长期荷载下饱和软粘土蠕变研究

1、天津大学硕士研究生毕业论文开题报告 报告人报告人 ：报告时间：报告时间：2013-10-102013-10-10海岸工程前沿与科技写作海岸工程前沿与科技写作 期末综述论文期末综述论文 2013/10/10长期荷载下饱和软粘土蠕变特性的研究2目 录四四. 实验进度安排实验进度安排三三. 研究内容及研究内容及研究思路研究思路二二. 国内外研究现状国内外研究现状一一. 选题背景及研究意义选题背景及研究意义背景及研究意义1 1、研究选题背景和意义、研究选题背景和意义 2013/10/10长期荷载下饱和软粘土蠕变特性的研究3 随着随着国家国家经济经济的发展的发展和国家和国家安全安全战略战略的需要，越来的

2、需要，越来越多的近海工程投越多的近海工程投入入建设建设。 近海工程近海工程的深的深水化和大型化，近水化和大型化，近海工程对结构与地海工程对结构与地基破坏机理及稳定基破坏机理及稳定性分析方法提出了性分析方法提出了更高的要求更高的要求。 背景及研究意义1 1、选题、选题背景和研究意义背景和研究意义 2013/10/10长期荷载下饱和软粘土蠕变特性的研究4其中其中码头面所受到的码头面所受到的流动装卸运输机械流动装卸运输机械及及防波堤等结构受到的防波堤等结构受到的波浪荷载波浪荷载不仅是长期不仅是长期荷载，更应属于荷载，更应属于长期长期循环荷载循环荷载，它们在遭，它们在遭受连续不断的循环荷受连续不断的循

3、环荷载作用时，即使是经载作用时，即使是经过长期固结过程的软过长期固结过程的软土地基也会产生不同土地基也会产生不同程度的沉降程度的沉降。 背景及研究意义1 1、选题、选题背景和研究意义背景和研究意义2013/10/10长期荷载下饱和软粘土蠕变特性的研究5软软粘土粘土一般一般具有具有指指含水量高、孔隙比大、抗剪强度低、压缩性高、含水量高、孔隙比大、抗剪强度低、压缩性高、渗透性低、灵敏度高渗透性低、灵敏度高的的特点特点，是一种黏弹塑性体是一种黏弹塑性体。在长期荷载。在长期荷载作用作用下，软粘土下，软粘土的的蠕变蠕变问题问题更加更加突出突出，具有较高的研究价值。具有较高的研究价值。2011/10/22

4、长期循环荷载下饱和软粘土流变特性的研究6 软粘土广泛存在于长江口、珠江口、天津滨海等软粘土广泛存在于长江口、珠江口、天津滨海等经济发达的经济发达的海岸地区。海岸地区。 在在道桥工程中，由于车辆长期循环荷载作用已造成很多工程道桥工程中，由于车辆长期循环荷载作用已造成很多工程问题问题： 建建于粘土上的日本某低路堤高速公路，在投入运行五年后，累计沉降于粘土上的日本某低路堤高速公路，在投入运行五年后，累计沉降达达12 m； 上海上海外环线北翟路口通车两年后道路路面的残余变形达到外环线北翟路口通车两年后道路路面的残余变形达到910 cm； 我国我国很多高速公路由于不均匀沉降而发生了较多桥头跳车现象很多高

5、速公路由于不均匀沉降而发生了较多桥头跳车现象。 v 长期荷载作用下软粘土的长期荷载作用下软粘土的蠕变蠕变特性，也是特性，也是海岸建筑物长效服役安全性和适用性要解决的重海岸建筑物长效服役安全性和适用性要解决的重要课题。要课题。背景及研究意义研究意义研究意义2013/10/10长期荷载下饱和软粘土蠕变特性的研究7 综上，以近海工程为研究背景的长期荷载下饱和软粘土蠕变特性综上，以近海工程为研究背景的长期荷载下饱和软粘土蠕变特性的科研较少，没有形成完整的理论体系。而的科研较少，没有形成完整的理论体系。而长期荷载长期荷载作用下软粘土作用下软粘土的的蠕变蠕变特性，特性，又又是是海岸建筑物长效服役安全性和海

6、岸建筑物长效服役安全性和适用性适用性亟待亟待解决解决的重要的重要课题。课题。 本课题本课题以建在软土地基的港口码头、防波堤等以建在软土地基的港口码头、防波堤等近海工程近海工程为为研究研究背背景景，目的是通过，目的是通过室内室内蠕变蠕变试验试验探讨探讨长期循环荷载下饱和软粘土的流变长期循环荷载下饱和软粘土的流变特性特性，总结并得出总结并得出物理意义明确物理意义明确、参数容易获取参数容易获取、便于工程应用便于工程应用的动的动流变模型，并应用到有限元软件流变模型，并应用到有限元软件ABAQUS中中，通过理论计算和数值模，通过理论计算和数值模拟预测近海结构的蠕变固结沉降拟预测近海结构的蠕变固结沉降，以

7、期能够对今后的科研工作和实际以期能够对今后的科研工作和实际工程提出指导。工程提出指导。2013/10/10长期荷载下饱和软粘土蠕变特性的研究8目 录四四. 实验进度安排实验进度安排三三. 研究内容及研究内容及研究思路研究思路二二. 国内外研究现状国内外研究现状一一. 选题背景及研究意义选题背景及研究意义研究现状研究现状2 2、国外研究成果、国外研究成果 2013/10/10长期荷载下饱和软粘土蠕变特性的研究9 关于长期荷载关于长期荷载作用作用下下饱和饱和软软粘土粘土的的蠕变蠕变特性特性，开展的研究工作较少，且，开展的研究工作较少，且大多数研究大多数研究工作针对工作针对交通荷载作用下路基的长期沉

8、降。交通荷载作用下路基的长期沉降。二十世纪七十年代，二十世纪七十年代，Parr、Hyde等对长期循环荷载作用下饱和软等对长期循环荷载作用下饱和软粘土的变形特性进行了粘土的变形特性进行了研究研究。1985年年Fujiwara等研究了重塑饱和粘土的沉降与荷载大小、加载等研究了重塑饱和粘土的沉降与荷载大小、加载历时、荷载增量和加载历时、荷载增量和加载次数次数的关系。的关系。1992年年Hyodo等基于对等基于对Atiake粘土排水循环三轴试验，提出了预测粘土排水循环三轴试验，提出了预测受长期循环荷载作用下粘土性状的模型。受长期循环荷载作用下粘土性状的模型。2013/10/10长期荷载下饱和软粘土蠕变

9、特性的研究10研究现状研究现状2 2、国内研究现状（试验研究）、国内研究现状（试验研究） 2001年年蒋军蒋军（浙江大（浙江大学）学）等等考虑不同加载波形考虑不同加载波形对萧山饱和重塑粘土的影对萧山饱和重塑粘土的影响，通过循环加载固结试响，通过循环加载固结试验，研究了长期循环荷载验，研究了长期循环荷载作用下饱和重塑粘土的沉作用下饱和重塑粘土的沉降特性，得出了正弦波降特性，得出了正弦波（波浪力）、锯齿波、三（波浪力）、锯齿波、三角形波（交通荷载波形）角形波（交通荷载波形）和矩形波下竖向应变和体和矩形波下竖向应变和体应变随循环次数变化的规应变随循环次数变化的规律。律。2005年年朱登峰朱登峰（同济

10、大学）（同济大学）等等对对上海淤泥质饱和粘土在长期上海淤泥质饱和粘土在长期循环荷载作用下的变形特性的循环荷载作用下的变形特性的试验试验研究，研究，该试验考虑到土的该试验考虑到土的各向异性，在试验开始前考虑各向异性，在试验开始前考虑土的初始固结条件，首先对土土的初始固结条件，首先对土体进行体进行K0固结，之后分别进行固结，之后分别进行三轴排水循环蠕变试验及三轴三轴排水循环蠕变试验及三轴不排水循环蠕变试验，通过试不排水循环蠕变试验，通过试验分析了饱和粘土孔压、变形验分析了饱和粘土孔压、变形随循环周数及应力幅值变化的随循环周数及应力幅值变化的增长规律。增长规律。 2007年朱年朱登峰等对上海淤登峰等

11、对上海淤泥质饱和软粘土泥质饱和软粘土进行了长期流变进行了长期流变和循环流变试验，和循环流变试验，得出在不同围压、得出在不同围压、不同偏压和不同不同偏压和不同动应力作用下软动应力作用下软粘土的变形规律。粘土的变形规律。2013/10/10长期荷载下饱和软粘土蠕变特性的研究11研究现状研究现状2 2、国内研究现状（本构模型研究）、国内研究现状（本构模型研究） 2008年年刘添刘添俊俊（华南理工大学）（华南理工大学）等在等在国内外有关长期循环荷载作国内外有关长期循环荷载作用下粘土动力特性研究成果的基础上，探讨和分析了加载频率、加载用下粘土动力特性研究成果的基础上，探讨和分析了加载频率、加载类型、振幅

12、与振次、排水条件等影响因素对软粘土变形的影响，对长类型、振幅与振次、排水条件等影响因素对软粘土变形的影响，对长期循环荷载作用下软粘土累积变形的计算方法进行了归纳分析，并对期循环荷载作用下软粘土累积变形的计算方法进行了归纳分析，并对长期循环荷载作用下软粘土动力特性的进一步研究提出了长期循环荷载作用下软粘土动力特性的进一步研究提出了建议建议。 2006年黄茂松年黄茂松（同济大学）（同济大学）在上海地区典型饱和软粘土不排水循环在上海地区典型饱和软粘土不排水循环三轴试验的基础上，分析了影响软粘土塑性累积变形的主要三轴试验的基础上，分析了影响软粘土塑性累积变形的主要因素，因素，基于基于临界状态土力学理论

13、，引入了相对偏应力水平临界状态土力学理论，引入了相对偏应力水平参数，得出了反映饱和软参数，得出了反映饱和软粘土累计应变的公式。粘土累计应变的公式。 2009年年刘添刘添俊俊等总结前人理论，等总结前人理论，在在K0固结状态下进行了一系列不固结状态下进行了一系列不排水的单向循环加载蠕变试验，建立了珠江三角洲饱和软粘土的循环排水的单向循环加载蠕变试验，建立了珠江三角洲饱和软粘土的循环蠕变的状态方程。蠕变的状态方程。2013/10/10长期荷载下饱和软粘土蠕变特性的研究12研究现状研究现状2 2、尚需解决的问题、尚需解决的问题 在在对国内外研究现状进行系统地学习后，得到对国内外研究现状进行系统地学习后

14、，得到了尚了尚需研究的问题：需研究的问题： 1、关于软粘土累积变形的计算模型都没有考虑到软粘土、关于软粘土累积变形的计算模型都没有考虑到软粘土的的蠕蠕变变特性，为了能合理地预测软土地基的长期沉降，所建立的循环累积变特性，为了能合理地预测软土地基的长期沉降，所建立的循环累积变形计算模型应能耦合软粘土形计算模型应能耦合软粘土的的蠕变蠕变特性。特性。 2、关于静蠕变和循环、关于静蠕变和循环蠕变蠕变系统系统对比对比的试验的试验研究研究开展得开展得较少较少。 3、目前已有的目前已有的长期长期循环荷载下饱和软循环荷载下饱和软粘土粘土应变速率状态方程应变速率状态方程还还没有经过更多的验证，且该方程均以路基工

15、程为背景，是否适用于没有经过更多的验证，且该方程均以路基工程为背景，是否适用于近近海工程海工程尚需研究。尚需研究。 4、目前关于长期荷载下饱和软土蠕变特性的数值分析较少。、目前关于长期荷载下饱和软土蠕变特性的数值分析较少。2013/10/10长期荷载下饱和软粘土蠕变特性的研究13目 录四四. 时间进度安排时间进度安排三三. 研究内容及研究内容及研究思路研究思路二二. 国内外研究现状国内外研究现状一一. 选题背景及研究意义选题背景及研究意义主要工作及研究思路3 3、论文主要工作、论文主要工作2013/10/10长期荷载下饱和软粘土蠕变特性的研究141*、对、对长期长期荷载和长期循环荷载下饱和软粘

16、土的流变特性进行试验荷载和长期循环荷载下饱和软粘土的流变特性进行试验分析分析。2、通过循环通过循环蠕变试验蠕变试验和和现有现有理论，理论，从寻找从寻找累积应变速率累积应变速率随时间变化的随时间变化的数学关系入手，数学关系入手，建立建立以近海工程为研究背景、反映以近海工程为研究背景、反映长期长期循环荷载下饱循环荷载下饱和软和软粘土粘土流变特性本流变特性本构构模型模型。3、利用大型通用有限元分析软件、利用大型通用有限元分析软件 ABAQUS 的用户的用户子程序接口，通子程序接口，通过过二次开发，二次开发，将（将（2）中本）中本构模型嵌入构模型嵌入 ABAQUS 中的中的 Standard 模模块块

17、，并，并在有限元软件平台上进行了数值实施。在有限元软件平台上进行了数值实施。4、利用（利用（3）得到的软）得到的软粘土流变本构模型子程序，粘土流变本构模型子程序，在在ABAQUS 平台上平台上建立大圆筒码头建立大圆筒码头结构的三维有限元分析模型结构的三维有限元分析模型，并进行蠕变固结沉降的计，并进行蠕变固结沉降的计算。算。主要工作及研究思路2013/10/10长期荷载下饱和软粘土蠕变特性的研究153 3、论文研究思路、论文研究思路1、对、对长期荷载和长期循环荷载下饱和软粘土的流变特性进行试验分析长期荷载和长期循环荷载下饱和软粘土的流变特性进行试验分析。试验研究是本文的试验研究是本文的最主要最主

18、要工作：工作： 总体思路，制备同一批次总体思路，制备同一批次的的重塑土样，分别进行循环蠕变试验和静重塑土样，分别进行循环蠕变试验和静蠕变试验，并对试验结果进行对比分析蠕变试验，并对试验结果进行对比分析，考虑不同围压、不同初始静偏考虑不同围压、不同初始静偏应力、不同动偏应力对应力应变关系，应变与时间关系等试验结果的影应力、不同动偏应力对应力应变关系，应变与时间关系等试验结果的影响，响，分析分析动力因素对饱和软粘土流变特性的影响。动力因素对饱和软粘土流变特性的影响。 静蠕变试验静蠕变试验 动蠕变试验动蠕变试验不同围压不同围压不同初始静偏应力不同初始静偏应力考虑动偏应力、周期考虑动偏应力、周期等对蠕

19、变的影响等对蠕变的影响不同围压不同围压不同偏压比不同偏压比不同围压不同围压不同静偏压比不同静偏压比不同动偏压不同动偏压不同周期荷载不同周期荷载主要工作及研究思路2013/10/10长期荷载下饱和软粘土蠕变特性的研究16 试验试验类型：类型：动蠕变和静蠕变试验动蠕变和静蠕变试验，流变三轴试验与一般三轴试验的，流变三轴试验与一般三轴试验的根本区别在于它必须在一个相当长的时间时间内保持试样的含水量和试根本区别在于它必须在一个相当长的时间时间内保持试样的含水量和试样的应力或应变不发生任何变化，也不受到任何环境条件变化，除此之样的应力或应变不发生任何变化，也不受到任何环境条件变化，除此之外与常规三轴试验

20、无异。外与常规三轴试验无异。动蠕变试验动蠕变试验排水条件（工程需要）排水条件（工程需要）围压（以取土深度为控制指标）围压（以取土深度为控制指标）初始静偏压力（以结构上部静初始静偏压力（以结构上部静荷载为控制指标）荷载为控制指标）循环动应力（以码头面流动机循环动应力（以码头面流动机械荷载为控制指标）械荷载为控制指标）周期（以码头面流动机械荷载周期（以码头面流动机械荷载为控制指标）为控制指标）静蠕变试验静蠕变试验排水条件（工程需要）排水条件（工程需要）围压（以取土深度为控制指标）围压（以取土深度为控制指标）静偏压力（以结构上部静荷载静偏压力（以结构上部静荷载为控制指标）为控制指标）主要工作及研究思

21、路2013/10/10长期荷载下饱和软粘土蠕变特性的研究17初步试验方案（初步试验方案（2）由于考虑软粘土渗透系数很由于考虑软粘土渗透系数很小，小，动静蠕变动静蠕变一般一般为不排水试验，但为不排水试验，但由于由于某些某些工程工程情情况况考虑考虑排水条件，并且对于排水条件下的动蠕变试验研究较少，故在时间允许下排水条件，并且对于排水条件下的动蠕变试验研究较少，故在时间允许下进行一部分排水进行一部分排水动动静静蠕变蠕变试验。试验。静静蠕变试验第二组：蠕变试验第二组：（对比试验，围压、静偏压对试验结果的影响对比试验，围压、静偏压对试验结果的影响）用分级加载法。用分级加载法。排水条件排水条件下：下：3围

22、压围压1偏压（为了对比分三级加载）偏压（为了对比分三级加载）=3组组天数预估天数预估为为313天天=39天天，考虑不确定因素约，考虑不确定因素约为为45天天=1.5个个月。月。动蠕变试验第三组：动蠕变试验第三组： （围压、初始静偏压、动偏压对试验结果的影响围压、初始静偏压、动偏压对试验结果的影响）规则正弦波规则正弦波下的长期动三轴试验，振动次数预估下的长期动三轴试验，振动次数预估5万次万次排水条件排水条件下：下：3围压围压3初始静偏压力初始静偏压力3循环动应力循环动应力=27组组天数预估为天数预估为4天天27=108天，考虑不确定因素约为天，考虑不确定因素约为120天天=4个月个月。具体情况依

23、据剩余时间确定，所有试验全部完成约具体情况依据剩余时间确定，所有试验全部完成约9个月个月难点2013/10/10长期荷载下饱和软粘土蠕变特性的研究18 重塑土样的制备要保持应有的含水率，调配难度较大，由于颗粒重塑土样的制备要保持应有的含水率，调配难度较大，由于颗粒和结构性较原状土差异较大，试验结果可能会有一定偏差。和结构性较原状土差异较大，试验结果可能会有一定偏差。实验室尚未进行过动蠕变试验，试验过程中可能遇到的未知情况较多实验室尚未进行过动蠕变试验，试验过程中可能遇到的未知情况较多如果考虑完成全部工况，如果考虑完成全部工况，工作量较大，工作量较大，工期很工期很紧紧。试验难点试验难点理论难点理

24、论难点考虑循环荷载效应的流变本构模型属于考虑循环荷载效应的流变本构模型属于动本构模型动本构模型范畴，动本构模型范畴，动本构模型的二次开发难度很大。的二次开发难度很大。已有的蠕变模型均未考虑已有的蠕变模型均未考虑循环荷载循环荷载的影响，与之耦合的方法尚待研究。的影响，与之耦合的方法尚待研究。创新点2013/10/10长期荷载下饱和软粘土蠕变特性的研究191、以以静静蠕变蠕变和和动动蠕变蠕变的的对比对比为目的为目的的试验的试验开展得很开展得很少，开展少，开展此类试验研究能够此类试验研究能够得出得出不同因素对饱和软粘土流变特性的影响，不同因素对饱和软粘土流变特性的影响，得出得出动力因素动力因素对蠕变

25、的影响。对蠕变的影响。2、对于长期循环荷载下饱和软粘土流变特性数学方程的研究、对于长期循环荷载下饱和软粘土流变特性数学方程的研究较少，本较少，本课题课题运用土体流变试验的解析计算法，运用土体流变试验的解析计算法，基于流基于流动动理理论论和临界土力学理论和临界土力学理论，结合动蠕变结合动蠕变试验试验结果结果，验证已有成果，验证已有成果，并并得出得出能够较好表达循环蠕变能够较好表达循环蠕变应变速率应变速率-应力水平应力水平-循环次数循环次数关关系的状态方程。系的状态方程。3、对于长期循环荷载下，反映饱和软粘土流变特性的本构模型对于长期循环荷载下，反映饱和软粘土流变特性的本构模型的数值模拟的数值模拟

26、研究研究极少，本课题尝试对极少，本课题尝试对ABAQUS进行二次开发，建进行二次开发，建立反映长期循环荷载下饱和立反映长期循环荷载下饱和软软粘粘土土流变特性流变特性的的数值模型数值模型。4、以往长期循环荷载下饱和软粘土流变特性的研究都是以以往长期循环荷载下饱和软粘土流变特性的研究都是以路基路基工程工程为为背景，而本课题无论从背景，而本课题无论从试验工况试验工况的确定到的确定到数值模型数值模型的建的建立都是以立都是以近海工程近海工程为研究背景，具有很大的为研究背景，具有很大的适用性适用性和和创新性创新性。2013/10/10长期荷载下饱和软粘土蠕变特性的研究20目 录四四. 个人参与的工作内容个

27、人参与的工作内容三三. 研究内容及研究内容及研究思路研究思路二二. 国内外研究现状国内外研究现状一一. 选题背景及研究意义选题背景及研究意义工作量比例论文编写：刘晨曦论文编写：刘晨曦PPTPPT制作：刘晨曦、孙英皓制作：刘晨曦、孙英皓PPTPPT加工加工: :孙英皓、田宗榜孙英皓、田宗榜演讲演讲设计：温杰、田宗榜设计：温杰、田宗榜资料资料搜集：王鑫珏、王泽勋搜集：王鑫珏、王泽勋2013/10/10长期荷载下饱和软粘土蠕变特性的研究21参考文献参考文献：参考文献：11 Parr Parr G B. Some aspects of the behavior of London clay under repeated G B. Some aspects of the behavior of London clay under repeated loadingDloadingD. Nottingham: University of Nottingham,1972. Nottingha