基于细观定量分析方法的地基土蠕变特性与模型研究

【摘要】本文通过采用颗粒流程序PFC2d对地基土的各向等压蠕变试验进行了数值模拟，分析了试样在不同围压等级下的体应变曲线与细观结构演化特征，并采用双曲线蠕变模型对试样的体应变蠕变曲线进行了拟合分析。

【关键词】地基土;各向等压蠕变;二维颗粒流模拟;体应变;蠕变模型

关于工程实践中出现的地基工后沉降和变形危害问题，受到了工程界和学术界越来越多的关注，国内外许多学者针对地基土的工后沉降问题积累了众多研究成果[1-4]。地基土的工后沉降变形关乎土体变形随时间发展的特性，包括土体在静力加载下的蠕变特性和循环加载下的变形累积特性。地基土的蠕变特性即为地基土变形随时间的发展特性，因此，本文开展地基土的蠕变特性的细观定量数值模拟研究既具有重要的科学意义，又具有很好的工程实践参考价值。

1.数值试样与方案

1.1  数值试样的生成

首先参照文献[4]的数值试样的生成方法，依据室内试验的试样尺寸（38mm×76mm），本文采用颗粒流软件PFC2d内置的线性接触模型，通过半径扩大法生成圆盘形颗粒数值试样的宽度：38mm、高度：76mm的试样，其中试样的最大粒径为0.08mm，最小粒径为0.03mm。试样的圆盘形颗粒总数为3595个，颗粒密度设置为2650kg/m3，通过反复的调试设置颗粒的弹性模量为60MPa，法向与切向刚度比设置为1.5。然后，通过调用颗粒流程序中内置的Burgers流变模型取代之前生成试样时所采用的线性接触模型，随后通过循环使得试样达到平衡。

1.2 数值试验方案

为了从细观角度研究地基土颗粒试样在不同围压加载条件下内部结构的蠕变演化特征，根据已有室内试验研究成果，本文采用PFC2d细观数值模拟的方法开展试样在不同围压加载下蠕变特性，数值试验方案如表1所示。

2.数值模拟结果与分析

2.1试样的变形曲线分析结果

试样在变形过程呈现出明显的三阶段变形特征，分别是从瞬时变形逐步发展为衰减变形，最后形成稳定变形状态，变形曲线也呈现出较为明显的双曲型非线性特征。当试样所受的荷载水平较低时，发现试样的变形量较小，变形发现的稳定时间越快，衰减阶段的时间较小，但随时试样作用的荷载水平的增加，试验变形的稳定速度越慢，变形三阶段的特征越明显。试样在同样的围压作用下的体应变曲线与时步的对数曲线呈现非线性变形规律，当作用的荷载水平越低，体应变衰减阶段的时间越短，试样稳定得越快，随时荷载水平的增大，试样体应变的发展越慢，衰减稳定的时间越长。

2.2试样配位数时步曲线分析

通过统计试样在不同围压作用下配位数随时步的发展规律，试样的平均配位数随时步的发展规律与试样的体应变随时步的发展的规律大致相同，也存在先快速增大，随后慢速发展，最后稳定的三阶段演變特征，同样演变的速度与荷载的大小有关，当作用的荷载较小时，衰减发展阶段较短，试样进入稳定的时间越快，随时荷载水平的增大，试样衰减发展的过程较长，试样进入稳定的时间越长。

2.3试样的细观组构演化分析

试样在各向等压作用下力链的分布比较均匀，初始时表现较为松散，但随着荷载水平的逐步提高，试样内部颗粒向内部中心移动，接触力得到加强，随后逐步呈现稳定状态，说明试样在荷载作用下试样内部颗粒不断进行调整至稳定状态，颗粒调整的速度与荷载水平的大小有关。

2.4双曲线蠕变模型拟合分析

通过采用前期研究建立的双曲线蠕变模型[4]对试样在各向等压蠕变试验中的试样蠕变曲线进行拟合分析。如图1所示，可以发现数值试样的体应变蠕变曲线与双曲线蠕变模型的拟合精度较好，双曲线模型对试样曲线的拟合精度基本在95%左右，说明双曲线模型能够较好对该试样的体应变曲线的规律进行描述。

3.结论

本文基于颗粒流软件PFC2d，开展地基土在不同围压作用下各向等压蠕变试验的数值模拟研究，分析了试样在不同围压等级作用下的变形曲线与细观结构演化规律，得到如下研究结论：（1）在不同的围压大小的作用下，可以发现试样在变形过程呈现出明显的三阶段变形特征，分别是从瞬时变形逐步发展为衰减变形，最后形成稳定变形状态，变形曲线也呈现出较为明显的双曲型非线性特征;（2）通过分析不同均压大小下试样的配位数在不同围压荷载作用下的变化规律，可以发现当荷载水平越低时，试样的平均配位数的变化越平缓，当荷载水平越高时，试样的配位数变化曲线的衰减变化阶段越明显，试样稳定得越慢。当荷载越大时，试样的平均配位数越多，说明试样越密实，试样内部形成的结构越明显。（3）双曲线模型对试样的体应变蠕变曲线的拟合效果较好，可以很好地描述试样的体应变蠕变特征。

参考文献

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

[2]张留俊，王福胜，刘健都.高速公路软土地基处理技术[M].北京：人民交通出版社，2002.

[3]孙钧.岩土材料流变及其工程应用[M].北京中国建筑工业出版社，1999.

[4]肖斌. 重塑粉质黏土的蠕变特性及蠕变模型研究[D].浙江工业大学，2017.

【浙江省教育厅一般科研项目（项目编号：Y20180605）。】

（作者单位：浙江同济科技职业学院）

【中图分类号】TU753

【文献标识码】B

【文章编号】1671-3362（2020）10-0078-02

勘误

本刊2020年9期第54-55页“基于灰色GM（1，1）模型的建筑施工安全事故预测”一文，应注明该文属于“2020年河南省软科学研究计划项目‘基于灰色系统理论的河南省建筑行业安全生产事故预测研究基金项目（项目编号：202400410360）”。

第68-71页“江西民国建筑探析”一文应注明该文属于：1. 南昌老城区民国时期建筑装饰艺术研究，江西艺术科学规划项目（项目编号：YG2011090）;2. 南昌老城区民国时期建筑装饰艺术的分析研究，江西农业大学科学研究基金项目（项目编号：QN11YS01）。

特此更正，并向该文作者表示诚挚的歉意。