基于非牛顿指数描述的饱和黏土一维非线性固结分析

在考虑半对数应力应变关系的基础上,引入非牛顿指数描述的非达西渗流模型,建立一维固结方程,采用有限差分法求其数值解,并与Terzaghi解答和Davis解答对比验证数值方法的有效性.据此,分析土体应力应变非线性和渗流的非达西特性对饱和粘土一维固结的影响.结果表明,非牛顿指数i0越大,土层厚度与地基平均竖向总应力的等效水头的比值越大,固结速率越低;地面荷载越大,孔压消散速率和地基沉降速率都越快,按沉降定义的固结度要略大于按孔压定义的固结度;压缩指数与渗透指数的比值越大,固结速率越慢;初始有效应力越大,固结速率越快.     

变荷载下考虑结构性的双层地基一维非线性固结分析

考虑变荷载下结构性软土双层地基在固结过程中压缩性和渗透性的非线性变化,基于e-lgσ′两折线压缩模型及e-lgkv渗透关系,利用半解析方法和成层地基一维固结解析解对结构性软土双层地基一维非线性固结问题进行求解。编制相应的计算程序,通过实例计算,分析变荷载下考虑结构性的双层地基一维非线性固结性状,分别讨论土体结构性、加载速率、结构屈服应力和渗透指数对地基固结性状的影响。研究结果表明:考虑土体结构性影响比未考虑土体结构性的固结速率增大,最终沉降量减小;当最终荷载不变时,随着加载历时的增大,地基固结过程变慢;结构性软土结构屈服应力增大,超静孔压消散加快,土体固结速率增大;双层地基各层渗透指数对超静孔压影响较为复杂,对上下层地基沉降速率影响不同。     

考虑起始水力坡降的软土一维非线性固结分析

建立了考虑起始水力坡降的软土非线性固结控制方程,利用有限差分法求取其数值解答,通过与达西定律下的解析解相对比验证了数值计算的可靠性.在此基础上,分析了不同参数对固结性状的影响,研究结果表明:起始水力坡降越大,渗流前锋至土层底面所需要的时间越长,超静孔隙水压力的消散速率越慢;cc/ck值越大,渗流前锋移动速率越慢,土层的固结速率也就越慢;渗流前锋的移动速率随着荷载的增大及土层厚度的减薄而加快;cc/ck=0.5时,土层固结速率随着荷载的增大、土层减薄而逐渐加快;cc/ck=1.5时,土层固结速率随着荷载的增大、土层减薄而逐渐减慢.     

基于指数形式渗流下的软土一维非线性固结分析

已有的室内试验资料表明软黏土中的渗流会遵循指数形式渗流定律,并且土体压缩性、渗透性在固结过程中会表现出明显的非线性特性。在土中自重应力沿深度均匀分布的假定下,推导建立基于指数形式渗流的软土一维非线性固结控制微分方程,并利用有限差分法对其进行数值求解。将数值解与达西渗流下Davis解析解进行对比,验证数值计算结果的可靠性。最后,对基于指数形式渗流下的一维非线性固结性状进行分析。研究结果表明:土层的固结速率在固结初期随渗流指数的增大而加快;而当时间因子超过某一值后,在固结后期固结速率随渗流指数的增加而变慢;土的压缩指数与渗透指数的比值越大,则土层的固结速率越慢;此外,土层中最终有效应力与初始有效应力的比值以及外荷载的等效水头与土层厚度的比值均对固结速率有较大影响。     

考虑指数流的真空预压竖井地基固结解析解

传统固结理论认为渗流速度和水力梯度呈线性关系,但在软塑性土地基中常出现背离线性关系的情况,即为非达西渗流模式。在经典竖井地基固结理论的基础上,假设孔隙水渗透服从指数渗流模式,并结合真空预压的边界条件,建立新的竖井地基固结计算模型,获得超静孔压和径向固结度的严格解答,并通过开展多工况算例对比,分析指数渗流模型参数和真空压力沿竖井衰减系数等对竖井地基固结计算结果的影响效应。研究结果表明:非达西渗流指数m对固结速率影响最为显著,在固结初期,m越大,固结速率越快;在固结后期,m越小,固结速率越快;涂抹区参数s及κh/κs越大,竖井地基固结速率越慢;负压衰减系数k1和k2、真空荷载p0越大,固结速率越快。     

指数形式渗流定律下软土一维大变形固结分析

在土中渗流遵循指数形式渗流定律下,假定土体压缩系数和渗透系数在固结过程中均保持不变,在拉格朗日坐标系下,以超静孔隙水压力为变量,建立软土一维大变形固结问题的控制方程及求解条件.利用有限差分法,对计算模型进行求解,得到超静孔隙水压力的数值解答.在此基础上,对某时刻不同深度处土体孔隙比以及地基沉降变形进行求解,并据此给出按变形定义的地基平均固结度和按应力定义的地基平均固结度的解答.最后,结合实例分析了渗流指数对大变形固结性状的影响,分析了基于指数形式渗流定律的软土一维大、小变形固结理论的区别,给出了基于指数形式渗流定律的软土一维固结问题中必须要考虑大变形特性的条件.     

基于非达西渗流的砂井地基径向固结解

采用考虑起始水力梯度的非达西渗流模型,修正了砂并地基固结理论.建立了相应的控制方程,并对其求解,给出了便于应用的显式解答,在此基础上研究了考虑起始水力梯度时砂井地基的固结性状.结果表明,由于起始水力梯度的存在,应力固结度最终将稳定在一个小于100％的数值上,最终的固结度随着起始水力梯度增大而减小.初始孔压也会对固结性状产生影响,初始孔压越大,孔压消散越充分,最终达到的应力固结度越大.但是初始孔压增大到一定值之后,最终固结度对其灵敏度降低.     

基于非达西渗流的砂井地基固结解

采用考虑起始水力梯度的非达西渗流模型,修正了砂井地基固结理论.建立了相应的控制方程,并对其求解,给出了便于应用的显式解答,在此基础上研究了考虑起始水力梯度时砂井地基的固结性状.结果表明,由于起始水力梯度的存在,应力固结度最终将稳定在一个小于100%的数值上,最终的固结度随着起始水力梯度增大而减小.初始孔压也会对固结性状产生影响,初始孔压越大,孔压消散越充分,最终达到的应力固结度越大.但是初始孔压增大到一定值之后,最终固结度对其灵敏度降低.     

考虑固结流变的软土地基单桩下拉荷载计算

为研究大面积堆载作用下软土地基中单桩下拉荷载计算方法,基于非达西流动定律引入软土流变模型,建立了拉格朗日坐标系中考虑固结和流变共同作用下软土地基大变形长期沉降非线性计算模型.模型中考虑了固结流变过程中孔隙比与渗透系数随孔隙水的排出而发生变化.进而以荷载传递法为基础,重点研究了固结流变土体中桩土相互作用时界面抗剪强度的时间效应,提出了软土地基在大面积堆载作用下考虑非达西流动固结与流变耦合效应时单桩下拉荷载理论计算方法,通过假定桩顶变形进行迭代求解,获得了桩身下拉荷载分布与中性点长期变化规律.最后与传统固结计算方法进行比较,并分析了平均固结度、非达西流固结参数、流变参数以及堆载大小对下拉荷载变化的影响.研究结果表明,基于传统土体固结理论的计算结果偏于保守,考虑固结流变共同作用对单桩受力的不利影响极为必要.     

考虑Hansbo渗流的砂井地基径向固结分析

由于饱和软土中的渗流往往与Darcy定律有较大的偏差,引入Hansbo渗流方程描述这种非Darcy渗流特性,忽略井阻和涂抹效应,修正了传统砂井地基径向固结方程,并用有限差分法进行数值求解,探讨了Hansbo渗流参数的影响.计算结果表明,在Hansbo渗流模式下,砂井地基的孔压消散速度和径向固结速率都会变慢,而且地面超载越小或影响区半径越大,同一时刻的径向固结度越小于基于Darcy渗流的传统砂井地基径向固结理论值.     

变边界下考虑起始水力坡降的软土固结数值解

文章引入边界处孔隙水压力随时间指数变化的变排水边界及软黏土中存在的起始水力坡降,建立单层均质土体的一维固结模型;利用有限差分方法对所建立的固结模型进行数值求解,分别获得土层超静孔压、土层固结度的数值解;利用数值解深入分析随时间指数变化的变边界及起始水力坡降对固结性状的影响。分析结果表明：当起始水力坡降的无量纲参数R相同时,变边界无量纲参数B越大(排水边界越接近于完全透水边界),移动边界下移速度越快,土中超静孔压的消散速率越快,固结完成时间越短,反之亦然;当B值相同时,R值越大,移动边界至土层底部的时间越长,相同时刻下超静孔压残留值越大,土层平均固结度越小。     

考虑非达西流固结土体中桩基承载时间效应研究

为揭示堆载作用下软土固结沉降过程中桩土相互作用机理,首先,基于非达西流动定律推导土体非达西一维固结非线性方程,考虑土体固结过程中孔隙比和渗透系数等参数变化导致土体的非线性特性,通过有限差分法获得超孔隙水压力的数值解答,建立桩侧土体固结沉降计算模型;其次,基于桩土荷载传递模型,考虑土体有效应力增加对桩土界面强度的影响,提出固结土体中桩基长期承载时间效应计算理论;第三,采用Python语言编制迭代求解计算程序,获得桩身下拉荷载、桩侧负摩阻力以及中性面随时间变化的分布规律;最后,对比本文计算结果与现有试验,并进一步研究排水条件对摩擦桩与端承桩下拉荷载分布及中性面位置变化的影响。研究结果表明:与非达西流动相比,按照达西流动定律计算结果高估了土体的有效应力和桩土界面强度;排水条件对桩基础中性面位置有很大影响,双面排水时摩擦桩中性面位置随结时间向上移动,端承桩则稳定在桩尖附近,单面排水时中性面位置随固结均向下移动;本文计算结果与离心机模型试验结果总体变化规律相似,误差可以接受,提出的桩身下拉荷载及中性面位置计算方法可以高效、准确地预测桩周土体在堆载作用下非达西流动固结过程中桩基长期承载响应。     

考虑渗流起始比降的三维固结方程及数值模拟研究

将非达西定律引入到饱和土的Biot三维固结方程,建立了考虑起始比降的三维固结方程,同时采用空间8节点等参单元,得到了考虑起始比降的三维固结的数值方程式,并在此基础上构建了有限元渗流模型,根据数值计算结果得出考虑起始比降的三维固结方程,该方程可以很好地反映起始比降对孔隙水压力消散以及平均固结度的影响,与文献[8]的试验结果相吻合.     

半透水边界下土体大变形非线性固结模型

基于一维大变形固结(CS2)模型,引入半透水边界条件,建立了半透水边界下土体大变形非线性固结(IBC)模型.将其计算结果与现有的可以考虑半透水边界条件的小应变线性解析解和小应变非线性数值解进行了对比,验证了本模型的正确性.在此基础上对影响半透水边界土体固结的主要影响因素(应变大小、半透水参数和土体自重)进行了参数分析.结果表明:应力越大,半透水条件下土体固结越快;半透水参数为0.01是完全不透水边界与半透水边界的临界值,而半透水参数为100是半透水边界与完全透水边界的临界值;土体自重对于半透水边界条件下土体固结速率具有重要影响.     

基于三参数非线性渗流模型的一维固结计算

采用传统的太沙基固结理论计算一维固结存在一定的偏差.三参数非线性渗流模型能够反映土中水从低水力坡降到高水力坡降渗流的全过程,达西定律是其特例.文章基于三参数渗流模型,采用太沙基固结理论中除渗流定律以外的其他基本假定,利用连续条件建立了饱和土体基于非线性渗流模型的一维固结微分方程;运用数值和解析相结合的方法得到了固结方程...     

人工结构性土的次固结特性研究

盾构施工过程中会对周围土体产生剪切扰动,破坏土体的结构性,结构性越强的土,其受扰动作用的影响就越明显.本文通过配制不同水泥掺量来模拟土体结构性的强弱,并进行分级加载的次固结试验.试验结果表明:压缩指数随着水泥掺量的增加而减小,水泥掺量较大时,压缩指数与水泥掺量较小时相比明显减小;结构屈服应力随着水泥掺量的增加而增大;本文所提出的次固结系数公式的计算值与试验值较为吻合,说明本文建立的考虑土体结构性的次固结系数计算模型具有一定的合理性,可为工程实践中次固结沉降的预测提供一定的理论指导.     

天然沉积结构性土的EOP压缩特性

通过对天然沉积原状土和重塑土进行不同排水距离的固结试验,研究了重塑土和原状土的EOP压缩性状,明确了两者性状不同的原因.对于天然沉积结构性土,当固结压力小于结构屈服压力时,土结构性抵抗了土体的变形趋势,蠕动变形甚微,排水路径对其主固结应变量影响不大;当土体处于临界屈服状态时,土结构性丧失,大孔隙坍塌,蠕动变形速率骤增,外加应力引起固结作用而产生的EOP变形量将由于土体较大的蠕交作用而对排水路径产生较大的依赖性,随着固结压力的增大,依赖性逐渐减弱.对于重塑土,排水路径和应力水平对EOP性状的影响规律与原状土屈服后的性状一致,但是由于其EOP压缩曲线位于原状土的下方,相同有效应力下具有较小的孔隙骨架,排水路径和应力水平对EOP性状的影响程度较原状土小.     

真实气体高速非达西流的单井数值模拟

在考虑天然气高速非达西渗流特征和真实气体PVT参数随压力变化基础上,建立了平面径向流下单井高速非达西不稳定渗流数学模型,模型中气体渗流符合Forchheimer二项式方程,并引入了天然气PVT参数的计算和拟压力的计算,采用数值差分方法对模型进行求解,并编制了计算软件。计算了非达西渗流以及真实气体PVT参数随压力变化对产能的影响,为气藏产能计算和动态分析提供依据。     

基于Hansbo渗流的圆球土样Biot固结分析

为考虑渗流的非Darcy特性对固结过程的影响,引入Hansbo渗流模型对圆球土样修正Biot固结方程,并给出方程的Crank-Nicolson有限差分格式.通过和Darcy渗流模式下Biot固结方程解析解的对比,验证了本文数值计算方法的有效性.在此基础上,讨论了Hansbo渗流参数对圆球土样固结过程的影响.计算结果表明,和Darcy渗流相比,在固结初期,Hansbo渗流将增强Mandel-Cryer效应,增大孔隙水压力的峰值,并延长孔隙水压力达到峰值的时间;在固结中后期,Hansbo渗流将使圆球土样内的孔压消散明显滞后.另外,Hansbo渗流会使整个固结过程中圆球土样的固结度减小,且这种影响会随着Hansbo渗流参数的增大而更加明显,但Hansbo渗流对圆球土样边界位移的影响很小.     

低渗透裂缝型碳酸盐岩酸压气井动态特征分析

低渗透裂缝型碳酸盐岩基质低孔低渗、天然裂缝发育,目前存在的酸压气井动态特征模型没有同时考虑储层基质低孔低渗引起的非达西渗流以及储层裂缝发育造成的储层应力敏感效应。为了分析低渗透裂缝型碳酸盐岩气藏酸压后渗流特征和产量递减规律,建立了考虑酸压改造程度、酸压改造范围、流体低速非达西流动、储层应力敏感的酸压气井渗流模型。首先针对气体拟压力形式的非线性非齐次的渗流方程进行Laplace空间变换,在Laplace空间利用摄动理论线性方程解的叠加原理进行求解,其次基于Duhamel叠加原理考虑了井储和表皮对渗流的影响,采用Stehfest数值反演方法得到实空间酸压气井不稳定产量和压力解,最后基于典型曲线特征分析了四类因素对酸压气井产量递减和井底压力动态特征的影响。结果表明:低渗透裂缝型碳酸盐岩酸压气井存在8个流动阶段,基质-裂缝窜流具有减缓产量递减速率的作用;低速非达西在生产中后期对产量递减影响明显,会削弱窜流对产量递减的补偿作用且明显降低气井产能;应力敏感在生产后期对产量递减的影响凸显,对气井递减率和产能影响较小;改造程度越高,产量递减率越大且产能下降越明显;改造范围越大,气井递减速率越稳产。结论认为:实际低渗透裂缝型碳酸盐岩气藏产能分析中,低速非达西渗流对产能的影响大于应力敏感对气井产能的影响;若以保持酸压气井稳定的产量递减速率为目标,增大改造范围比增大改造程度更重要。