用測(cè)量圓監(jiān)測(cè)每層土樣孔隙率隨時(shí)間的變化情況。

在COMSOL達(dá)西定律模塊中建立與PFC模型尺寸相同的滲流場(chǎng)模型，如圖9所示，求解域具體設(shè)置見(jiàn)表2。

聯(lián)合求解時(shí)步是指PFC模型與COMSOL模型每次交換數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔，在固結(jié)試驗(yàn)前期，軟土壓縮的速度比較快，流場(chǎng)變化也很快，因此聯(lián)合求解時(shí)步必須很小，而固結(jié)試驗(yàn)后期，軟土壓縮速度以及內(nèi)部流場(chǎng)變化較慢，此階段的聯(lián)合求解時(shí)步可以適當(dāng)增大。聯(lián)合求解時(shí)步越小計(jì)算越精確，但由于軟土固結(jié)是一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)程，時(shí)步太小會(huì)導(dǎo)致整個(gè)模擬過(guò)程計(jì)算量過(guò)大，因此必須選取合適的時(shí)步進(jìn)行計(jì)算。分析模型時(shí)共進(jìn)行11次交互運(yùn)算，數(shù)據(jù)交換時(shí)刻分別為：30 s、1、2、4、10、20、36、64、100、200 min和24 h。

表1 PFC模型細(xì)觀參數(shù)Tab.1 PFC model parameters

表2 求解域參數(shù)設(shè)置表Tab.2 Solution domain parameter table

圖 9 土體滲流場(chǎng)模型Fig.9 Model of soil seepage field

4.2 固結(jié)過(guò)程分析

模型建立后，進(jìn)行聯(lián)合求解，圖10為t =4、64、100 min以及24 h時(shí)刻的PFC模型壓縮圖和COMSOL模型超孔壓分布云圖。

當(dāng)t =4 min時(shí)，PFC模型產(chǎn)生了0.362 mm的壓縮量，室內(nèi)試驗(yàn)t =4 min時(shí)測(cè)得的壓縮量為0.317 mm，誤差為0.045 mm。此時(shí)的滲流場(chǎng)上下對(duì)稱，上邊界與下邊界出的超孔壓顯著消散，中間的超孔壓的消散程度遠(yuǎn)小于上下邊界處。

當(dāng)t =64 min時(shí)，PFC模型產(chǎn)生了0.929 mm的壓縮量，室內(nèi)試驗(yàn)t =64 min時(shí)測(cè)得的壓縮量為0.837 mm，誤差為0.092 mm。此時(shí)的滲流場(chǎng)依然上下對(duì)稱，但超孔壓的消散程度大大增加，中間的超孔壓為1 260 Pa是整個(gè)區(qū)域內(nèi)的最大值，僅為初始狀態(tài)的十分之一。

當(dāng)t =100 min時(shí)，PFC模型產(chǎn)生了0.991 mm的壓縮量，室內(nèi)試驗(yàn)t =100 min時(shí)測(cè)得的壓縮量為0.887 mm，誤差為0.104 mm。此時(shí)COMSOL模型中整個(gè)流場(chǎng)區(qū)域的超孔壓已完全消散，模型固結(jié)度為100 %。

當(dāng)t =24 h時(shí)，PFC模型產(chǎn)生了0.991 mm的壓縮量，與t =100 min時(shí)模型產(chǎn)生的壓縮量一致，說(shuō)明在100 min到24 h這段時(shí)間內(nèi)，PFC模型沒(méi)有被壓縮。室內(nèi)試驗(yàn)t =24 h時(shí)測(cè)得的壓縮量為1.00 2 mm，說(shuō)明在100 min到24 h這段時(shí)間內(nèi)，軟土試樣實(shí)際產(chǎn)生了0.115 mm的壓縮量，模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定的差異。

圖10 P FC模型壓縮與COMSOL模型孔壓分布圖Fig.10 Model compression and pore pressure distribution

圖1 1 壓縮量隨時(shí)間的變化曲線Fig.11 Curves of compression volume with time

圖11 為室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)軟土試樣壓縮量隨時(shí)間的變化曲線以及利用PFC-COMSOL聯(lián)合求解方案模擬得到的模型壓縮量隨時(shí)間的變化曲線。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，前100 min數(shù)值模擬得到的軟土壓縮量不斷增大，但100 min之后就不再變化，而試驗(yàn)測(cè)得壓縮量始終都在增加。從64 min和100 min時(shí)的模型的孔壓分布云圖中可以看出，64 min時(shí)COMSOL模型中的超孔壓尚未完全消散，而100 min時(shí)COMSOL模型中的超孔壓已經(jīng)完全消散，這一結(jié)果與固結(jié)試驗(yàn)的分析結(jié)論一致。本文的數(shù)值模擬的機(jī)理是根據(jù)COMSOL模型中滲流場(chǎng)的變化計(jì)算出顆粒受到的滲流力的變化，從而導(dǎo)致PFC模型的力學(xué)平衡破壞，產(chǎn)生新的變形直至進(jìn)入新的平衡狀態(tài)，一旦COMSOL模型中滲流場(chǎng)不再變化，PFC模型就不會(huì)產(chǎn)生變形，這也是數(shù)值模擬結(jié)果100 min之后壓縮量不再變化的原因。而固結(jié)試驗(yàn)中軟土試樣在超孔壓消散完畢后由于蠕變的作用將會(huì)繼續(xù)變形，壓縮量不斷變大，只是壓縮速度遠(yuǎn)小于超孔壓消散之前的階段。

根據(jù)標(biāo)定得到的細(xì)觀參數(shù)以及PFC-COMSOL聯(lián)合求解方案模擬軟土試樣的固結(jié)過(guò)程，在12.5 kPa的荷載作用下模型的最終壓縮量為0.991 mm而參數(shù)匹配時(shí)對(duì)應(yīng)荷載下模型的壓縮量為0.995 mm，誤差很小，同時(shí)模擬得到的不同時(shí)刻模型的壓縮量與試驗(yàn)結(jié)果差距也不大，說(shuō)明了本文細(xì)觀模型的參數(shù)標(biāo)定結(jié)果以及聯(lián)合求解方案是合理的。

軟土固結(jié)過(guò)程中，蠕變始終存在，實(shí)際工程中軟土地基往往有幾米甚至幾十米深，在荷載作用下軟土地基內(nèi)部超孔壓的消散將是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，這種情況下超孔壓消散階段的蠕變變形不能忽視。在分析工程實(shí)例中軟土固結(jié)問(wèn)題標(biāo)定參數(shù)時(shí)適當(dāng)考慮軟土蠕變變形可以使模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確。

4.3 監(jiān)控信息分析

在建立軟土壓縮細(xì)觀模型時(shí)將模型分為等厚度的四層，隨著模型的變形壓縮，每一層土的厚度也發(fā)生變化。利用測(cè)量圓監(jiān)控每一土層不同時(shí)刻的孔隙率變化情況，圖12是荷載為12.5 kPa時(shí)各土層孔隙率隨時(shí)間的變化曲線。從圖中可以看出，土層1與土層4、土層2與土層3的孔隙率變化曲線基本一致，這是由于固結(jié)儀是雙面排水，固結(jié)過(guò)程中土體的壓縮量關(guān)于固結(jié)儀橫向中軸線對(duì)稱。土層1與土層4的孔隙率從固結(jié)開(kāi)始就減小，而土層2與土層3在前1 min內(nèi)孔隙率基本保持不變。從整個(gè)曲線的變化過(guò)程來(lái)看，土層2與土層3的孔隙率變化滯后于土層1與土層4，但最終四個(gè)土層的孔隙率基本一致，說(shuō)明固結(jié)過(guò)程中首先出現(xiàn)不均勻壓縮，即不同位置的土層壓縮程度不一致。

圖1 2 孔隙率隨時(shí)間的變化曲線Fig.12 Curves of porosity with time

圖1 3 滲透系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線Fig.13 Curves of permeability coefficient with time

根據(jù)PFC導(dǎo)出的不同土層的孔隙率n，轉(zhuǎn)換為孔隙比e，根據(jù)文獻(xiàn)[16-17]給出的公式可以計(jì)算不同土層不同時(shí)刻的滲透系數(shù)。圖13是荷載為12.5 kPa時(shí)各土層滲透系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線，可以發(fā)現(xiàn)其變化趨勢(shì)與孔隙率隨時(shí)間變化的曲線幾乎一致。初始時(shí)刻各土層的滲透系數(shù)接近，固結(jié)過(guò)程基本結(jié)束時(shí)各土層的滲透系數(shù)也接近，但土層2與土層3的滲透系數(shù)減小的進(jìn)程明顯滯后于土層1與土層4，這與各土層孔隙率的變化規(guī)律是一致的。

目前很多海邊高速公路，大面積圍墾等工程沉降計(jì)算方法假設(shè)整個(gè)沉降過(guò)程滲透系數(shù)不變，但是根據(jù)本文結(jié)論，軟土的孔隙比，滲透系數(shù)在整個(gè)固結(jié)過(guò)程中是不斷減小的，假設(shè)滲透系數(shù)不變計(jì)算出的結(jié)果是不準(zhǔn)確的，本文得到的結(jié)論對(duì)軟土地基處理具有一定的指導(dǎo)意義。

5 結(jié)論

1）采用CLUMP模擬絮凝狀軟土顆粒模擬軟土壓縮試驗(yàn)結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果吻合。

2）數(shù)值模擬過(guò)程中超孔壓完全消散后，軟土壓縮量不再增加，而室內(nèi)試驗(yàn)超孔壓完全消散后壓縮量在蠕變作用下繼續(xù)增大。從壓縮量與時(shí)間的關(guān)系曲線可以看出軟土地基中軟土蠕變作用不容忽視，軟土地基處理工程中需重視軟土蠕變作用。

3）軟土固結(jié)過(guò)程中，土體首先出現(xiàn)不均勻壓縮，滲透系數(shù)也出現(xiàn)不均勻變化，靠近排水邊界處壓縮量較大，滲透系數(shù)減小較快，遠(yuǎn)離排水邊界壓縮量較小，滲透系數(shù)減小較慢。

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（責(zé)任編輯 王利君）

Study on the meso-mechanism of consolidation of soft soil based on PFC-COMSOL

NI Xiaodong1,2，YIN Xueqian1,2，CAI Zhong1,2
（1. Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering, Hohai University，Jiangsu Nanjing 210098 China；2. Geotechnical Research Institute , Hohai University, Jiangsu Nanjing 210098 China）

The mesostructure of soft soil has important influence on the consolidation process，it is of great guiding significance to consider soft soil structure from meso level and reveal the law of consolidation in a large area of reclamation project. In this paper, we establish the soil mesoscale model based on the discrete element method, match mesoscale parameters of the model according to the laboratory test, analyze the distribution of the seepage field in the soil body with COMSOL, realize to solve the consolidation problem of soft soil with PFC-COMSOL, and compare the analysis scheme with the laboratory test. Research results show that simulating flocculation soft soil with poly grain can truly react mesostructure characteristics of soft soil; Creep can influence the decrement in the process of consolidation of soft soil, creep should be considered in calculating the amount of soft soil compression; Uneven compression appears firstly in the process of consolidation of soft soil, after the excess pore pressure is dissipated completely, the soil recovers uniformity.

Soft soil consolidation; Mesoscale; PFC-COMSOL; Creep

TU41

A

1673-9469（2017）02-0030-07

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.02.007

2017-01-08

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(2016B08114)

尹學(xué)謙（1992-），男，江蘇宿遷人，碩士，主要從事巖土工程方面研究。