數(shù)值模擬在黃土濕陷試驗(yàn)中的應(yīng)用可靠性分析

■呂文龍 ■華北地質(zhì)勘查局核工業(yè)247 大隊(duì)，天津 301800

濕陷性黃土是一種特殊的土質(zhì)，因?yàn)檫@種土質(zhì)遇到水會(huì)產(chǎn)生大面積的沉降。由于濕陷性黃土的特殊性質(zhì)，如果在建筑施工前，未進(jìn)行黃土濕陷性試驗(yàn)，就直接建造在具有濕陷性的黃土上，很容易造成建筑物的沉降。所以為了保障建筑物的質(zhì)量，避免建筑物沉降帶來的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)、人員安全的損失，需要運(yùn)用合理的施工工藝，進(jìn)行黃土濕陷的試驗(yàn)，同時(shí)加固濕陷性黃土上的建筑物。

1 黃土濕陷試驗(yàn)

本文通過分析某工程的室內(nèi)試驗(yàn)及ANSYS 軟件數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析數(shù)值模擬在黃土濕陷試驗(yàn)中應(yīng)用的可靠性分析。在黃土濕陷試驗(yàn)中主要是測(cè)量施工地區(qū)黃土土樣的相對(duì)下沉系數(shù)以及自重濕陷系數(shù)。

1.1 黃土取樣

在黃土濕陷試驗(yàn)中，應(yīng)加大對(duì)黃土濕陷試驗(yàn)取樣的重視程度。因?yàn)橐坏S土濕陷的土樣不符合試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，將造成黃土濕陷數(shù)據(jù)不真實(shí)、缺乏利用價(jià)值。在黃土濕陷試驗(yàn)的取樣中，可以多取一些黃土濕陷式樣。例如可以取12 個(gè)環(huán)刀試樣，其中4 個(gè)可以測(cè)量黃土土樣的密度、孔隙之比、含水量等原始的黃土數(shù)據(jù)，同時(shí)分別取得2 個(gè)進(jìn)行黃土濕陷性的相對(duì)下沉系數(shù)及自重濕陷系數(shù)的試驗(yàn)，剩余的4 個(gè)環(huán)刀試樣可以作為備用試驗(yàn)的材料。當(dāng)黃土取樣完畢后，必須要將取得的土樣進(jìn)行密封，同時(shí)擦拭環(huán)刀的外壁，保證其整潔度，另外要保證環(huán)刀的上面和下面是削平的狀態(tài)。

2 試驗(yàn)過程

2.1 準(zhǔn)備測(cè)量?jī)x器

黃土濕陷性的試驗(yàn)一般運(yùn)用的是GJZ-3 型中壓固結(jié)儀。

2.2 試驗(yàn)的主要方法

試驗(yàn)采用雙線法。主要步驟包括，第一，取出兩個(gè)環(huán)刀試樣，并將其切割，同時(shí)將切割后的環(huán)刀試樣的外壁涂抹上薄厚均勻的凡士林，最好是涂抹的凡士林是薄薄的一層，之后再將刀口朝下，放入護(hù)環(huán)之內(nèi)。第二，借助提環(huán)螺絲及放有透水石及濾紙的底盤放置到容器之中，然后放下加壓導(dǎo)環(huán)和傳壓活塞，從而使得各部密切接觸，最終保持平衡。第三，將加壓容器置于加壓框架正中，密合傳壓活塞及橫梁，預(yù)加1.0kPa壓力，使得固結(jié)儀的各個(gè)部分進(jìn)行緊密的接觸，同時(shí)調(diào)整好百分表并使其讀數(shù)歸置為0。第四，將其中一個(gè)試樣在天然濕度的條件下進(jìn)行分級(jí)加壓，直到濕陷變形情況達(dá)到穩(wěn)定。第五，將另外一個(gè)試樣在自然的條件下，施加50kpa 的第一級(jí)壓力，并且在規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)準(zhǔn)確的記錄下百分表的讀數(shù)，一直記錄到土樣變形穩(wěn)定之后，關(guān)于土樣穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)一般為每一時(shí)的變形不能大0.01 毫米。之后，在對(duì)浸水之后的土樣進(jìn)行分級(jí)的加壓，同時(shí)還需要記錄百分表的數(shù)據(jù)，也是一直到土樣變形穩(wěn)定之后。其為相對(duì)下沉系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果。而自重濕陷性系數(shù)指的是在保持天然濕度及黃土結(jié)構(gòu)厚度的黃土試樣上施加黃土的飽和自重壓力，觀察其在受水之后的濕陷量。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

相對(duì)下沉系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果:(1)土樣描述:原狀土;(2)取土:地表下0.8 米;(3)試樣原始高度:20 毫米;(4)試樣原始孔隙比:0.859;(5)試樣土粒體積的高度:10.758 毫米;(6)壓力值與相對(duì)下沉系數(shù):如表所示。

(7)自重濕陷系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果.試驗(yàn)編號(hào)為1、2 號(hào)的試件的平均自重壓力分別為19.211 和19.211kpa。浸水前百分表的讀數(shù)分別為0.018 和0.02。浸水后百分表的讀數(shù)為分別為0.239 和無顯示。自重濕陷系數(shù)都為0.011。

通過上述試驗(yàn)的過程，可以得知相對(duì)下沉系數(shù)的計(jì)算公式:Im=Em/1 +E0。其中Im 就是濕陷性黃土的相對(duì)下沉系數(shù)，Em 是濕陷性黃土的最大孔隙比，E0 為濕陷性黃土試驗(yàn)開始時(shí)的孔隙比。自重濕陷系數(shù)的試驗(yàn)的計(jì)算公式:Sa=(Hz1 -Hz2)/H0。其中Sa 為自重濕陷性系數(shù)，Hz1 為保持天然濕度和結(jié)構(gòu)的試樣，加至該試樣上覆土的飽和自重壓力時(shí)，下沉穩(wěn)定后的高度。Hz2 為加壓穩(wěn)定后的試樣，在浸水作用下，附加下沉穩(wěn)定后的高度。H0 為黃土試樣最原始的高度。通過相對(duì)下沉系數(shù)的試驗(yàn)可以得知，相對(duì)下沉系數(shù)的數(shù)值都大于0.015，進(jìn)而可以判斷施工地區(qū)為濕陷性黃土。同時(shí)通過試驗(yàn)自重濕陷系數(shù)，其兩個(gè)編號(hào)的系數(shù)都為0.011，也可以判斷該地區(qū)為濕陷性的土層。通過相對(duì)下沉系數(shù)和自重濕陷系數(shù)的試驗(yàn)，可以判斷施工地區(qū)是否屬于濕陷性黃土區(qū)。

3 ANSYS 數(shù)值模擬黃土濕陷性試驗(yàn)

運(yùn)用ANSYS 對(duì)黃土濕陷試驗(yàn)進(jìn)行模擬時(shí)，可以分為浸水及自然條件下的模擬方式。關(guān)于如何區(qū)分浸水和自然條件下的模擬方式，可以根據(jù)黃土的彈性模量的變化進(jìn)行區(qū)分，之后再運(yùn)用ANSYS 技術(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬。

3.1 建立土樣模型

在建立土樣模型的時(shí)候，需要將浸水條件下以及自然條件下的土樣都模擬出來。在模型的建立中，主要是模擬土樣的豎向變形，在模擬浸水狀態(tài)時(shí)，可以利用壓縮模量的變化進(jìn)行表現(xiàn)。土樣模型的尺寸是有嚴(yán)格規(guī)定的，依據(jù)《鐵路土工試驗(yàn)規(guī)程》確定，選取直徑為79.8 毫米，高度為二十毫米的環(huán)刀試樣，并采用SOLID65 單元模擬黃土的單元，土樣應(yīng)力及應(yīng)變關(guān)系可以利用鄧肯-張的雙曲線模型進(jìn)行模擬，土體變形需要遵循摩爾-庫倫屈服的準(zhǔn)則。另外，還需要在護(hù)環(huán)的周圍及黃土土樣的底部施加位移得約束力，并在黃土土樣的頂層加以壓力，從而觀測(cè)模擬結(jié)果。

3.2 ANSYS 技術(shù)建立的土樣模型的數(shù)據(jù)

當(dāng)施加壓力分別為50、100、150、200、400kpa 時(shí)，浸水之前的彈性模量分別為1.5e7、1.6e6、2.3e7、2.3e7、3.3e7pa。在浸水之后的彈性模量分別為2.1e6、3.0e6、3.9e6、3.4e6、3.4e7pa。

不同壓力值下相對(duì)下沉系數(shù)的關(guān)系如表所示。

在進(jìn)行模擬自重濕陷試驗(yàn)的時(shí)候，施加的壓力為土層上部的飽和自重，試驗(yàn)地區(qū)土層的飽和自重為19.211kPa，且壓縮模量為土樣的初始值。同時(shí)，在未浸水之前時(shí)，土樣沉降為0.0297 毫米，在浸水之后，土樣沉降深度為0.226 毫米，經(jīng)過計(jì)算，其自重濕陷系數(shù)數(shù)值模擬值為0.0098。

3.3 試驗(yàn)總結(jié)

通過ANSYS 技術(shù)建立的土樣模型的數(shù)據(jù)得出以下結(jié)論:在相對(duì)下沉系數(shù)的試驗(yàn)中，盡管其與室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果有著一些不同，但是整體上是相同的，規(guī)律也是保持一致的，而且室內(nèi)試驗(yàn)的方式主要是人為進(jìn)行操作的，所以誤差出現(xiàn)的可能性是較大的，因此室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與數(shù)值模擬的結(jié)果存在差異也是必然的，從相對(duì)下沉系數(shù)上看，ANSYS 數(shù)值模擬在黃土濕陷試驗(yàn)中的應(yīng)用是具有可靠性的。在自重濕陷試驗(yàn)的數(shù)值模擬結(jié)果中，其自重濕陷系數(shù)數(shù)值的模擬值為0.0098，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果為0.011，僅為0.0012，相差的數(shù)值不大，因此，也反應(yīng)了數(shù)值模擬在黃土濕陷性試驗(yàn)的應(yīng)用中存在一定的可靠性。

4 結(jié)語

由于濕陷性黃土的特殊土質(zhì)導(dǎo)致其很容易影響到建筑物的施工質(zhì)量，在建造建筑物的時(shí)候，需要重視起濕陷性黃土的試驗(yàn)工作，從而保證建筑施工的安全有序進(jìn)行。當(dāng)前，較為先進(jìn)的濕陷性黃土的試驗(yàn)方式就是ANSYS 數(shù)值模擬，此方法可以通過計(jì)算機(jī)軟件做出黃土土樣的模型，通過賦值模擬計(jì)算從而得出黃土的自重濕陷系數(shù)、相對(duì)下沉系數(shù)等。本文通過數(shù)值模擬的方式，首先在室內(nèi)試驗(yàn)黃土樣本的相關(guān)參數(shù)之后，利用ANSYS 軟件模擬施工地區(qū)的黃土的土樣，從而得出黃土土樣的自重濕陷系數(shù)、濕陷起始?jí)毫σ约跋鄬?duì)下沉系數(shù)等，并將數(shù)值模擬的結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析數(shù)值模擬在黃土濕陷實(shí)驗(yàn)中的可靠程度，經(jīng)過試驗(yàn)顯示，可以明顯的看出室內(nèi)試驗(yàn)與ANSYS 數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)與室內(nèi)土工試驗(yàn)的結(jié)果比較是相對(duì)吻合的，所以數(shù)值模擬在濕陷性黃土試驗(yàn)中的應(yīng)用還是相當(dāng)可靠的。

［1］楊欣.非均勻濕陷條件下黃土地基橋梁群樁承載特性離心模型試驗(yàn)研究［D］.長(zhǎng)安大學(xué)，2014.