軟土固結(jié)的微觀結(jié)構(gòu)自組織演化機制及其數(shù)值模擬研究.pdf

1、軟土是沿海地區(qū)廣泛分布的一種土體,具有滲透性弱、壓縮性高和抗剪強度低等特點。大量研究表明,軟土的力學(xué)特性在很大程度上與土體的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)。軟土固結(jié)問題作為學(xué)術(shù)界與工程界共同關(guān)注的焦點問題之一,開展軟土固結(jié)過程的微觀結(jié)構(gòu)演化機制與數(shù)值模擬研究,從微觀機制上進行其宏觀變形的探討,從而搭建微觀和宏觀研究的橋梁,具有重要的理論與現(xiàn)實意義。
　　 本文針對珠江三角洲地區(qū)典型軟土,首先,系統(tǒng)分析了軟土室內(nèi)固結(jié)試驗的試驗結(jié)果和大量微觀結(jié)構(gòu)圖片

2、,研究了軟土固結(jié)過程的宏微觀參數(shù)變化規(guī)律；其次,結(jié)合礦物學(xué)和近代土質(zhì)學(xué)知識,研究了主導(dǎo)軟土結(jié)構(gòu)變形的主要因素,分析了軟土固結(jié)過程的微觀作用及其微觀結(jié)構(gòu)變化的階段性特點；然后,引入系統(tǒng)論、耗散結(jié)構(gòu)和協(xié)同學(xué)等非線性動力學(xué)理論,探討了軟土固結(jié)過程的微觀結(jié)構(gòu)自組織演化機制；最后,采用蒙特卡羅方法建立了軟土微觀結(jié)構(gòu)的隨機幾何模型,將其導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS中,進行了軟土室內(nèi)三軸固結(jié)過程的微觀結(jié)構(gòu)演化數(shù)值模擬,通過與實際土樣的三軸固結(jié)試驗結(jié)

3、果進行對比驗證,表明了模擬方法的合理可行性。本研究深入探討了軟土固結(jié)過程的微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律和本質(zhì),不僅豐富、完善和發(fā)展了土體微結(jié)構(gòu)力學(xué)的理論與方法,而且為土體微觀數(shù)值模擬研究提供了有價值的參考。
　　 論文的主要研究內(nèi)容包括:
　　 1.以珠江三角洲地區(qū)典型軟土為研究對象,系統(tǒng)分析了軟土室內(nèi)標準固結(jié)、三軸固結(jié)和直剪試驗的試驗結(jié)果,然后通過編寫圖像處理和微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)提取程序,從軟土固結(jié)過程不同狀態(tài)下的微觀結(jié)構(gòu)掃描電鏡圖片中

4、提取微觀結(jié)構(gòu)參數(shù),研究了軟土固結(jié)過程的宏微觀參數(shù)變化規(guī)律。結(jié)果表明:外荷載開始全部由孔隙水承擔；土樣體應(yīng)變隨固結(jié)時間的變化規(guī)律與孔隙水壓力的變化有較好的對應(yīng)關(guān)系；孔隙分維和顆粒分維隨荷載增大的變化趨勢基本相反,但變化幅度基本一致；土樣的粘聚力和顆粒分維隨荷載增大的變化規(guī)律十分相似,兩者基本符合線性關(guān)系。建立了固結(jié)過程中軟土微觀結(jié)構(gòu)標志性參數(shù)和宏觀性質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系。
　　 2.結(jié)合礦物學(xué)和近代土質(zhì)學(xué)知識,分析了軟土物質(zhì)成分的礦物

5、學(xué)特征以及微觀結(jié)構(gòu)要素的組成特點,指出:粉粒和粘粒的變形以及結(jié)構(gòu)連結(jié)的破壞是主導(dǎo)軟土結(jié)構(gòu)變形的主要因素；在此基礎(chǔ)上,探討了軟土固結(jié)過程中排水、土骨架變形和壓力轉(zhuǎn)移三個過程的微觀作用,并把軟土固結(jié)過程的微觀結(jié)構(gòu)變化劃分為局部小幅度調(diào)整、大量大幅度調(diào)整和穩(wěn)定調(diào)整三個階段,為進一步開展軟土固結(jié)過程的微觀結(jié)構(gòu)演化機制及其數(shù)值模擬研究奠定了基礎(chǔ)。
　　 3.引入系統(tǒng)論、耗散結(jié)構(gòu)和協(xié)同學(xué)等非線性動力學(xué)理論,探討了軟土固結(jié)過程的微觀結(jié)構(gòu)自組織

6、演化機制。首先,分析了軟土微觀結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)特性以及軟土固結(jié)過程具有的耗散結(jié)構(gòu)特點:然后,基于對結(jié)構(gòu)體子系統(tǒng)和破碎體子系統(tǒng)的抽象量化,結(jié)合均勻化理論和協(xié)同學(xué)理論,定義了一個描述軟土固結(jié)過程其微觀結(jié)構(gòu)系統(tǒng)演化程度的序參量,通過給出其演化規(guī)律的擬合方程,得到了反映軟土固結(jié)過程中微觀結(jié)構(gòu)系統(tǒng)演化的數(shù)學(xué)方法,用于定量描述固結(jié)進程。
　　 4.基于對軟土微觀結(jié)構(gòu)要素的抽象概化,采用蒙特卡羅方法建立了軟土微觀結(jié)構(gòu)的隨機幾何模型(仿真模型),并編

7、寫了相應(yīng)的仿真建模程序；將該方法應(yīng)用到實際軟土土樣的微觀結(jié)構(gòu)仿真建模中,結(jié)果表明:所建立的土樣微觀結(jié)構(gòu)仿真模型的孔隙比和各粒組含量統(tǒng)計結(jié)果與土樣通過土工試驗測得的實際結(jié)果較為接近,模型與土樣實際的微觀結(jié)構(gòu)圖像具有一定的相似度,驗證了該方法的可行性,為下一階段實現(xiàn)軟土固結(jié)過程的微觀結(jié)構(gòu)演化數(shù)值模擬提供了幾何建?；A(chǔ)。
　　 5.采用ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言.APDL,通過編寫命令流的方式將軟土微觀結(jié)構(gòu)隨機幾何模型導(dǎo)入到有限元分析軟

8、件ANSYS中:以在廣東省中江高速公路軟基試驗段采取的某軟土土樣為例,根據(jù)軟土室內(nèi)三軸固結(jié)試驗的條件和孔壓測試結(jié)果,進行了軟土室內(nèi)三軸固結(jié)過程的微觀結(jié)構(gòu)演化數(shù)值模擬。通過比較模型在不同時步的變形模擬結(jié)果,分析了軟土固結(jié)過程的微觀結(jié)構(gòu)演化特征；計算模型在各個時步的體應(yīng)變,并與土樣室內(nèi)三軸固結(jié)試驗測得的體應(yīng)變隨時間變化結(jié)果進行對比發(fā)現(xiàn),兩者隨時間變化的曲線較為一致,驗證了本文模擬方法的合理可行性,為軟土微觀力學(xué)及其數(shù)值模擬研究提供了有價值的