两种边界条件下非饱和土一维固结特性分析

针对工程中存在的表面排气不排水、底面不渗透及表面排水不排气、底面不渗透两种边界条件下的非饱和土层进行一维固结特性研究.基于Fredlund非饱和土一维固结理论,对其固结方程作适当假定,由得到的液相及气相控制方程、Darcy定律及Fick定律,经Laplace变换和Cayley-Hamilton定理构造顶面状态向量与任意深度处状态向量间的传递关系.通过引入边界条件,得到Laplace变换域内的超孔隙水压力、超孔隙气压力及土层沉降的解.采用Crump方法编制程序实现Laplace逆转换,得到时间域内的超孔隙水压力、超孔隙气压力、土层沉降的半解析解.采用典型算例,分析在不同气相与液相渗透系数比情况下,土体超孔隙水压力、超孔隙气压力随时间的变化规律,结果对非饱和土体一维固结特性研究具有参考价值.     

非饱和土粘弹性地基一维固结特性分析

基于Fredlund的非饱和土一维固结理论,采用李氏比拟法,研究有限厚度粘弹性非饱和土层在大面积均布瞬时加荷时的一维固结问题.针对Merchant粘弹性模型,采用Laplace 变换及Cayley-Hamilton等数学方法,引入边界及初始条件,得到Laplace变换域内顶面排气不排水、底面不渗透情况下粘弹性非饱和土地基一维固结时的超孔隙水压力、超孔隙气压力以及土层沉降的解,采用Crump及Durbin方法实现Laplace逆变换, 获得半解析解;分析在不同气、水渗透系数比k_a/k_w下,Merchant粘弹性模型的Kelvin体中弹性模量E₁和粘滞系数η等对粘弹性非饱和土地基一维固结特性的影响,揭示粘弹性非饱和土地基的固结特性;最后通过与弹性解析解的对比,验证了半解析解方法的正确性.     

线性加荷情况下非饱和土层一维固结特性分析

基于Fredlund非饱和土一维固结理论, 得到了线弹性和黏弹性两种地基在线性加荷情况下, 顶面透水透气、底面不透水不透气的单层非饱和土一维固结超孔隙水压力、超孔隙气压力和沉降的半解析解. 通过典型算例, 分析了不同水、气渗透系数比以及不同土层深度下超孔隙水压力、超孔隙气压力和固结度随时间的变化规律,并对线弹性和黏弹性两种地基的计算结果进行了比较分析. 得到的结论对于非饱和土固结特性的研究及线性加荷下的固结工程具有一定的参考价值.     

考虑井阻与涂抹的非饱和土竖井地基固结分析

基于等应变假设与 Fredlund 非饱和土固结理论, 得到了考虑井阻与涂抹的非饱和土竖井地基固结半解析解. 首先, 引入两个新的变量, 通过 Laplace 变换将控制方程组转化为易于求解的常微分方程组; 然后, 考虑井阻与涂抹条件, 并将 Laplace 变换下的解用 Crump 方法编程实现 Laplace 逆变换, 得到地基内任一深度的平均超孔隙气压力、平均超孔隙水压力和整个深度范围内的平均固结度在时间域内的解;最后, 将所求解退化为饱和土中考虑井阻与涂抹的等应变固结解进行验证, 并与非饱和土中自由应变假设下理想井固结解进行对比, 验证了半解析解的可靠性. 通过分析发现:井阻因子、涂抹系数和涂抹区半径比任何一个值增大, 固结都将变慢;考虑井阻与涂抹能更加准确地预测非饱和土竖井地基的固结度.     

土层性质幂函数变化下的一维固结

采用分离变量法,求解了任意荷载作用下渗透系数和体积压缩系数随深度按幂函数变化土层模型的一维固结问题,从而得到不同排水边界条件下超孔隙水压力和沉降等随时间变化的解析表达式. 通过计算分析,讨论了该类非均质土固结时超孔隙水压力、沉降的变化规律.     

黄土高填方路堤沉降分析

采用4种条件(层重固结法,层重未固结法,孔隙水压力求孔压系数法,孔隙气压力求孔压系数法)下的最终沉降计算方法,和简化的考虑施工加载过程的非饱和土一维固结方法,对某公路高路堤的沉降进行计算分析,并与实测资料相比较。结果表明:公路路堤各土层在自重作用下固结已经完成,甚至有超固结,简化的非饱和土一维固结计算方法可以满足计算精度的要求;同时揭示,公路路堤沉降监测与一般地基的沉降监测是不同的,对不同的问题应该研究布设测点的方法。     

连续排水边界条件下饱和软土一维大变形固结解析解

基于XIE等提出的饱和软土一维大变形固结的假设,通过引入连续排水边界条件研究瞬时荷载下饱和软土的一维大变形固结问题。利用变量代换、分离变量法和Laplace变换得到连续排水边界条件下饱和软土一维大变形固结解析解,通过退化解析解和有限差分数值解对比分析,对该解析解的正确性进行验证。基于所得解析解,分析土体的界面参数及荷载参数对土体一维大变形固结性状的影响。研究结果表明:界面参数α和β越大,土体的透水性越好,超孔隙水压力消散越快,地基的固结速度越快;当界面参数增大到一定程度后,连续排水边界可退化为完全排水边界;连续排水边界下以孔压定义的固结度Up随荷载参数λ_q的增大而减小,以沉降定义的固结度Us则随荷载参数λ_q的增大而增大;对比土体的界面参数和荷载参数对土体大变形固结的影响可知,界面参数对土体固结的影响更大。     

非饱和土受荷后的单向初期变形和固结变形

为建立一维非饱和土固结简化计算方法,首先将非饱和土的固结过程分为初期压密、气压消散和水压消散3个阶段并假定初期压密和气压消散这2个过程是瞬时完成的,然后再单独考虑水压的消散过程.实例模拟结果表明:简化方法能基本反映饱和度不太高的非饱和土的固结过程;饱和度超过85%时,气压消散存在一个较长的历时过程,简化计算方法不宜采用.     

非饱和多孔介质中弹性波动响应分析

基于多孔介质理论,考虑固体颗粒的压缩性和孔隙中两相流体的黏滞性等因素,利用颗粒间吸应力表示的有效应力公式,通过固相、液相及气相的质量和动量平衡方程,建立了非饱和多孔弹性介质的三相动力学控制方程.针对一维问题,考虑表面受到阶跃荷载作用的情形,首先运用Laplace积分变换并结合问题的非齐次边界条件给出了Laplace域内的动力响应解答;其次利用Laplace数值逆变换得到了问题在时域内的级数解,通过和已有的分析结果进行比较,验证了解答的正确性,并且数值验证了非饱和多孔介质中P₂波和P₃波的存在;最后通过数值算例,就非饱和土的剪切模量、孔隙率和渗透系数以及固体颗粒的压缩性等因素对土体波动响应的影响进行了参数分析.     

基于改进西原模型的软土流变一维固结解析

为解决不同应力水平下饱和软土层的沉降计算问题,考虑土的流变特性,对西原模型低应力分量进行了分析和改进.通过Laplace变换与反变换,得到了瞬时加载条件下改进西原模型的一维固结解析解,在此基础上采用积分的方法推导了多级加载条件下的统一解析解,并将解析解应用于洞庭湖软土路堤试验段的沉降计算.结果表明:该解析解沉降计算值在不同应力水平下呈现不同的变化规律,均与对应应力水平下的沉降实测值吻合.在固结初期,该解析解的计算固结沉降速率大大低于相同条件下弹性模型的计算结果.因此,在计算软基沉降时,必须考虑不同应力水平对软基沉降的影响,并考虑软土流变所引起的滞后效应.     

初始孔压非均布的饱和土一维热固结解析解

基于热弹性力学和饱和土固结理论,通过热固结方程的建立和求解,研究了初始孔压非均布时的饱和土一维热固结问题.利用有限Fourier变换及其逆变换,得到土层内部超静孔压、温度增量的解析解,并依此求出地基沉降、平均固结度的表达式.根据所得解编制计算程序,分析了饱和土的一维热固结性状,并与不考虑温度影响的传统固结解进行比较.结果表明,超静孔压随时间延长最终消散为零,但在热固结过程中可能会产生负孔压;地基沉降受温度升高的影响小于传统固结解;平均固结度按沉降定义和按孔压定义是不同的,其变化规律与传统的固结理论有较大差别.     

隧道渗漏诱发的分数阶黏弹性土体固结沉降分析

为研究黏弹性地层盾构隧道衬砌渗漏诱发土体固结沉降问题,采用基于Caputo分数阶导数的Merchant三元件流变模型描述软黏土的流变特性.耦合Terzaghi-Rendulic固结理论,推导出考虑衬砌半渗透边界下黏弹性软土隧道诱发土体中的超孔隙水压力和固结沉降解.通过工程实例对比验证理论解析的准确性,揭示分数阶阶次、衬砌与土体渗透比等参数对土体固结沉降和超孔隙水压的影响规律.结果表明：随时间推移,土体中超孔隙水压在短时间内显著消散,当消散到约初始值的1/8时减幅明显放缓;衬砌与土体渗透比越大,超孔隙水压开始消散的时间越早;随分数阶阶次的增大,超孔隙水压在初期消散得越快,而后期则消散得越慢,固结沉降速率在初期发展得越快,后期发展得越慢.     

某填海工程海上通道固结变形及沉降监测分析

在分析海相软土工程性质和借鉴日本关西机场工程经验数据的基础上,基于Terzaghi一维固结理论以及二维Biot固结理论,分别进行某大型填海造地工程海上通道的一维和二维固结沉降数值模拟分析,得出海上通道沉降分析结果与规律,并与采用双频GPS和高精度水准仪相结合的方法联测出的沉降监测数据进行对比,预测海上通道最终沉降量.计算结果表明:沉降分析结果与实测数据吻合较好,预测的海上通道沉降、超静孔隙水压力发展趋势及最终沉降量可靠.     

基于随机场的非饱和土固结分析

基于随机场理论,采用协方差矩阵分解随机场模拟和蒙特卡罗方法相结合的方法,建立非饱和土固结的流固耦合随机有限元模型,研究弹性模量和饱和渗透系数的空间变异特性对非饱和土固结的影响.结果表明,弹性模量变异系数COVE对沉降的均值和标准差的影响都很大.COVE增大,沉降的均值和标准差相应增加,说明弹性模量的空间变异性可显著增大沉降预测的不确定性.弹性模量的竖向相关距离越小,空间平均效应越大,超孔隙水压力和沉降的标准差越小,尤其在土层厚度小于相关距离时影响较为显著.饱和渗透系数的空间变异性对非饱和土固结的影响较弹性模量小得多,且主要影响固结中间过程.     

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.     

横观各向同性层状饱和地基的轴对称二维Biot固结分析

从Biot基本固结方程出发,引入状态变量,构造了一组描述土体固结的等价状态变量微分方程.该方程组可利用Hankel-Laplace联合积分变换的方法进行求解,由此获得饱和土骨架位移、应力、孔隙水压力及渗流量的一般积分形式解.通过一个数值算例分析了横观各向同性层状饱和地基受荷载作用的固结性状.结果表明,固结速率随地基厚度的增加而减小,在无量纲地基厚度h>10时,其对地基固结特性的影响可略去.     

层状地基三维Biot固结问题的一个解耦解法

通过引入位移函数和中间变量,并对时间t进行Laplace变换,对坐标x,Y进行双重Fourier变换,将直角坐标系下通常包含8个相互耦合状态量的三维Biot固结方程解耦成一组包含6个状态量和一组包含2个状态量的2组方程;进而获得了单层地基三维Biot固结问题的传递矩阵;结合边界条件和连续条件,应用传递矩阵法得到层状地基三维Biot固结问题在Laplace-Fourier变换域内的解,通过进行Laplace-Fourier逆变换得到了该问题物理域的真实解.编制了计算程序,并进行了计算与分析,验证了解的正确性.     

桩筏基础固结沉降实用计算方法

针对饱和深厚黏土中的摩擦型桩筏基础,提出求解基础体系固结沉降的简化分析方法.采用桩-土-筏非线性共同作用模型和交替方向隐式差分算法求解二维平面应变区域内任意时刻不同位置的超孔隙水压力,计算桩端以下土层的平均固结度和基础体系的固结沉降.与有限元精确解的对比分析表明,提出的计算模型与简化假定基本合理.将该方法用于分析2个饱和黏土地基中的桩筏基础固结沉降,得到了与实测值比较接近的预测结果.     

一维溶质运移的参数研究

提出了有关超孔隙水压耗散对粘土中一维溶液对流-扩散溶质运移的影响的计算公式,该公式考虑了固结速率、膨胀速率、超孔隙水压力、吸出耗散等对非线性对流运移影响.并且论述了超孔隙水压力造成的耗散、外部荷载引起的吸出以及水头梯度的对土体体积变形影响,还着重探讨了有关溶质运移过程中固结、膨胀造成的水头、运移速度的不稳定变化的影响因素.     

有限区域水位下降引发的软土层三维轴对称固结解析解

基于Biot轴对称三维固结理论,建立有限区域内水位均匀下降引发的软土层固结模型。利用GibsonMcNamee位移函数方法,对耦合固结方程进行解耦,结合Laplace变换和Hankel变换,对模型进行求解,得出计算软土层变形和内部孔隙水压力的解析表达式。通过与PLAXIS软件的有限元计算结果对比,验证了本文解答的正确性。基于水位均匀下降时的解答,推导水位不均匀下降时的土体固结计算方法。根据解析解分析水位下降范围和土体泊松比对土层固结性状的影响。分析结果表明:随着水位下降范围的增大和土体泊松比的减小,土层的沉降速率越来越快,竖向沉降、径向位移逐渐增大,土层内部初期的超静孔压上升幅度越来越大;竖向沉降影响范围为降水范围的2~3倍,径向位移最大位置为降水范围的1~2倍,受土体泊松比影响很小;与无限大范围水位下降情况相比,有限范围内水位下降引发的土层固结有显著的竖向沉降差异和径向位移,因此在实际工程中考虑降水范围是十分必要的。