饱和土体单向固结理论与应用研究--饱和多孔介质流固耦合渗流数学模型之应用

针对饱和土体1D竖向固结沉降问题,给出一个新的固结方程,利用该方程进行了定量计算和实例研究,且与经典固结理论进行了对比分析.结果表明,经典固结方程可认为是新提出的固结方程的一种简化,后者更能反映固结过程的物理实质.     

饱和土体一维固结方程的稳定性分析

根据分布参数系统控制理论和半群理论的研究方法和成果对饱和土体在附加应力作用下的一维固结方程的稳定性进行了分析证明，从理论上给出了土体固结沉降的渐近稳定性结果。     

基于EVP模型的饱和黏性土一维流变固结模型

为深入探讨饱和黏土的固结机理,引入弹黏塑性(EVP)本构模型描述土体的流变固结特性,用Hansbo渗流方程描述土体的渗流过程,修正饱和黏土一维固结理论,采用有限差分法进行求解.通过与文献中固结试验结果的对比,证明了EVP本构模型和本计算方法的有效性,并讨论了Hansbo渗流参数和EVP模型参数对流变固结过程的影响.结果表明,饱和黏土的黏滞效应导致靠近不排水面处在流变固结前期出现了孔压升高现象, Hansbo渗流会使该现象更加明显.饱和黏土的黏滞效应和渗流的非达西特性延缓了固结中后期的整体孔压消散和地基沉降.     

饱和土体固结3D比例边界有限元法分析

基于饱和土体Biot固结理论,考虑土体体力与表面作用力,结合饱和土体中土骨架动力平衡方程与孔隙流体的连续方程,在计算域内采用Galerkin加权余量法,推导了3D无限、有限域全耦合饱和土体固结的比例边界有限元方程.理论推导表明:与单相弹性土体不同的是,由于孔隙水的存在,饱和土体固结比例边界有限元法方程中不仅有位移、应力矩阵,而且还存在孔隙水压力的影响耦合矩阵;该方程不仅能够满足无限域无穷远边界辐射条件,而且在径向(与饱和土体-结构接触面垂直方向,指向无限远)上具有严格的精确性,环向上(与饱和土体-结构接触面平行方向)具有有限元单元无限收敛的准确性.     

孔隙比变量一维固结方程解析理论

经典Terzaghi固结理论假定固结沉降与超孔压消散间满足线性耦合关系,通过计算土体应力固结度与土体最终沉降量预测沉降发展过程。由于土体固结沉降与超孔压消散间存在不同步耦合效应,沉降发展快于超孔压消散,应用应力固结度预测土体沉降发展误差较大。以孔隙比变量作为固结方程控制变量,根据孔隙比边界条件求解土体固结沉降过程可以有效避开超孔压消散与土体沉降间的滞后耦合效应。以土体连续方程、达西定律、有效应力原理为基础推导孔隙比变量固结方程及边界条件,研究边界条件、土体自重、初始孔隙比分布、非瞬时加载等对土体固结过程与最终效果的影响,比较应力与应变固结度间差异。研究表明初始条件、土体自重等对孔隙比变量解答有较大影响,引起5%左右误差。     

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.     

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.     

考虑非Darcy渗流和自重应力的一维固结分析

基于饱和黏土中渗流的非Darcy特性和变形的非线性,考虑土体埋深和自重应力的影响,修正了Terzaghi 1维固结方程.为简化计算,建立了以有效应力为求解对象的非线性控制方程,并采用有限差分法建立隐式差分格式对方程进行求解.探讨了综合考虑土体渗流非Darcy特性、埋深、自重应力和变形非线性时的固结特性.计算结果表明:考虑土体自重应力时的孔压消散速率和地基沉降速率都要大于不考虑土体自重时的情况;综合考虑土体自重、非Darcy渗流特性和变形非线性的孔压消散速率和地基沉降速率都可能出现前期快于Terzaghi固结理论解而后期相反的情况.     

真空动力固结饱和软土地基非线性固结解析解

为了更深入研究饱和软土地基真空动力固结机理,基于有限应变理论建立了考虑多种因素影响的真空动力固结饱和软土地基非线性固结方程,并通过变量代换和分离变量求出方程解析解,研究结果表明:按照沉降和孔压定义的软土地基平均固结度结果差值受大变形时间因数影响明显,呈现出先增大后缩小特征,且在任意时刻饱和软土地基沉降发展速率明显快于超静孔压消散速率;计算解同室内试验结果变化趋势基本一致,表明了非线性固结方程的合理性,且动力固结和真空降水时间间隔不宜超过1 d。     

长期循环荷载作用下海洋饱和粉砂的弱化特性

为了研究海洋饱和粉砂在长期循环荷载作用下的弱化特性,对原状饱和粉砂进行了一系列不同固结条件下不排水单调和循环加载三轴试验,并在循环加载过程中通过弯曲元测试土体剪切波速.主要分析固结方式、动应力比以及循环次数对饱和砂土循环弱化特性的影响.试验结果表明,在相同的固结条件下,随循环次数的增加和动应力比的提高,土体的强度和刚度衰减显著,在相同的动应力比作用下,偏压固结相对于等压固结减缓了土体的循环弱化.利用动偏应力水平对海洋饱和粉砂循环荷载作用下强度和刚度的弱化特性进行了描述.     

饱和土壤固结非线性有限元分析

为发展一个实用的土壤固结非线性有限元分析程序，在以往工作的基础上，以变分原理为基础，给出了饱和土壤固结弹塑性分析的基本方程．利用文中的理论，编制了有限元通用分析程序ＤＩＡＳＳ，并进行了例题计算．对考虑非线性弹性与弹粘塑性模型的土体固结分析方法进行了讨论．     

饱和软土地基沉降计算方法

软土是一种区域性的特殊土,是在一定的地质条件下形成的,具有变形大、承载力低等特点。软土地基具有高含水量、高压缩性、低强度、低渗透性和高灵敏度的特点,其地基稳定性差,不易满足建筑物地基设计要求,直接影响结构工程的稳定性和耐久性,一般都需进行处理才能满足工程设计要求。简要介绍了软土的特点和工程特性,论述了饱和软土地基沉降计算中需要考虑的土体的自重应力计算、基底附加压力随地基沉降变化的影响、加载方式和加载速率的影响等关键问题,分别给出了瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降3个阶段的饱和软土地基沉降量计算方法。     

广义 Voigt 模型模拟的饱和土体轴对称固结理论解

本文采用广义 Voigt 模型,导出了自由应变条件下考虑井边涂抹作用,等垂直应变条件下考虑涂抹和井阻作用的饱和粘弹性土体轴对称固结理论解.解的形式有广泛的适用性,可概括 Barron 弹性解和郭志平粘弹性解等,故它更方便于工程应用.研究工作还表明:由于推导有误,关于这一问题的 Barron 解不满足固结基本方程;由于设置条件失当,传统的 Carrillo 定理不再适用于饱和粘弹性土体情况.     

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。     

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.     

非均质饱和-非饱和土的变形特性

利用饱和-非饱和多孔弹性介质控制方程建立有限元计算模型,考虑弹性模量随深度增加及其在水平方向的变化,分析了非饱和土中超静孔隙水压力消散和土体的变形特性.通过与相关文献结果对比可验证文中采用的计算模型的正确性.研究结果表明：土体的非均质性对超静孔隙水压力的消散和土体的变形均有显著影响;弹性模量沿深度方向变化率越大,非饱和土体吸收的压力越多,导致超静孔隙水压力消散得越快,并且初期变形阶段和固结完成后,土体的变形幅度减小.     

基于μ-U方程的饱和土壤固结分析

在给出饱和土壤介质固结有限元分析基本方程的基础上，讨论了饱和土 壤固结分析问题。采取μ－Ｕ形式方程对饱和土固结问题进行分析。利用两点 插值格式与加权余量法，建立了以土骨架位移与孔隙水位移为未知量的固结 问题求解方程；由此克服了以往以μ－ｐ形式方程求解该问题的一些不足。已 在微机程序ＤＩＡＳＳ中实现。文末附有算例。     

高饱和土固结及饱和度对土体固结的影响

以Terzaghi土体固结理论和Biot固结理论为基础,按饱和度不同的分类,研究了高饱和土固结机理及过程,深入分析了高饱和土饱和度变化对孔隙流体压缩性的影响,以及由此影响到高饱和土的固结全过程。     

饱和软土地基堆载预压排水固结沉降特性研究

为研究沿海饱和软土地基堆载预压排水固结沉降特性,针对变电站软土地基处理实际应用工程,利用非线性有限元软件,分析饱和软土地基下采用塑料排水板堆载预压排水固结沉降特性,同时考虑井阻效应和涂抹作用,解析计算并设计堆载预压排水固结相关参数和效果控制等,预测饱和软土固结度及其沉降特征,综合分析塑料排水板堆载预压地基加固效果与影响...     

考虑温度影响的饱和土有效应力原理

热-力耦合是当今岩土工程领域颇为关注的研究课题之一,是涉热岩土工程问题(如能源地下工程、放射性废料处置、输油及热力管道和热法地基处理等)的理论基础。经典土力学中有效应力原理描述了饱和土体在荷载作用下土骨架和孔隙流体之间的压力分布,但针对热-力耦合作用下土骨架及孔隙水之间的压力分布及其变化的研究罕有报道。该文从饱和土体宏观热固结响应出发,结合经典的有效应力原理,分析加热对土骨架和孔隙水的影响,推导考虑温度影响的有效应力和孔隙水压力表达式,建立考虑温度影响的饱和土有效应力原理,探讨不同位移边界和排水边界条件下有效应力和孔隙水压力的分布变化。结果发现:在热-力耦合作用下,土体的总应力、超静孔隙水压力和有效应力均随温度变化而变化;加热引起的温度应力和热孔压随时间变化而变化,影响土体的压缩性和强度,并进一步影响固结压缩过程和压缩量。该研究结果可为热固结理论推导及其他涉热岩土工程问题分析提供技术支撑。