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。     

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。     

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。     

考虑起始水力梯度时双层地基的一维固结

文章针对双层饱和粘土地基,建立了考虑起始水力梯度的一维固结方程,并用有限差分法求解。计算结果表明,只要起始水力梯度大于零,地基的固结速率就慢于Terzaghi固结理论,而且当主固结完成时,土层中存在一定的残余孔隙水压力无法完全消散,因而土层的最终平均固结度小于1;另外,固结系数并不是决定双层地基固结特性的惟一土性指标,除渗透系数及压缩模量外,渗流起始水力梯度和地面荷载也都对双层地基的固结有重要影响。     

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.     

考虑起始比降和井阻作用的竖井地基固结近似解

在传统竖井地基固结理论的基础上,考虑起始比降对土体内渗流的影响,建立新的固结计算模型,并推导既可考虑起始比降也能考虑井阻作用的竖井地基中渗流移动边界与时间的关系表达式及孔压和固结度的近似解析表达式。通过对比计算,分析起始比降对竖井地基固结性状的影响及竖井地基的孔压分布情况。研究结果表明:在存在起始比降的竖井地基中,渗流是沿径向和竖向发展,深度越大,孔压消散越慢,而在一定深度以下的土体将不会发生渗流和固结。因为起始比降的影响,土体中孔压不会完全消散,存在残余孔压;按孔压定义的固结度一直小于100%。最终固结度除与荷载有关,还与起始比降有关。     

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...     

抽水引起的有起始比降饱和土固结解析解

研究在有起始比降的弱透水层下大面积抽水而引起的一维固结问题,采用分离变量法,获得该工况下的一维固结解析解。讨论土中渗流移动边界的运动规律,得渗流发展到达土层顶部的时间因子与起始比降的关系曲线,分析考虑起始比降后土体的一维固结和沉降特性。研究结果表明:当起始比降大于一定值时,渗流不会发展到达土层顶部,此时,弱透水层由于抽水引起的固结最终压缩量将减小,且起始比降越大,最终压缩量越小;当固结结束时,土体中孔隙水压力沿深度分布曲线为折线;而当渗流能够发展到达土层顶部时,最终压缩量为一定值,与起始比降无关,土体中的孔隙水压力沿深度分布曲线为直线。     

考虑非达西渗流的结构性软土非线性固结分析

在传统太沙基一维固结理论基础上,引入经典的Hansbo非达西渗流模型,考虑天然土体结构性对固结的影响,建立实际变荷载作用下土体的非线性固结模型,并利用有限差分法求取模型的数值解.在保证数值解可靠性的基础上,分析非达西渗流对结构性软土固结性状的影响及非达西渗流下土体结构性对固结性状的影响.结果表明:非达西渗流下结构性软土的固结速率要比达西定律下慢,且随非达西渗流模型参数m和i1的增大,固结速率的减小愈加明显;对考虑非达西渗流的结构性软土而言,结构屈服应力越大,结构屈服应力前土的压缩指数越小,则结构性软土的固结速率越大,地基土的最终沉降值越小.     

欠固结竖井地基的大应变固结分析

基于分段线性法,对真空-堆载联合预压下竖井地基大变形非线性固结(VRCS1)模型进行简单拓展,使其能用于欠固结竖井地基的大应变固结分析.通过工程案例和数值法对比,验证了拓展方法的正确性,并通过竖井地基自重固结与加载固结的对比,表明两种类型荷载产生不同的固结过程,忽略竖井地基的欠固结会导致固结分析误差.使用VRCS1拓展模型对影响欠固结竖井地基固结的土颗粒相对密度、土体初始高度和初始孔隙比进行分析,结果表明:欠固结土的土颗粒相对密度越大,最终沉降越大,但等应力条件使整体固结沉降速率越慢;欠固结土体初始高度越大,最终沉降越大,但整体固结度发展速率越慢;土体初始孔隙比越大,最终沉降越大,固结速率也越快.     

非Darcy渗流时饱和粘土的一维固结特性

采用考虑起始水力梯度的非Darcy渗流方程,修正了Terzaghi饱和粘土一维固结理论,并对初始孔压沿深度线性分布的情况用有限体积法进行了求解.计算结果表明,考虑渗流起始水力梯度时,地基的固结速度要慢于Terzaghi固结理论值,而且除固结系数外,渗流起始水力梯度、土层厚度以及初始孔压的大小和分布也都对地基的固结有显著影响.另外还证实,当主固结完成时,地基中存在一定的残余孔隙水压力无法完全消散,因此地基的最终固结度总小于1.     

非达西渗流时一维固结方程的两种数值解法

Terzaghi一维固结理论对低渗饱和地基沉降的预测值与实际值之间存在较大误差,原因之一在于其假定地基的渗流符合Darcy定律.在采用考虑起始水力梯度的非Darcy渗流方程和承认Terzaghi一维固结理论其他假定的基础上,重新推导了饱和粘土一维固结方程,并分别给出了有限差分法和有限体积法的离散格式.对单面排水情况下渗流前锋和固结度的计算结果证明了两种数值方法的适用性,而有限体积法具有更好的收敛性.     

劈裂真空法加固软土固结性状研究

基于劈裂裂隙渗透性的分析,结合真空预压负压边界条件,建立了劈裂真空法固结性状分析模型,并利用理论模型分析裂隙位置、裂隙渗透性等因素对地基固结的影响.研究结果表明:理论固结模型计算得到的沉降值与室内模型试验结果吻合,裂隙加快了土体固结速率;当裂隙位于地基2/3深度时,裂隙提高地基固结速率最显著;随着裂隙渗透性增加,地基固结速率加快,当裂隙达到完全排水边界时,固结速率停止增长;随着土层厚度与砂井影响半径比值的增大,裂隙加快地基固结的速率明显.     

考虑无井阻和土体非线性的真空-堆载联合预压复合地基固结分析

针对真空-堆载联合预压复合地基固结问题,考虑土体的非线性,通过引入对数模型,给出真空-堆载联合预压复合地基非线性固结问题的解析解。运用算例分析讨论了复合地基固结性状的变化规律。结果表明,真空-堆载联合预压复合地基非线性固结问题可看作是真空荷载和堆载两者叠加的效果,其按应力定义的固结度与按变形定义的固结度不同;按应力定义的固结度,当土体压缩指数与渗透指数之比小于1时,增大真空荷载值或堆载值,固结加快,当其大于1时,情况则相反;土体压缩指数与渗透指数之比、井径比、涂抹区大小越大,桩土模量比越小,固结越慢;在时间因子较小时,扰动区土体超静孔压增长速度明显大于未扰动区;距离桩体越远,超静孔压消散越慢。     

饱和粘土一维固结系数的非线性研究

采用粘土的半对数压缩曲线、修改后的达两定律、挖孔隙比与渗透系数和塑性指数之间的关系式等，推导了饱和粘土在考虑几何非线性、起始水力坡降和渗透系数非常数情况下维渗流固结系数的表达式。公式表明，固结系数是有效应力和孔隙比的函数，同时与土的初始孔隙比、压缩指数、塑性指数等有密切关系；固结系数随有效应力或孔隙比的变化而变化，其趋势由压缩指数和塑性指数之间的关系决定，对大多数粘土，固结系数随有效应力的增大而减小。上述结构与时间对数法和时间平方根法很好吻合。     

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。     

不同水压下的黏土孔压传递规律试验

对于在不同固结压力下固结的黏土,当对其施加不同水压时,其中的孔压分布和传递规律是解决地下结构上的水压力大小、基础抗浮计算以及边坡稳定分析等岩土问题的关键。现利用研制的试验设备对黏土开展试验,进行渗流状态和静水状态下孔压传递规律分析。试验结果表明:不论是渗流状态,还是静水状态,黏土内各点孔压趋于稳定所需时间均随固结压力的增大而变长,即固结压力越大,孔压传递越慢;因水压引起的超静孔压,渗流状态下的黏土内各点孔压偏离线性分布,表明黏土中的孔隙水未完全与外部水形成水力联系;静水状态下的黏土内各点孔压传递与理论一致,呈线性分布,不过当水压小于固结压力时,土体内各点孔压会略小于理论水压值,但依然呈线性变化。     

基于双对数压缩模型的真空预压非线性固结解

考虑真空荷载实际边界条件,引入对土体压缩曲线线性化的双对数坐标,建立了真空预压砂井地基非线性固结近似解答;利用模型试验结果验证了解答的可靠性,并分析了真空度衰减和土性参数对固结性状的影响.研究结果表明,考虑了真空荷载衰减及双对数坐标的解答计算得到的土体沉降、超静孔压与实测值最为接近.对于超固结土而言,基于变形计算的固结度随着压缩指数与渗透指数比值的增大而减小,随着真空荷载衰减系数的减小而减小;当压缩指数与渗透指数比值大于1时,正常固结状态中基于孔压计算的固结度随真空荷载衰减系数的减小而增大.随着压缩指数与回弹指数比值的增大,地基超静孔压消散速率也随之增加,沉降速率在超固结状态时随之减缓,在正常固结状态时则随之加快,土体由超固结状态进入正常固结状态的时间随之变长.