论文题目: 软土路基双重非线性流—固耦合仿真分析与沉降预测
论文类型: 博士论文
论文专业: 道路与铁道工程
作者: 魏丽敏
导师: 王永和
关键词: 软土路基,大应变,粘弹塑性模型,流固耦合,参数反分析,沉降预测
文献来源: 中南大学
发表年度: 2005
论文摘要: 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υi下土体强度指标φi、ci与常规固结不排水剪试验所得强度指标φcu、Ccu或φ′、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
论文目录:
第一章 绪论
1.1 研究目的和意义
1.2 国内外相关研究现状
1.2.1 沉降机理与控制技术的理论与试验研究
1.2.2 大变形流—固耦合分析
1.2.3 沉降预测
1.2.4 参数反分析
1.3 本研究技术路线与主要工作
1.3.1 技术路线
1.3.2 主要工作
第二章 软土路基双重非线性流—固耦合有限元方法
2.1 引言
2.2 几何非线性问题的一般描述
2.2.1 变形体的运动
2.2.2 应变张量与体变度量
2.2.3 应力度量
2.2.4 U.L.格式的虚功方程
2.3 流—固耦合问题控制方程
2.3.1 有效应力原理
2.3.2 U.L.J.格式的流—固耦合问题平衡方程
2.3.3 渗流连续性方程
2.3.4 流—固耦合问题控制方程
2.4 粘弹塑性本构模型
2.4.1 土的流变现象及特点
2.4.2 本构模型确定
2.4.3 一维西原模型本构方程
2.4.4 多维西原模型本构方程
2.4.5 适用于数值分析的Mohr—Coulomb屈服准则
2.5 双重非线性流—固耦合有限元分析
2.5.1 位移与孔压模式
2.5.2 应变转换矩阵
2.5.3 粘弹塑性体应变与应力增量
2.5.4 双重非线性流—固耦合有限元基本方程
2.6 本章小结
第三章 软土路基双重非线性流—固耦合平面有限元仿真
3.1 强度随固结度增长性能分析
3.1.1 考虑强度增长的必要性
3.1.2 考虑强度增长的方法
3.1.3 修正Mohr-Coulomb屈服准则
3.1.4 施工过程中地基固结度确定
3.2 粘弹塑流—固耦合平面有限元列式
3.2.1 位移与孔压模式
3.2.2 形函数
3.2.3 几个常用的转换矩阵
3.2.4 单元固结矩阵K中的各子阵、各元素计算
3.2.5 单元等效结点荷载和流量增量列阵ΔR各元素计算
3.3 路基施工过程的有限元模拟
3.3.1 考虑分级填筑的意义
3.3.2 分级填筑的有限元模拟
3.3.3 时间步长的确定
3.4 软土路基双重非线性流—固耦合仿真分析程序设计与验证
3.4.1 程序功能与特点
3.4.2 计算步骤与框图
3.4.3 用李氏比拟法推求典型一维问题的粘弹性解
3.4.4 程序验证
3.5 本章小结
第四章 软土路基双重非线性流—固耦合分析现场应用
4.1 工程概况
4.2 参数试验及参数确定
4.2.1 试验内容与方法
4.2.2 蠕变试验
4.2.3 西原模型本构参数确定
4.2.4 高压固结试验
4.3 现场监测方法、结果及分析
4.3.1 现场监测方法
4.3.2 监测结果及分析
4.4 数值模拟基本条件
4.4.1 计算区域的确定
4.4.2 单元划分原则
4.4.3 路堤填筑的模拟
4.4.4 计算参数选取
4.5 数值模拟与监测结果的对比分析
4.5.1 沉降量
4.5.2 水平位移
4.5.3 孔隙水压力
4.6 参数敏感性分析
4.6.1 弹性模量E_e
4.6.2 泊松比μ
4.6.3 粘弹性模量E_(ve)
4.6.4 粘弹性流动系数γ_(ve)
4.6.5 粘塑性流动系数γ_(vp)
4.6.6 渗透系数k
4.6.7 水平渗透系数k_1与竖向渗透系数k_2之比
4.6.8 粘聚力c
4.6.9 土体内摩擦角φ
4.7 参数敏感度分析
4.8 本章小结
第五章 软土路基计算参数反分析
5.1 概述
5.2 参数反分析基本理论
5.2.1 反分析方法选择
5.2.2 建立目标函数
5.2.3 约束条件
5.2.4 参数反分析的基本步骤
5.3 单纯形法简介
5.3.1 基本思想
5.3.2 求解步骤
5.3.3 单纯形边长取值方法
5.4 可变容差法在反分析中的应用
5.4.1 约束最优化问题的求解方法
5.4.2 可变容差法概要
5.4.3 可变容差法的优点
5.4.4 可变容差法的迭代步骤
5.4.5 全局最优解
5.5 程序设计与验证
5.5.1 程序设计
5.5.2 程序验证
5.6 实用参数反分析方法
5.6.1 常规反分析方法
5.6.2 分阶段多层次动态施工反分析方法
5.6.3 分阶段多层次动态施工反分析的具体步骤
5.7 试验工点参数反分析及施工仿真
5.7.1 常规反分析结果
5.7.2 分阶段多层次动态施工反分析应用情况与结果
5.7.3 两种反分析方法计算结果对比
5.7.4 基于反分析参数的施工仿真分析
5.8 本章小结
第六章 软土路基沉降预测
6.1 概述
6.2 拟合曲线
6.2.1 基本概念
6.2.2 常用线型设定与拟合
6.2.3 讨论分析
6.3 不等时距等维新息GM(1，1)模型
6.3.1 模型特点
6.3.2 不等时距的灰色建模原理与步骤
6.3.3 程序流程图
6.3.4 GM(1，1)模型工程应用及分析
6.4 参数反分析沉降预测
6.4.1 技术路线
6.4.2 预测结果
6.5 预测方法分析比较
6.6 本章小结
第七章 结论与展望
7.1 本文研究工作总结
7.2 本文主要创新
7.3 对今后研究工作的展望
参考文献
攻读博士学位期间承担的科研项目、发表的论文专著
致谢
发布时间: 2006-04-11
参考文献
- [1].软土路基大变形固结随机有限元分析[D]. 李涛.浙江大学2006
- [2].真空联合堆载预压软土路基稳定控制与沉降预测[D]. 吴春勇.吉林大学2007
- [3].粉喷桩加固软土路基试验研究与沉降分析[D]. 俞亚南.浙江大学2003
- [4].基于非概率可靠度理论的高速公路软基变形特性研究[D]. 王丙兴.天津大学2012
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- [7].软土地基上高速公路加宽变形特性及差异沉降控制标准研究[D]. 张军辉.东南大学2006
- [8].真空联合堆载预压软土路基稳定控制与沉降预测[D]. 吴春勇.吉林大学2007
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