高靈敏性軟土觸變性數(shù)值模擬_徐永福

1、第一屆全國巖土本構(gòu)理論研討會(huì)論又集高靈敏性軟土觸變性數(shù)值模擬徐永福徐歡吳念眾(上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑匸程學(xué)院，上海200240)摘要：觸變性是軟上的力學(xué)特性之一，表現(xiàn)為軟上在外力的干擾F，土的結(jié)構(gòu)破壞，剪切強(qiáng)度劇烈降低；外力干擾 停止后，隨時(shí)間的增長，軟土強(qiáng)度逐漸恢復(fù)。高靈敏性軟土的觸變性將導(dǎo)致土體強(qiáng)度在短時(shí)間內(nèi)大幅度降低，甚至喪 失，帶來地基失穩(wěn)、滑坡等災(zāi)難性后果，使地基產(chǎn)生較大的工后沉降。本論文基于多維虛內(nèi)鍵(VMIB)模型研究了擾 動(dòng)形式和擾動(dòng)時(shí)間對(duì)超靈敏土的觸變性、觸變破壞和強(qiáng)度恢復(fù)的影響，從軟土內(nèi)部微粒連結(jié)鍵剛度直接導(dǎo)出材料的宏 觀本構(gòu)方程，通過在本構(gòu)關(guān)系中嵌入了時(shí)間因素，研究觸

2、變后強(qiáng)度恢復(fù)特性。研究結(jié)果表明：對(duì)丁超靈敏土，擾動(dòng)時(shí) 間和擾動(dòng)形式是軟土觸變破壞的主要因素。關(guān)鍵詞：土力學(xué)，軟土，觸變性，數(shù)值模擬，VM1B模型作者簡介：徐永福(1967 -),男，江蘇泰興人，上海交通大學(xué)教橙、博士生導(dǎo)師，從事土力學(xué)和巖土工程技術(shù)研究。Numerical simulation on rheopexy of quick clayXU Yong-fu, XU Huan, WU Niar.-zhong(Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240; China)Abstract: Rheopexy of quick clay mani

3、fests that the structure of soil fails and the sharing strength decreases greatly with disturbance, and with the disappearance of disturbance, both the structure and the sharing strength gains a recovery gradually. The rheopexy of quick clay with high sensitivity would lead to a sudden decrease of s

4、haring strength in little time. Furthermore, there would come a weak interface in the soil and landslide may occur, which may also lead to serious settlement after construction more than expected. This paper introduces a model of homogeneous quick c【ay. The numerical simulation is based on the mecha

5、nical model of VMIB, which is deemed that the material particles in microscopic are connected with normal bond possessing normal and shear stiffness. The factor of time is also embedded in the VMIB constitutive relation for its special influence. The numerical simulation results show that the distur

6、bance time and disturbance type are the main factors on the rheopexy of quick clay.Key words: soil mechanics, quick clay, rheopexy, numerical simulation, VMIB model? 1994-2015 China Academic Journal Ekclronic Publishing House. All rights reserved.hltp：/?第一屆全國巖土本構(gòu)理論研討會(huì)論又集? 1994-2015 China Academic Jo

7、urnal Ekclronic Publishing House. All rights reserved.hltp：/?第一屆全國巖土本構(gòu)理論研討會(huì)論又集o前 言近年來，在江蘇里下河地區(qū)的高速公路建設(shè)過 程屮，遇到了粉噴樁下沉現(xiàn)象，表現(xiàn)為樁頂1.0 I.5m范圍內(nèi)出現(xiàn)空洞，洞內(nèi)地下水位在0.51.0m 左右，附近小河內(nèi)水變渾濁。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)， 粉噴樁施工引起軟土觸變，強(qiáng)度極人地降低，軟基 處理造成軟土地基災(zāi)害性破壞。早在1953年，挪威 首都奧斯陸東北約30km的Ullensaker發(fā)生了軟土 地基的滑坡，通過對(duì)滑坡進(jìn)行分析，認(rèn)為在滑動(dòng)面 上，軟土以泥漿形式存在，剪切強(qiáng)度完全喪失，隨 后強(qiáng)

8、度又得到-足程度的恢復(fù)，軟土觸變性概念山 此提出。觸變性指軟土在外力的作用下，土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度劇 烈降低，甚至發(fā)生流動(dòng)，外力停止后隨時(shí)間的增長而 逐漸恢復(fù)結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的現(xiàn)彖。當(dāng)軟七遭受強(qiáng)烈擾動(dòng) 后，顆粒間產(chǎn)生滑動(dòng)位移，吸附陽離子和水分子的定 向排列以及膠結(jié)物和孔隙狀態(tài)等受到破壞打破原來 的相對(duì)平衡，土的結(jié)構(gòu)變成某種程度的分散結(jié)構(gòu)，削 弱了顆粒之間的結(jié)構(gòu)連接，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，呈不 穩(wěn)定的流塑狀態(tài)。當(dāng)靜置一段時(shí)間后，顆粒和水分f 以及上述其他結(jié)構(gòu)重新調(diào)整排列，強(qiáng)度也逐漸恢復(fù)【鐵 復(fù)合地基施工資料表明：復(fù)合地基施丄引起軟土觸變 流動(dòng)，造成攪拌樁出現(xiàn)鼓脹、大肚現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)斷 樁，軟土的蝕變性會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的

9、工后沉降。張振南 和葛修潤提出的多維虛內(nèi)鍵（VM田）模型能很好地 模擬軟土的觸變，即當(dāng)土粒間的距離超過某數(shù)值時(shí)， 土體剛度為0,無法承載外力。本文釆用多維虛內(nèi)基金項(xiàng)目：江蘇省交通科技項(xiàng)目（編號(hào)08Y01）鍵（VM田）模型模擬軟土觸變形式和觸變強(qiáng)度恢復(fù) 特性。1多維虛內(nèi)鍵（VMIB）模型多維虛內(nèi)鍵（VMIB）模型（圖1）認(rèn)為連續(xù)介質(zhì) 在微觀上是由隨機(jī)分布的材料微粒組成，微粒Z間由 帶有切向和法向剛度的法向鍵連結(jié)，材料的宏觀本構(gòu) 方程直接由虛內(nèi)鍵的切向剛度和法向剛度系數(shù)表示。元，結(jié)點(diǎn)數(shù)為100,每個(gè)單元的幾何尺寸為腰長 100cm的等腰直角三角形。計(jì)算模型圖如圖2所樂。2模型驗(yàn)證為了計(jì)算土體的應(yīng)力

10、一應(yīng)變曲線，引進(jìn)虛內(nèi)健 的演化方程：? 1994-2015 China Academic Journal Ekclronic Publishing House. All rights reserved.hltp：/?第一屆全國巖土本構(gòu)理論研討會(huì)論又集? 1994-2015 China Academic Journal Ekclronic Publishing House. All rights reserved.hltp：/?第一屆全國巖土本構(gòu)理論研討會(huì)論又集虛內(nèi)鍵的切向剛度（r）和法向剛度4）系數(shù)與宏觀式中a和b為模型參數(shù)，6為虛內(nèi)鍵的變形指標(biāo),? 1994-2015 China Acade

11、mic Journal Ekclronic Publishing House. All rights reserved.hltp：/?第一屆全國巖土本構(gòu)理論研討會(huì)論又集參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系為： 平面應(yīng)力：, 2VE VE（l-3ju）門、 k = :, r-尸（la）必（1-“） 兀（1-“）平面應(yīng)變：“一如1也） 式中E是彈性模量，“是泊松比。四階彈性張量為: C _ KM。'鬲""+ 吃巧Vi久 +riVjmrJn 呻"+呦;M；）W，0）sin0d0d0 對(duì)于平面問題，選取3結(jié)點(diǎn)單元有限元分析程序，依 據(jù)VMIB模型中離散數(shù)據(jù)，由四階彈性張量C構(gòu)成系

12、數(shù)矩陣有限元求解方程 2P得到結(jié)點(diǎn)位移G P是等效結(jié)點(diǎn)載荷列陣。確定結(jié)點(diǎn)位移a后，以結(jié) 點(diǎn)位移為基礎(chǔ)，碓定各結(jié)點(diǎn)、各單元的應(yīng)力與應(yīng)變。模擬土體截面為無限厚地基屮截取的尺寸為900材料微粒千圖1多維虛內(nèi)鍵（WIB）模型示意圖Fig. 1 VMIB model圖2多維虛內(nèi)鍵（VMIB）模型計(jì)算模型圖Fig. 2 Numerical simulation model cmx900cm的截面，劃分為162個(gè)三結(jié)點(diǎn)三角形單8 = I庇+ 0/。5（1 +/是虛內(nèi)犍的法向變形的絕對(duì)值；"為虛內(nèi)鍵最大轉(zhuǎn)角的絕對(duì)值，滬max伽,傷， 0尸I諭亦，傷勻觀j"j”|,肆為偏應(yīng)變張量；心為單 軸

13、抗壓應(yīng)變強(qiáng)度。離散單元經(jīng)歷兩個(gè)狀態(tài)：彈性變形 和破壞狀態(tài)。M.0,離散單元是線彈性的；fel.O, 離散單元發(fā)生斷裂。241選取三種常見土：砂土，E=46MPa,尸0.28；粉 質(zhì)粘土, E=llMPa,尸040；軟粘土, E=4MPa,尸0.40。£（%）圖3三類土的應(yīng)力一應(yīng)變曲線比較Fig. 4 Stress-strain curve simulation of sand 土體應(yīng)力一應(yīng)變曲線的計(jì)算結(jié)果如圖3所示,圖中表 現(xiàn)的變形特性與試驗(yàn)結(jié)果是一致的。為了進(jìn)一步驗(yàn)證上體應(yīng)力一應(yīng)變曲線計(jì)算結(jié)? 1994-2015 China Academic Journal Ekclronic P

14、ublishing House. All rights reserved.hltp：/?第一屆全國巖土本構(gòu)理論研討會(huì)論文集果，選取文獻(xiàn)習(xí)中的試驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到, E=7.02MPa, “=0.4。選取“=0.6,掃 1.0,讓算結(jié)果 與試驗(yàn)結(jié)果比較于圖4中。模型參數(shù)a和b對(duì)土體應(yīng)力一應(yīng)變曲線影響表 示在圖5中，參數(shù)b控制著土體應(yīng)變軟化特性，b 越大，土體應(yīng)變軟化越明顯，如圖5a所示：°反映 了土體壓縮強(qiáng)度特性，a越大，上體強(qiáng)度越大，如 圖5b所示。3擾動(dòng)形式對(duì)觸變的影響模擬沉積軟粘土隨著擾動(dòng)應(yīng)變逐漸增加，強(qiáng)度緩慢 減小，在擾動(dòng)應(yīng)變達(dá)到一定值后，強(qiáng)度基本喪失， 這就是軟土的觸變

15、現(xiàn)象。四種擾動(dòng)形式，即形變協(xié) 調(diào)應(yīng)力、均布樂應(yīng)力、橫向集中壓力、縱向集中壓 力，引起土體觸變變形如圖6所示。七體施加均布應(yīng) 力擾動(dòng)和施加變形協(xié)調(diào)應(yīng)力擾動(dòng)引屆的觸變行為相 同。橫向集中載荷作用h,由于已經(jīng)控制了縱向的 邊界條件,橫向集中載荷對(duì)土體結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)比較小。0510152025e (%)圖5參數(shù)占和0對(duì)應(yīng)力一應(yīng)變曲線的影響Fig. 5 Influence of a and b on the stress-train curve 縱向集中載荷擾動(dòng)能引起軟上觸變破壞，從曲 線中可以看出在擾動(dòng)應(yīng)變很小的時(shí)候a<5%), 土 體強(qiáng)度未岀現(xiàn)明顯的下降，擾動(dòng)導(dǎo)致的土體強(qiáng)度喪 失很小。當(dāng)擾動(dòng)應(yīng)變隨

16、著載荷進(jìn)一步加人到一定程 度Z后(£>6.5%),曲線出現(xiàn)明顯的突變下降，強(qiáng) 度瞬間卜降，土體由固態(tài)變成流塑狀態(tài)，產(chǎn)生觸變 破壞。因此，只有縱向集中壓力這種擾動(dòng)形式能引 起軟粘土觸變。衣擾動(dòng)條件完全不變的情況卜；砂、粉質(zhì)粘土 和軟粘土的力學(xué)表現(xiàn)明顯不同(圖7)。施加形變協(xié) 調(diào)載荷、均布應(yīng)力、橫向集中壓力擾動(dòng)，砂、粉質(zhì) 粘土和軟粘土的強(qiáng)度變化規(guī)律兒乎完全一致。施加 縱向集中壓力擾動(dòng)，砂、粉質(zhì)粘土和軟粘上強(qiáng)度變 化規(guī)律不同.無論擾動(dòng)應(yīng)變多大，砂不出現(xiàn)觸變破 壞：粉質(zhì)粘上與軟粘土一樣，出現(xiàn)觸變破壞。粉質(zhì) 粘土出現(xiàn)觸變破壞的擾動(dòng)應(yīng)變&1%,軟粘土出現(xiàn)觸 變破壞的擾動(dòng)應(yīng)變6.5%

17、,引起粉質(zhì)粘土觸變的擾動(dòng) 應(yīng)變比軟粘七的值大，與實(shí)際借況是一致的。4觸變恢復(fù)模擬均質(zhì)土體VMIB模型的切向剛度和法向剛度隨 時(shí)間恢復(fù)是同步的，均質(zhì)土體的切向朋度和法向剛 度的80海相沉枳軟粘上604020(EdA)倒歌變形協(xié)調(diào)應(yīng)力均布應(yīng)力縱向集中壓力橫向集中壓力02005OW5O11(Ede5/唱2468擾動(dòng)應(yīng)變(%)變形協(xié)調(diào)應(yīng)力均布應(yīng)力縱向集中壓力橫向集中壓力00246810擾動(dòng)應(yīng)變(%)圖6擾動(dòng)形式對(duì)觸變的影響Fig. 6 Influence of disturbance type on rheopexyFig. 7 The disturbance of soils演化方程可以表示為：卜：

18、低p水xpmr(4) 式中加)是時(shí)間的函數(shù)。軟土觸變后的強(qiáng)度恢復(fù)程度 不僅僅取決于觸變前的強(qiáng)度，還與軟土受到的外加 擾動(dòng)形式和擾動(dòng)時(shí)間有關(guān)。因此，在剛度演化方程 中引進(jìn)考慮觸變發(fā)生時(shí)間影響的參數(shù)6,調(diào)整 可以控制軟土的觸變發(fā)生時(shí)間。土的靈敏度影響了 觸變發(fā)生時(shí)間，靈敏度越高，觸變發(fā)生的時(shí)間越早。 土體觸變后恢復(fù)時(shí)間與土體性質(zhì)密切相關(guān)，定義參 數(shù)C2表示恢復(fù)時(shí)間的遲早?？紤]以上影響因素，給出剛度的演化方程(4)中的時(shí)間函勦U)為:(5)Skempton和Northey指出，觸變粘土恢復(fù)時(shí)間等于 該類粘土形成的地質(zhì)年齡,軟土的地質(zhì)年齡與式(5)中的無窮時(shí)間有差別，因此，對(duì)式(5)中的變量時(shí) 間f做

19、出調(diào)整，給出VMIB模型中虛內(nèi)鍵剛度與時(shí)間 關(guān)系的函數(shù)表達(dá)式為：(6)釆用強(qiáng)度比來衡量觸變軟土強(qiáng)度恢復(fù)程度，強(qiáng)度 比是軟土在時(shí)刻f軟土的強(qiáng)度與原狀土強(qiáng)度之比，原狀土的強(qiáng)度是指特定應(yīng)變卜的應(yīng)力值，海相沉積軟粘土(E=4MPa “=0.40)的特定應(yīng)取e3.5%此應(yīng)變下軟 粘土的連結(jié)鍵的切向、法向鍵均未被削弱，強(qiáng)度基本 與原狀土強(qiáng)度相等。軟粘土的原狀上強(qiáng)度(尸3.5%) 為a=591kPao將強(qiáng)度比值作為縱坐標(biāo)更加直觀體現(xiàn)出土體強(qiáng)度的降低程度，曲線最低點(diǎn)數(shù)值的倒數(shù)即為軟 土的靈敏度。橫坐標(biāo)為擾動(dòng)施加時(shí)間和擾動(dòng)后軟土靜 置時(shí)間與理論上無窮時(shí)間b的比值。Fig. 9 Influence of b on

20、 rheopexy圖8中表現(xiàn)了參數(shù)。對(duì)土體觸變強(qiáng)度的影響，其他 三個(gè)參數(shù)的取值為R2, c】=3, d 從圖8中可以看 出，強(qiáng)度呈現(xiàn)出先降低再升高的趨勢，符合觸變現(xiàn)象。 參數(shù)a的變化對(duì)曲線的變化趨勢和形狀形響不大，各 條曲線的最低強(qiáng)度均出現(xiàn)在竹=0.35。隨著a取值的不 斷增加，曲線的最低值逐漸減小。對(duì)四組參數(shù)a不同 土體的重塑強(qiáng)度進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)在X1.5的范圍內(nèi)，重 塑強(qiáng)度是與參數(shù)a的取值成反比的，也就是說，參數(shù)。 是軟土靈敏度的決定因素。圖9中給出了參數(shù)b對(duì)觸變強(qiáng)度的影響，其他三個(gè) 參數(shù)的取值為尸1, ci=3, c2=2o參數(shù)b的變化體現(xiàn)了 不同土體在發(fā)生觸變時(shí)，強(qiáng)度變化趨勢是不同的。比

21、 較6=1和b=4的曲線，在施加擾動(dòng)后的初始階段，前者 對(duì)擾動(dòng)更加敏感，強(qiáng)度立刻有一明顯的下降，后者的 下降幅度并不大，尤其在r/r-<0.1時(shí)，強(qiáng)度基本仍然為 原強(qiáng)度。施加擾動(dòng)達(dá)到一定時(shí)間后，后者顯示出相當(dāng) 明顯的強(qiáng)度下降趨勢，在一特定時(shí)間(加，0.22),兩 條曲線第一次相交，土體強(qiáng)度下降趨勢都逐漸趨緩，24371994-2015 China Academic Journal Ekclronic Publishing House. All rights reserved http:ZA第一屆全國巖土本構(gòu)理論研討會(huì)論文集的曲線更加明顯，導(dǎo)致重塑強(qiáng)度有所差別，后者 的重塑強(qiáng)度小。b=4的

22、曲線體現(xiàn)出更快的恢復(fù)速度， 在竹一0.45時(shí)，兩條曲線第二次相交。竹亠0.75時(shí)，b=4 的曲線已經(jīng)基本恢復(fù)到原強(qiáng)度，此后強(qiáng)度基本穩(wěn)定。 界1的曲線強(qiáng)度只恢復(fù)到原強(qiáng)度的80%,土體強(qiáng)度最終只能恢復(fù)到原強(qiáng)度，僅恢復(fù)了的90%。比較圖9 II I I 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 進(jìn)圖10參數(shù)。對(duì)觸變強(qiáng)度的影響(b) c,=5圖11參數(shù)Q對(duì)觸變強(qiáng)度的影響Fig. 11 Influence of c2 on rheopexy中強(qiáng)度恢復(fù)曲線，可以看出參數(shù)對(duì)觸變強(qiáng)度的影響 包括兩個(gè)方面：一是決定觸變土強(qiáng)度恢復(fù)曲線的形狀，二是影響土的靈敏度。隨著時(shí)

23、間的推移，土體結(jié) 構(gòu)對(duì)擾動(dòng)的反應(yīng)會(huì)變化，軟土觸變?cè)跀_動(dòng)開始施加時(shí) 并不立刻體現(xiàn)，而在擾動(dòng)一定時(shí)間后，強(qiáng)度才大幅削 弱，這就為實(shí)際施工過程提供了可優(yōu)化的空間。圖10中給出了參數(shù)5對(duì)觸變強(qiáng)度的影響，其他三 個(gè)參數(shù)的取值為尸1, b=3, c2=20這組曲線明顯的特 點(diǎn)就是各條曲線的最低點(diǎn)的取值都是相同的，也就是 說，5與土的靈敏度無關(guān)，6的取值范圍大于1。圖10 中可以看出，隨著&增大，土體恢復(fù)到原狀土強(qiáng)度的 時(shí)間越短，土體強(qiáng)度降低的趨勢越明顯。5與土體發(fā) 生觸變的時(shí)間和觸變后的強(qiáng)度恢復(fù)速度有關(guān)，隨著q 增犬，土體觸變發(fā)生時(shí)間越短、強(qiáng)度恢復(fù)的速度越快, 5過小，土體很難觸變；即使假設(shè)發(fā)生觸

24、變，也無法 在地質(zhì)年齡內(nèi)恢復(fù)至原強(qiáng)度。圖11中給出了參數(shù)C2對(duì)觸變的影響，圖11a中的參 數(shù)的取值為滬1,匸3, d=3；圖lib中的參數(shù)取值為 E, b=3, d=50隨著C2逐漸增大，曲線最低點(diǎn)出現(xiàn) 的時(shí)間更早。Skempton和Northy對(duì)Detroit I沉積軟粘土進(jìn)行 了觸變一恢復(fù)試驗(yàn)，得到了原狀土一重塑土一恢復(fù) 土強(qiáng)度演化的完整曲線，如圖12所示。利J1JVMIB 模型，選取a、b、ci和C2取值，能很好的擬合Detroitl 沉積軟粘土擾動(dòng)一恢復(fù)強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律，如圖12所示。5觸變沉降計(jì)算選取海洋沉積軟土，E=4MPa, “=0.40,分析不同 模世參數(shù)軟土觸變引起的沉降，沉降計(jì)

25、算結(jié)果如圖13 所示，觸變沉降大120mm,觸變沉降時(shí)間達(dá)到0.2。， 說明擾動(dòng)沉降量可觀，沉降發(fā)展時(shí)間很長。軟土觸變 引起土體沉降是實(shí)際丁程中出現(xiàn)過大工后沉降的原f8圖12軟土觸變一恢復(fù)的試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的比較Fig. 12 Comparison between experiments and simulation21994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing HMdsu. All rights reserved http:/Avxnki.H0t第屆全國巖土本構(gòu)理論研討會(huì)論文集71994-2015 China Academ

26、ic Joiimal Ekclronic Publishing House, All rights reserved hltp：/?第屆全國巖土本構(gòu)理論研討會(huì)論文集-20-40-60-60參數(shù)a對(duì)工后沉降的彭響-100Vt0.000.05 0.10 0.15 0.200 250.300.350' I _ I * v I b=2c,=3c?=2aO.5 -a=1-a=1.25 a=1.5參數(shù)b對(duì)詬沉降的影響-80-100-120E -40H -60(a)參數(shù)a的影響Vt0.00 0.05 0.10 0.15 1).20 0.25 0.30 0.35Q .1丄 丄 _ . 1.54 3 2

27、1 .1 ggb=Eb=(b)參數(shù)b的影響0.00 0.05 010 0 150.25 0.30 0.35 0.40-20«60-80-100-20-4060£ -40(d)參數(shù)C2的彫響 圖13軟上觸變沉降計(jì)算結(jié)果Fig. 13 Settlement due to rheopexy因。江蘇連云港地區(qū)，軟土地基釆用復(fù)合地基處理， 處理后的路基沉降比計(jì)算值大很多，并且沉降穩(wěn)定時(shí) 間比較長，路基沉降觀測結(jié)果無法解釋。圖13中的 計(jì)算結(jié)果很好地解釋了此沉降過大和不穩(wěn)定現(xiàn)象。£ 合地基施工過程中，對(duì)軟土產(chǎn)生了擾動(dòng)，引起軟土觸 變，觸變沉降是漫長的過程，觸變沉降增大路基總沉 降量。6結(jié)論多維虛內(nèi)鍵(VMIB)模型是假設(shè)連續(xù)介質(zhì)土體 可