基于細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對地基土的各向等壓蠕變試驗進行了數值模擬，分析了試樣在不同圍壓等級下的體應變曲線與細觀結構演化特征，并采用雙曲線蠕變模型對試樣的體應變蠕變曲線進行了擬合分析。

【關鍵詞】地基土;各向等壓蠕變;二維顆粒流模擬;體應變;蠕變模型

關于工程實踐中出現的地基工后沉降和變形危害問題，受到了工程界和學術界越來越多的關注，國內外許多學者針對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乎土體變形隨時間發展的特性，包括土體在靜力加載下的蠕變特性和循環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間的發展特性，因此，本文開展地基土的蠕變特性的細觀定量數值模擬研究既具有重要的科學意義，又具有很好的工程實踐參考價值。

1.數值試樣與方案

1.1 ?數值試樣的生成

首先參照文獻[4]的數值試樣的生成方法，依據室內試驗的試樣尺寸（38mm×76mm），本文采用顆粒流軟件PFC2d內置的線性接觸模型，通過半徑擴大法生成圓盤形顆粒數值試樣的寬度：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為3595個，顆粒密度設置為2650kg/m3，通過反復的調試設置顆粒的彈性模量為60MPa，法向與切向剛度比設置為1.5。然后，通過調用顆粒流程序中內置的Burgers流變模型取代之前生成試樣時所采用的線性接觸模型，隨后通過循環使得試樣達到平衡。

1.2 數值試驗方案

為了從細觀角度研究地基土顆粒試樣在不同圍壓加載條件下內部結構的蠕變演化特征，根據已有室內試驗研究成果，本文采用PFC2d細觀數值模擬的方法開展試樣在不同圍壓加載下蠕變特性，數值試驗方案如表1所示。

2.數值模擬結果與分析

2.1試樣的變形曲線分析結果

試樣在變形過程呈現出明顯的三階段變形特征，分別是從瞬時變形逐步發展為衰減變形，最后形成穩定變形狀態，變形曲線也呈現出較為明顯的雙曲型非線性特征。當試樣所受的荷載水平較低時，發現試樣的變形量較小，變形發現的穩定時間越快，衰減階段的時間較小，但隨時試樣作用的荷載水平的增加，試驗變形的穩定速度越慢，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變曲線與時步的對數曲線呈現非線性變形規律，當作用的荷載水平越低，體應變衰減階段的時間越短，試樣穩定得越快，隨時荷載水平的增大，試樣體應變的發展越慢，衰減穩定的時間越長。

2.2試樣配位數時步曲線分析

通過統計試樣在不同圍壓作用下配位數隨時步的發展規律，試樣的平均配位數隨時步的發展規律與試樣的體應變隨時步的發展的規律大致相同，也存在先快速增大，隨后慢速發展，最后穩定的三階段演變特征，同樣演變的速度與荷載的大小有關，當作用的荷載較小時，衰減發展階段較短，試樣進入穩定的時間越快，隨時荷載水平的增大，試樣衰減發展的過程較長，試樣進入穩定的時間越長。

2.3試樣的細觀組構演化分析

試樣在各向等壓作用下力鏈的分布比較均勻，初始時表現較為松散，但隨著荷載水平的逐步提高，試樣內部顆粒向內部中心移動，接觸力得到加強，隨后逐步呈現穩定狀態，說明試樣在荷載作用下試樣內部顆粒不斷進行調整至穩定狀態，顆粒調整的速度與荷載水平的大小有關。

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]對試樣在各向等壓蠕變試驗中的試樣蠕變曲線進行擬合分析。如圖1所示，可以發現數值試樣的體應變蠕變曲線與雙曲線蠕變模型的擬合精度較好，雙曲線模型對試樣曲線的擬合精度基本在95%左右，說明雙曲線模型能夠較好對該試樣的體應變曲線的規律進行描述。

3.結論

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試驗的數值模擬研究，分析了試樣在不同圍壓等級作用下的變形曲線與細觀結構演化規律，得到如下研究結論：（1）在不同的圍壓大小的作用下，可以發現試樣在變形過程呈現出明顯的三階段變形特征，分別是從瞬時變形逐步發展為衰減變形，最后形成穩定變形狀態，變形曲線也呈現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在不同圍壓荷載作用下的變化規律，可以發現當荷載水平越低時，試樣的平均配位數的變化越平緩，當荷載水平越高時，試樣的配位數變化曲線的衰減變化階段越明顯，試樣穩定得越慢。當荷載越大時，試樣的平均配位數越多，說明試樣越密實，試樣內部形成的結構越明顯。（3）雙曲線模型對試樣的體應變蠕變曲線的擬合效果較好，可以很好地描述試樣的體應變蠕變特征。

參考文獻

[1]Zhu J.G. Rheological behavior and elastic viscoplastic modeling of soil[M]. Beijing China： Science press， 2007.

[2]張留俊，王福勝，劉健都.高速公路軟土地基處理技術[M].北京：人民交通出版社，2002.

[3]孫鈞.巖土材料流變及其工程應用[M].北京中國建筑工業出版社，1999.

[4]肖斌. 重塑粉質黏土的蠕變特性及蠕變模型研究[D].浙江工業大學，2017.

【浙江省教育廳一般科研項目（項目編號：Y20180605）。】

（作者單位：浙江同濟科技職業學院）

【中圖分類號】TU753

【文獻標識碼】B

【文章編號】1671-3362（2020）10-0078-02

勘誤

本刊2020年9期第54-55頁“基于灰色GM（1，1）模型的建筑施工安全事故預測”一文，應注明該文屬于“2020年河南省軟科學研究計劃項目‘基于灰色系統理論的河南省建筑行業安全生產事故預測研究基金項目（項目編號：202400410360）”。

第68-71頁“江西民國建筑探析”一文應注明該文屬于：1. 南昌老城區民國時期建筑裝飾藝術研究，江西藝術科學規劃項目（項目編號：YG2011090）;2. 南昌老城區民國時期建筑裝飾藝術的分析研究，江西農業大學科學研究基金項目（項目編號：QN11YS01）。

特此更正，并向該文作者表示誠摯的歉意。