数值模拟在黄土湿陷试验中的应用可靠性分析

■吕文龙 ■华北地质勘查局核工业247 大队，天津 301800

湿陷性黄土是一种特殊的土质，因为这种土质遇到水会产生大面积的沉降。由于湿陷性黄土的特殊性质，如果在建筑施工前，未进行黄土湿陷性试验，就直接建造在具有湿陷性的黄土上，很容易造成建筑物的沉降。所以为了保障建筑物的质量，避免建筑物沉降带来的经济财产、人员安全的损失，需要运用合理的施工工艺，进行黄土湿陷的试验，同时加固湿陷性黄土上的建筑物。

1 黄土湿陷试验

本文通过分析某工程的室内试验及ANSYS 软件数值模拟的结果进行对比，分析数值模拟在黄土湿陷试验中应用的可靠性分析。在黄土湿陷试验中主要是测量施工地区黄土土样的相对下沉系数以及自重湿陷系数。

1.1 黄土取样

在黄土湿陷试验中，应加大对黄土湿陷试验取样的重视程度。因为一旦黄土湿陷的土样不符合试验标准，将造成黄土湿陷数据不真实、缺乏利用价值。在黄土湿陷试验的取样中，可以多取一些黄土湿陷式样。例如可以取12 个环刀试样，其中4 个可以测量黄土土样的密度、孔隙之比、含水量等原始的黄土数据，同时分别取得2 个进行黄土湿陷性的相对下沉系数及自重湿陷系数的试验，剩余的4 个环刀试样可以作为备用试验的材料。当黄土取样完毕后，必须要将取得的土样进行密封，同时擦拭环刀的外壁，保证其整洁度，另外要保证环刀的上面和下面是削平的状态。

2 试验过程

2.1 准备测量仪器

黄土湿陷性的试验一般运用的是GJZ-3 型中压固结仪。

2.2 试验的主要方法

试验采用双线法。主要步骤包括，第一，取出两个环刀试样，并将其切割，同时将切割后的环刀试样的外壁涂抹上薄厚均匀的凡士林，最好是涂抹的凡士林是薄薄的一层，之后再将刀口朝下，放入护环之内。第二，借助提环螺丝及放有透水石及滤纸的底盘放置到容器之中，然后放下加压导环和传压活塞，从而使得各部密切接触，最终保持平衡。第三，将加压容器置于加压框架正中，密合传压活塞及横梁，预加1.0kPa压力，使得固结仪的各个部分进行紧密的接触，同时调整好百分表并使其读数归置为0。第四，将其中一个试样在天然湿度的条件下进行分级加压，直到湿陷变形情况达到稳定。第五，将另外一个试样在自然的条件下，施加50kpa 的第一级压力，并且在规定的时间范围内准确的记录下百分表的读数，一直记录到土样变形稳定之后，关于土样稳定的标准一般为每一时的变形不能大0.01 毫米。之后，在对浸水之后的土样进行分级的加压，同时还需要记录百分表的数据，也是一直到土样变形稳定之后。其为相对下沉系数的试验结果。而自重湿陷性系数指的是在保持天然湿度及黄土结构厚度的黄土试样上施加黄土的饱和自重压力，观察其在受水之后的湿陷量。

2.3 试验结果

相对下沉系数试验结果:(1)土样描述:原状土;(2)取土:地表下0.8 米;(3)试样原始高度:20 毫米;(4)试样原始孔隙比:0.859;(5)试样土粒体积的高度:10.758 毫米;(6)压力值与相对下沉系数:如表所示。

(7)自重湿陷系数试验结果.试验编号为1、2 号的试件的平均自重压力分别为19.211 和19.211kpa。浸水前百分表的读数分别为0.018 和0.02。浸水后百分表的读数为分别为0.239 和无显示。自重湿陷系数都为0.011。

通过上述试验的过程，可以得知相对下沉系数的计算公式:Im=Em/1 +E0。其中Im 就是湿陷性黄土的相对下沉系数，Em 是湿陷性黄土的最大孔隙比，E0 为湿陷性黄土试验开始时的孔隙比。自重湿陷系数的试验的计算公式:Sa=(Hz1 -Hz2)/H0。其中Sa 为自重湿陷性系数，Hz1 为保持天然湿度和结构的试样，加至该试样上覆土的饱和自重压力时，下沉稳定后的高度。Hz2 为加压稳定后的试样，在浸水作用下，附加下沉稳定后的高度。H0 为黄土试样最原始的高度。通过相对下沉系数的试验可以得知，相对下沉系数的数值都大于0.015，进而可以判断施工地区为湿陷性黄土。同时通过试验自重湿陷系数，其两个编号的系数都为0.011，也可以判断该地区为湿陷性的土层。通过相对下沉系数和自重湿陷系数的试验，可以判断施工地区是否属于湿陷性黄土区。

3 ANSYS 数值模拟黄土湿陷性试验

运用ANSYS 对黄土湿陷试验进行模拟时，可以分为浸水及自然条件下的模拟方式。关于如何区分浸水和自然条件下的模拟方式，可以根据黄土的弹性模量的变化进行区分，之后再运用ANSYS 技术进行数值模拟。

3.1 建立土样模型

在建立土样模型的时候，需要将浸水条件下以及自然条件下的土样都模拟出来。在模型的建立中，主要是模拟土样的竖向变形，在模拟浸水状态时，可以利用压缩模量的变化进行表现。土样模型的尺寸是有严格规定的，依据《铁路土工试验规程》确定，选取直径为79.8 毫米，高度为二十毫米的环刀试样，并采用SOLID65 单元模拟黄土的单元，土样应力及应变关系可以利用邓肯-张的双曲线模型进行模拟，土体变形需要遵循摩尔-库伦屈服的准则。另外，还需要在护环的周围及黄土土样的底部施加位移得约束力，并在黄土土样的顶层加以压力，从而观测模拟结果。

3.2 ANSYS 技术建立的土样模型的数据

当施加压力分别为50、100、150、200、400kpa 时，浸水之前的弹性模量分别为1.5e7、1.6e6、2.3e7、2.3e7、3.3e7pa。在浸水之后的弹性模量分别为2.1e6、3.0e6、3.9e6、3.4e6、3.4e7pa。

不同压力值下相对下沉系数的关系如表所示。

在进行模拟自重湿陷试验的时候，施加的压力为土层上部的饱和自重，试验地区土层的饱和自重为19.211kPa，且压缩模量为土样的初始值。同时，在未浸水之前时，土样沉降为0.0297 毫米，在浸水之后，土样沉降深度为0.226 毫米，经过计算，其自重湿陷系数数值模拟值为0.0098。

3.3 试验总结

通过ANSYS 技术建立的土样模型的数据得出以下结论:在相对下沉系数的试验中，尽管其与室内试验的结果有着一些不同，但是整体上是相同的，规律也是保持一致的，而且室内试验的方式主要是人为进行操作的，所以误差出现的可能性是较大的，因此室内实验的结果与数值模拟的结果存在差异也是必然的，从相对下沉系数上看，ANSYS 数值模拟在黄土湿陷试验中的应用是具有可靠性的。在自重湿陷试验的数值模拟结果中，其自重湿陷系数数值的模拟值为0.0098，室内实验的结果为0.011，仅为0.0012，相差的数值不大，因此，也反应了数值模拟在黄土湿陷性试验的应用中存在一定的可靠性。

4 结语

由于湿陷性黄土的特殊土质导致其很容易影响到建筑物的施工质量，在建造建筑物的时候，需要重视起湿陷性黄土的试验工作，从而保证建筑施工的安全有序进行。当前，较为先进的湿陷性黄土的试验方式就是ANSYS 数值模拟，此方法可以通过计算机软件做出黄土土样的模型，通过赋值模拟计算从而得出黄土的自重湿陷系数、相对下沉系数等。本文通过数值模拟的方式，首先在室内试验黄土样本的相关参数之后，利用ANSYS 软件模拟施工地区的黄土的土样，从而得出黄土土样的自重湿陷系数、湿陷起始压力以及相对下沉系数等，并将数值模拟的结果与室内试验的结果进行对比，分析数值模拟在黄土湿陷实验中的可靠程度，经过试验显示，可以明显的看出室内试验与ANSYS 数值模拟的数据与室内土工试验的结果比较是相对吻合的，所以数值模拟在湿陷性黄土试验中的应用还是相当可靠的。

［1］杨欣.非均匀湿陷条件下黄土地基桥梁群桩承载特性离心模型试验研究［D］.长安大学，2014.