修正广义Kelvin蠕变固结模型研究

1、125.建筑施工中的“五临边”是指(。A.框架工程楼面周边B.尚未安装栏杆的阳台周边C.无外架防护的屋面周边D.上下通道及斜道的两侧边E.卸料平台的外侧边ABCDE126.建筑施工中的“四口”是指(。A.楼梯口B.电梯井口C.预留洞口D.通道口E.大门口ABCD127.建筑施工中“三宝”指(。A.安全网B.安全带C.安全帽D.安全绳E.安全仪ABC128.脚手架必须设置供人员上下使用的(。A.安全扶梯B.外用电梯C.爬梯D.塔吊E.斜道ACE129.脚手板有(。A.冲压脚手板B.木脚手板C.竹编版D.大芯板E.模板AB130.翻斗车在(时,严禁在车底下进行任何作业。A.内燃机运转B.斗内载荷C

2、.卸料工况D.检修E.停运工况ABC131.临时用电工程必须经(和使用单位共同验收,合格后方可投入使用。A.编制部门B.审核部门C.批准部门D.建设单位E.监理单位ABC132.建筑施工现场临时用电工程专用的电源中性点直接接地的220/380v三相四线制低压电力系统,必须符合(等规定。A.采用三级配电系统B.采用TN-S接零保护系统C.采用二级漏电保护系统D.漏电保护器E.保护接零ABC133.在脚手架上进行电、气焊作业时,必须有(A.防火措施B.专人看守C.安全交底D.挡脚板E.相关记录AB134.脚手架在使用中,应定期检查(。A.地基是否积水,底座是否松动,立杆是否悬空B.扣件螺栓是否松动

3、C.安全防护措施是否符合要求D.是否超载E.安全带的佩带ABCD135.脚手架及其地基基础应在(进行检查与验收。A.每天B.达到设计高度后C.停用超过一个月D.基础完工后及脚手架搭设前E.遇有六级大风与大雨后;寒冷地区开冻后BCDE136.拆除脚手架前的准备工作应符合(规定。A.应全面检查脚手架的扣件连接、连墙件、支撑体系是否符合构造要求B.应根据检查结果补充完善施工组织设计中的拆除顺序和措施,经主管部门批准后方可实施C.应由单位工程负责人进行拆除安全技术交底D.检查记录E.应清除脚手架上杂物及地面障碍物ABCE137.作业层、斜道的栏杆和挡脚板的搭设应符合(规定。A.栏杆和挡脚板均应搭设在外

4、立杆的内侧B.上栏杆上皮高度应为1.2mC.挡脚板高度不应小于180mmD.中栏杆应居中设置E.自检记录ABCD138.脚手架设计计算包括(。A.纵向、横向水平杆等受弯构件的强度和连接扣件的抗滑承载力计算B.立杆的稳定性计算C.连墙件的强度、稳定性和连接强度的计算D.立杆地基承载力计算E.破坏性计算ABCD139.脚手架构、配件自重,包括(等防护设施的自重。A.脚手板B.栏杆C.安全带D.挡脚板E.扣件ABD140.3脚手架结构自重,包括(横向斜撑和扣件等的自重A.立杆B.纵向水平杆C.横向水平杆D.剪刀撑E.作业人员ABCD141.3钢丝绳按绳股数及一股中的钢丝数的多少来分,常用的有6股19

5、丝;6股37丝;6股61丝等几种。日常工作中以(来表示。A.6×19+1B.6×19C.6×37+1D.6×37E.6×61+1ACE142.从安全生产角度,危险源是指可能造成(或其他损失的根源或状态。A.事故B.人员伤害C.疾病D.财产损失E.作业环境破坏BCDE143.安全生产检查的类型包括(安全检查。A.定期B.经常性C.专项D.季节性E.每日ABCD144.漏电保护装置主要用于(。A.防止人身触电事故B.防止中断供电C.减少线路损耗D.防止漏电火灾事故E.防止机械损伤AD145.施工组织设计一般分为(。A.工程项目设计B.施工组织总设计

6、C.单位工程施工组织设计D.单项工程施工组织设计E.分部(分项工程施工组织设计BCE146.不属于安全生产法明确赋予从业人员的权利有(。A.建议权B.批评权C.拒绝权D.报告权E.服从管理权DE147.瓶阀是气瓶的主要附件,用以控制气体的进出,因此,要求气阀(A.体积小B.强度高C.气密性好摘要:软土变形的时效特性产生于蠕变和固结,但蠕变和固结基于不同的变形机制,因此研究蠕变固结耦合效应的计算模型对于软土工程来说是十分重要的。采用将非线性本构模型和Biot固结模型耦合的方法,建立修正的广义Kelvin蠕变固结模型,即非线性弹黏弹固结模型。首先,根据软土室内试验成果分析变形机制和应变随应力和时间

7、的变化规律,找到函数拟合关系;其次,将Duncan模型和修正的广义Kelvin模型相结合,建立描述上述函数拟合关系的本构模型。然后,将该本构模型代入Biot固结理论的平衡方程,并提出基于非线性变形特征的蠕变固结模型。该模型共有14个模型参数,包括8个Duncan参数,均可通过常规三轴试验确定。通过一个实际工程的计算,完成该模型的计算流程,并对计算结果进行分析和比较,验证所建模型的有效性,探讨软土蠕变对地基中孔隙水压力及应力水平的影响,在此基础上获得一些有益的结论。研究结果表明,采用修正的广义Kelvin蠕变固结模型进行软土变形特性分析是一种合理的方法,具有模型机制明确、参数确定方法简单的优点。

8、另外,虽然蠕变和固结都会给工程带来工后沉降问题,但两者对工程的影响是不一样的,改善地基的排水条件可弱化蠕变效应并提高工程的安全度。关键词:土力学;软土地基;蠕变固结;Kelvin模型ABCD148.露天贮存的物品应当(存放,并留出必要的防火间距。A.分类B.分档C.分堆D.分组E.分垛ACDE148.露天贮存的物品应当(存放,并留出必要的防火间距。A.分类第25卷增2 陈晓平等.修正广义Kelvin蠕变固结模型研究 3429 including Duncan models 8 parameters,which can be determined by general triaxial test

9、s. Through a case study, the model and calculation process are verified,and the influences of creep on the pore water pressure and stress lever are analyzed. Some useful conclusions are proposed. Research shows that modified generalized Kelvin consolidation model can perfectly describe the deformati

10、on mechanism of soft soil. In addition,the creep and consolidation can also cause post-construction settlement in engineering,but the effects are different. The improved drainage condition can weaken creep effect and guarantee the safety of projects.Key words:soil mechanics;soft soil foundation;cree

11、p consolidation;Kelvin model1 引言ACDE150.施工现场电工的职责是承担用电工程的(。A.安装B.巡检C.维修D.拆除E.用电组织设计ABCD151.架空线路可以架设在(上A.木杆B.钢筋混凝土杆C.树木D.脚手架E.高大机械AB152.在脚手架使用期间,严禁拆除(。A.主节点处的纵向横向水平杆B.非施工层上,非主节点处的横向水平杆C.连墙件D.纵横向扫地杆E.非作业层上的踏脚板ACD153.钢筋冷拉机作业前,应对(进行检查。A.设备各连接部位B.安全装置C.冷拉夹具D.钢丝绳E.电气装置ABCDE154.建筑施工企业专职安全生产管理人员,是指在企业专职从事安全

12、生产管理工作的人员,包括(。A.企业法定代表人B.企业分管安全生产工作的副经理C.经理D.企业安全生产管理机构的负责人及其工作人员E.施工现场专职安全生产管理人员·3430· 岩石力学与工程学报 2006年 (a 等时曲线 (a 直剪蠕变试验(慢剪 (b 等时曲线 (b 三轴蠕变试验(不排水剪 (c 等时曲线 (c 三轴蠕变试验(排水剪图1 典型软土蠕变曲线和应力应变等时曲线8 Fig.1 Typical creep curves and stress-strain equal-time curvesof soft soils 8一簇相似曲线,且当荷载不大时,蠕变曲线均表现

13、为衰减蠕变过程。(3 在相同的加荷条件下,软土变形特征与排水条件有关,随着土样充分排水到完全不排水的过渡,呈现从线性到非线性的变化规律。值得一提的 是,虽然直剪试验是采用慢剪,但根据试验原理可 知,慢剪试验并不能做到充分排水,所以其成果并不能完全等同于排水剪试验。由于土体在实际受荷状态下都是处于充分排水和完全不排水之间的某一状态,所以可认为软土在荷载下的应力应变关系一定呈非线性状态,即使在加荷瞬间也不例外。因此,通过式(1,将应力应变关系和蠕变特征有机结合,建立基于软土非线性变形特性的蠕变模型,此模型可有效地描述软土变形的时效特性。3 修正的广义Kelvin 蠕变固结模型3.1 修正的广义Ke

14、lvin 蠕变模型根据如图1所示的应变规律,采用不同函数关系进行拟合,结果显示各级荷载下的衰减型蠕变曲线可用二阶以上的指数衰减函数描述,即=ni b t i ia a 10e (n a a a >>>L 21,n 2 (2式中:21(n i a i ,L =为常数,与荷载大小有关;21(n i b i ,L =为常数,与荷载无关,其离散性不大。图2为指数衰减函数拟合效果,即相应于图1(a所示= 24 kPa 的慢剪试验成果:当n 2时,有很好的精度;当n = 1时,拟合结果呈现理想弹塑体变形特征,不能有效地描述所研究的软土。图2 指数衰减函数拟合效果Fig.2 Fitting

15、 effects of exponent attenuation function由于五元件的广义Kelvin 模型蠕变方程和式(2有一定的相似性,如果将应变作为一种广义概念(包括剪应变和轴向应变,并考虑瞬时变形的非线性特征,可建立如图3所示的计算模型,即修正的广义Kelvin 模型。图3 修正广义Kelvin 模型(五元件Fig.3 Modified generalized Kelvin model(five elements0 1 2 3 4 5 120 90 60 30 3 = 28 kPa 3 = 56 kPa 3 = 84 kPa 3 = 112 kPa t = 0 min t =

16、15 min t = 1 d t = 4 d(1-3/kPat /d30 20 100 5 000 10 000 15 00020 000t /min/kPa0 1 2 3 4 5 t /d3 = 28 kPa3 = 56 kPa 3 = 84 kPa 3 = 112 kPa = 0 min = 15 min = 1 d = 4 d120 90 60 30 (1-3/kPa 0.40.60.81.00500010 000 15 000 20000t /min / %试验数据二阶指数衰减函数拟合三阶指数衰减函数拟合一阶指数衰减函数拟合0.50.70.91.1第25卷 增2 陈晓平等. 修正广义K

17、elvin 蠕变固结模型研究 3431 相应的数学表达式为+=K Et K E E E E 2211e 11e111210 (3 式中:0E 为非线性弹性模量;1K ,2K 均为黏滞系数;1E ,2E 均为弹性模量,且有=21a a 22a a 11n n p p p k E p p p k E (4 式中:1k ,1n ,2k ,2n 均为蠕变模型参数。对于式(3,若令/1/1/1(2100E E E a +=,11/E a =,22/E a =,111/E K b =,222/E K b =,并采用全量形式,则式(3便可还原成式(2。对于式(3所示的计算模型,定义施加应力后产生的与时间无关

18、的应变增量为00/E =(5根据如图1所示的等时曲线特征,采用Duncan 模型计算,定义随时间发展的应变增量为e 1(/1(e 1(/1(2121t t t E E += (6式中:1,2均为参数,且有/11E =1K ,=2 22/K E 。采用广义Kelvin 模型计算,则式(3的实质是 用Duncan 模型的非线性弹簧替代广义Kelvin 模型中的线性弹簧,并通过增量形式间接反映1E ,2E 与应力有关。根据式(3所给出的数学表达式及如图3所示模型原理,可进一步写出修正的广义Kelvin 蠕变模型的矩阵形式为 +=d d 1ne D=+d e 1(e 1(2121t t E A E A

19、 d neve C (7 式中:ne D 为非线性弹性刚度矩阵,矩阵中的弹性模量0E 和泊松比v 按Duncan 模型确定;A 为几何矩阵,与v 有关;neve C 为非线性弹黏弹性柔性矩阵,且有+=e 1(e 1(21211ne neve t t E A E A D C (8 修正的广义Kelvin 模型实际是一变参数模型,可通过改变弹性常数来近似地考虑非线性变形特征。由于柔度矩阵neve C 是应力和时间的函数,所以式(7反映的变形不仅与当前应力状态有关,也与时间有关。该模型中,Duncan 非线性弹性模型参数共有8个,具体确定方法可见相关研究7。黏弹性模型参数共有6个:1k ,1n ,2

20、k ,2n ,1及2,可按照有关规范9中的类似方法,并通过常规三轴排水蠕变试验确定。3.2 蠕变模型和固结模型的耦合Biot 固结理论以土体为脱离体推导出以有效应力和超孔隙水压力表示的平衡方程为=+=+=+z u z y x y u z y x x u z y x zyz zx yz yxy zx xy x00 (9 式中:为土体容重;u 为超静孔隙水压力;xu,y u ,zu 分别为x ,y ,z 方向的单位渗透力。 将式(7中物理方程表示成由应变求解应力的增量形式,并以有效应力表示:ij ijkl ij d d d neve=(10式中:neveijkl d 为非线性弹黏弹矩阵中对应的元素

21、。根据土体的有效应力原理和几何方程,有d d (21d i j j i ij w w ,+= (11这样,可得到基于式(9中以张量形式表示的非线性弹黏弹性土体的Biot 固结理论平衡方程:i i ij j jj i ijkl f u w w d d d d (21neve=+, (12 式中:d i f 为体积力,下标“,”为求导。式(12以位移和孔隙水压力作为未知数,同时考虑土体的非线性变形特征、蠕变特征和固结特性,此方程和流体连续方程一起构成软土蠕变固结模型,该模型也可被认为是将弹性土体的Biot 固结理论推广到非线性弹黏弹性土体。4 实例分析4.1 工程概况·3432·

22、;岩石力学与工程学报 2006年一高速公路路基沿深度方向从上至下分为 3 层10:粉质黏土,厚度2 m左右;淤泥质粉质黏土,厚度为8 m左右,属高压缩性土,是稳定及变形的控制土层。该土层以下是较厚的粉砂层和硬黏土,压缩性很低,可视为不可压缩层。为加速施工期地基的固结沉降,现采用插设塑料排水板的地基处理方案。排水板按梅花形布置,间距=d 1.0 m,插设宽度近似为堆载宽度,深度为10.0 m,穿越软土层。路堤填筑分二期进行:第一期为16 d,填筑至高程2.3 m处,然后再预压40 d;第二期27 d,填筑至高程4.3 m处。4.2计算参数有限元分析网格剖分如图4所示,地表设有排水砂层,计算下边界

23、取至不可压缩土层。土性参数和Duncan模型参数参照有关研究10,11进行取值,如表1所示。 图4 有限元分析网格剖分Fig.4 Meshes of finite element analysis 对于广义Kelvin模型参数,由于本实例已无法获取相应参数,故参照其他同类型土所做试验的参数进行取值,如表2所示。在有限元计算中,为实现三维到二维的等效,采用不考虑井阻效应的砂井地基平面问题的转化公式11,将排水板设置区地基土的水平向渗透系数进行放大。4.3计算成果及分析为验证模型和计算程序的正确性,并进行计算结果的对比,有限元分析中分别采用不考虑蠕变的非线性弹性固结模型和考虑蠕变作用修正的广义Ke

24、lvin蠕变固结模型进行实例的计算。4.3.1 变形分析地表沉降随时间发展曲线如图5所示,其中,图5(a为非线性弹性固结模型计算结果,是采用实例中所给参数,并按非线性弹性固结模型计算的路基中心点的沉降量随时间的变化曲线;图5(b为修正的广义Kelvin固结模型计算结果。与实测值相比可知,前者计算所得的路基中心附近沉降值与实测值比较吻合;后者计算的路肩附近的沉降值与实测值比较接近,但是在停止堆载后,路基中心则在加荷停止后,其计算结果比实测值偏大。对于实际工程来说,路基中心处由于存在侧限条件和塑料排水板的阻滑作用,会使蠕变变形受到一定的约束,所以变形不会有路肩附近区域明显,且蠕变固结模型的计算结果

25、偏大。但在路肩处考虑土体的蠕变作用显然比不考虑土体的蠕变作用更符合工程实际,所以采用蠕变固结模型进行数值分析时,应适当考虑其应用条件。图6为采用修正的广义Kelvin模型计算所得的沉降基本稳定后路基位移矢量图(t = 182 d,结果显示位移发展方向,也进一步说明路基中心的侧限作用。4.3.2 孔隙水压力分析图7为2种计算模型计算的孔隙水压力分布曲线。由于地表排水条件良好,孔隙水压力最大点出现在地表下一定深度。对比2种模型的计算结果,在同一时刻后者孔隙水压力值大于前者,表明蠕变效应延缓孔隙水压力消散。从时间上看,孔隙水压力在加载期增大,间歇期消散,特别是在第1级加荷的间歇期内超静孔隙水压力基本

26、消散。第2级加荷后,孔隙水压力在180 d左右几乎完全消散,表明软基主固结已完成,但对比前述变形分析结果可知,此时路基的变形由于蠕变效应仍在继续发展。表1 土性参数和Duncan模型参数Table 1 Parameters of soil properties and Duncan-Chang model土层/(kN·m-3 /(° c/kPa R f k n G F D k h/(m·d-1 k v/(m·d-1 路堤填土 20.027.123.00.9152220.4220.300.7897.26×10-4 3.61×10-4粉质

27、黏土19.0 27.5 7.5 0.800 20 0.550 0.30 0 0.000 7.26×10-4 3.61×10-4淤泥质粉质黏土 17.5 13.0 14.5 0.760 18 0.680 0.36 0 0.000 4.84×10-4 2.41×10-4第 25 卷 增 2 陈晓平等. 修正广义 Kelvin 蠕变固结模型研究 孔隙水压力 u /kPa 3433 表2 Table 2 土层 路堤填土 粉质黏土 淤泥质粉质黏土 广义 Kelvin 模型参数 0 2 深度 h / m 4 6 8 10 t/d 0 5 10 15 20 25 30

28、 Parameters of generalized Kelvin model k1 5 200 5 200 480 n1 1.40 1.40 3.78 1 0.94 0.94 1.02 k2 5 200 5 200 400 n2 1.40 1.40 5.53 2 0.94 0.94 30.00 t = 16 d t = 56 d t = 83 d t = 182 d (a 非线性弹性固结模型 200 250 300 350 0 0 2 深度 h/m 4 6 8 t = 16 d t = 56 d t = 83 d t = 182 d 5 路基中心(地表 路肩附近(地表 路基中心(地表实测值

29、路肩附近(地表实测值 孔隙水压力 u/kPa 10 15 20 25 30 0 0 20 沉降 s/cm 40 60 80 100 50 100 150 (a 非线性弹性固结模型计算结果 t/d 0 0 20 沉降 s/cm 40 60 80 100 (b 修正的广义 Kelvin 固结模型计算结果 路基中心(地表 路肩附近(地表 路基中心(地表实测值 路肩附近(地表实测值 深度 h/m 0 5 10 (b 修正的广义 Kelvin 固结模型 50 100 150 200 250 300 350 图7 Fig.7 孔隙水压力分布曲线 Curves of pore water pressure

30、distribution 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 10 0 10 20 30 40 距离 x/m 50 60 70 80 图5 Fig.5 地表沉降随时间发展曲线 (a 非线性弹性固结模型 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 Time-history curves of ground subsidence 深度 h/m 0 5 深度 h/m 0 5 10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 距离 x/m 10 0 10 20 30 40 距离 x/m 50 60

31、70 80 (b 修正的广义 Kelvin 固结模型 图6 Fig.6 路基位移矢量图(t = 182 d Fig.8 图 8 路基应力水平图(t = 182 d Stress lever graph in embankment(t = 182 d Displacement vectorgraph in embankment(t = 182 d 平上升较高，并长期缓慢增加，尤其是路肩下地表 另外要指出的是，将排水板等效为砂墙并放大 间距后，计算所得的孔隙水压力值只能理解为平均 意义上的概念。 4.3.3 应力水平分析 附近区域。虽然由于排水条件较好，使得蠕变对应 力水平的恶化作用并不明显，但这

32、种影响还是被表 现出来。 图 8 为以应力水平表示的采用 2 种模型计算的 应力水平( S = ( 1 3 /( 1 3 f 分布图。对比结 果表明，蠕变作用可使得地基土体在加荷时应力水 5 结 语 根据对软土蠕变试验成果的分析，归纳软土应 ·3434· 岩石力学与工程学报 2006 年 变随应力和时间发展的特征，提出拟合函数关系， 分别采用 Duncan 模型和修正的广义 Kelvin 模型来 计算与应力有关的瞬时变形和与时间有关的蠕变变 形，通过这种将土体应力应变关系和材料蠕变模 型相结合的路径，建立了基于土体非线性变形特征 的蠕变模型，然后将其代入 Biot 固结理论

33、的平衡方 程，建立非线性弹黏弹性固结模型。通过一个实 际工程的计算，完成该模型的计算流程，并对计算 结果进行分析和比较。 软土地基的蠕变固结特性对于地基的稳定性 有着重要的影响，该特性的作用结果取决于排水条 件和应力水平： (1 排水不良时，蠕变作用占主导，在产生后 6 5 元分析J. 河海大学学报，1995，23(5：17.(Yu Zhiwan，Zhao Weibing，Gu Ji. 3D FEM analysis of soft viscoelastic/viscoplastic foundation with drainage preloadingJ. Journal of Hohai

34、University， 1995，23(5：17.(in Chinese Manivannan G，Gnanendran C T，Lo S C R. Elasto-viscoplastic analysis of embankments on soft soilsA. In：Proceedings of the 12th Asian Regional Conference on Soil Mechanics and Geotechnical EngineeringC. Singapore：World Scientific Publishing Co.，2003. 913916. Hinchbe

35、rger S D，Rowe R K. Evaluation of the predictive ability of two elastic-viscoplastic constitutive modelsJ. Canadian Geotechnical Journal，2005，42(6：1 6751 694. 7 陈晓平，白世伟. 软土蠕变固结特性及计算模型研究J. 岩石力 学与工程学报， 2003， 22(5： 728734.(Chen Xiaoping， Shiwei. Bai Research on creep-consolidation characteristics and ca

36、lculating model of soft soilJ. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2003，22(5：728734.(in Chinese 8 朱鸿鹄，陈晓平，程小俊，等. 考虑排水条件的软土蠕变特性及模 型研究J. 岩土力学，2006，27(5：694698.(Zhu Honghu，Chen Xiaoping，Cheng Xiaojun，et al. Study on creep characteristics and model of soft soil considering drainage condit

37、ionJ. Rock and Soil Mechanics，2006，27(5：694698.(in Chinese 9 中华人民共和国行业标准编写组. 土工试验规程(SL2371999S. 北 京 ：中 国水 利水 电 出版 社， 1999.(The Professional Standards Compilation Group of Peoples Republic of China. Specification of 期沉降的同时将提高应力水平，成为地基破坏与否 的重要控制因素。 (2 排水良好时，固结作用占主导地位，此时 在产生后期沉降的同时土体的强度会得到相应的提 高。 所以， 虽然蠕变和固结都会带来工后沉降问题， 但两者对工程的影响是不一样的，改善地基的排水 条件可弱化蠕变效应并降低对工程的不利