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原文传递软土路基双重非线性流—固耦合仿真分析与沉降预测

论文题名：	软土路基双重非线性流—固耦合仿真分析与沉降预测
关键词：	软土路基;沉降预测;粘弹塑性模型;流-固耦合分析;软土变形;计算机仿真
摘要：	稳定和过量沉降是软土地基工程中必须面对的两大问题。路基的过量沉降或不均匀沉降将导致线路运营条件恶化、乘客舒适度降低、甚至危及行车安全。严格控制工后沉降量是设计和修筑软土路基的技术关键，而合理、准确地预测沉降发展过程，又是经济合理地选择地基处理措施、科学安排施工进度、合理确定路面铺筑时间、有效减少工后沉降的技术基础。本文结合湖南省和广东省的相关科研项目，针对软土路基沉降分析和预测这一课题，基于粘弹塑性大位移问题的双重非线性流—固耦合分析方法，从室内试验、现场监测、理论研究、数值模拟到工程应用，进行了系统深入的探讨。主要工作有： 1.通过室内试验，分析了广东省西部沿海地区软粘土的基本物理力学特性、水理特性、应力—应变特性、应力历史特性等；并通过长期蠕变试验，研究软粘土的流变特性、流变参数、超载预压对软粘土变形规律的影响。 2.基于丰富翔实的现场实测数据，全面地分析了软粘土地基的竖向位移(沉降和分层沉降)、水平位移的发展规律和孔隙水压力的消散规律；获得了“薄层轮加法”施工对软土路基稳定性和变形的影响规律。研究表明，对具有明显流变特征的软粘土地基上分级修筑的路基进行双重非线性流-固耦合分析能更合理地考虑时间、荷载效应对变形的影响。 3.将任意固结度Ui下土体强度指标φ、c与常规固结不排水剪试验所得强度指标cu、ccu或'、c′之间的关系引入Mohr-Coulomb屈服准则，提出了修正Mohr-Coulomb准则。首次提出了有限元分析中考虑软土地基强度随固结度增长的方法，该方法能合理地考虑强度增长对土体应力场、位移场的影响。 4.考虑软土变形的大位移、大应变、流—固耦合及依时性特点，创建了采用粘弹塑(西原)模型模拟土骨架，并采用动态“生”、“死”单元模拟路堤的施工过程，以及考虑强度随固结度增长的软土路基双重非线性流—固耦合分析模型，推导了用于增量分析的连续性方程和U.L.J.格式平衡方程，建立了分析软土路基的双重非线性有限元列式和迭代求解算法，并编制了大型实用化有限元分析程序LSVEP，该程序除了具有上述流—固耦合双重非线性分析与施工过程仿真分析功能外，还提供了多种方法计算路基施工过程中不同时刻的地基固结度，以供工程现场依据不同情况选用。 5.对计算中涉及到的9个参数进行深入了的参数敏感性分析，从而了解了各参数变化对软土路基施工过程中的地表沉降、分层沉降、水平位移、孔隙水压力等发展趋势的影响规律和影响程度，得出各参数对地基沉降量影响的敏感度顺序从高到低依次为：泊松比u、渗透系数k、内摩擦角、弹性模量Ee、粘塑性流动系数γvp、粘聚力c、水平与竖向渗透系数比值k1/k2、粘弹性模量Eve、粘弹性流动系数γve。 6.在本文提出的双重非线性流-固耦合力学模型基础上，建立了适用于多种观测信息的可变容差法求解参数的优化数学模型和确定软土路基计算参数的反分析方法，研制了相应计算程序BAVEP；首次结合Monte-Carlo法获得全局最优解，较好地解决了可变容差法易于陷入局部最优解的难题；为方便工程应用，进一步创立了适合于软土路基参数反分析的“分阶段多层次动态施工参数反分析技术”。实际工程应用表明，该方法实用有效，所得参数能综合反映现场的地质条件、土层分布、排水特性、加载历程等影响，理论计算与实测结果吻合良好，验证了本文方法的正确性和程序的可靠性。 7.运用研制的反分析程序BAVEP反分析确定计算参数，再利用双重非线性流—固耦合仿真分析程序LSVEP对软土路基进行沉降预测，建立了软土路基沉降预测的有机体系——参数反分析沉降预测法，并与拟合曲线法、不等时距等维新息GM(1，1)灰色模型的预测沉降和现场实测结果进行了对比，表明本文建立的沉降预测体系物理意义明确、本构关系清晰、参数选取合理，所得软土路基的沉降规律能够揭示软土路基的沉降本质，尤其是后期的沉降规律与实测沉降相当吻合，对准确确定工后沉降、合理确定路面铺筑时间等具有重要的理论意义和实际工程参考应用价值。
作者：	魏丽敏
专业：	道路与铁道工程
导师：	王永和
授予学位：	博士
授予学位单位：	中南大学
学位年度：	2005
正文语种：	中文