考虑涂抹区压缩及渗透系数变化的堆载预压固结解

为评估涂抹区土体压缩和渗透系数变化对含竖向排水体地基固结的影响,采用等体积应变假设,考虑涂抹区土体的压缩变形及其水平向渗透系数沿径向分别呈线性和抛物线分布,并考虑井阻作用以及地基附加球应力沿深度任意分布,推导了随时间线性堆载预压条件下固结微分方程的显式解析解答,分析了涂抹区半径、水平向渗透系数的分布模式、以及体积压缩系数对地基整体平均固结度的影响。结果表明,涂抹区土体采用均匀折减的水平向渗透系数明显低估了地基的固结速率,而当涂抹区半径较大时,不考虑涂抹区土体的压缩变形将会高估地基的固结速率。在含竖向排水体地基固结问题的分析中,这些影响不可忽视。     

考虑径向渗透系数变化的真空预压竖井地基固结解析解

针对真空预压条件下竖井地基固结问题,考虑竖井地基扰动区土体径向渗透系数变化的3种模式(扰动区渗透系数为常数、线性变化、抛物线变化)和竖井井阻随时间变化等因素影响;建立数学计算模型,采用解析解法,推导了考虑径向渗透系数因施工扰动而变化的真空预压竖井地基固结问题的解析解。基于此解,编制了计算程序,绘制出了考虑扰动区土体径向渗透系数变化和竖井井阻随时间变化影响的真空预压竖井地基固结曲线图。研究表明:井阻变化率对固结速率有较大影响;在土体扰动区径向渗透系数变化的3种模式中,渗透系数为抛物线变化时固结速率最快,渗透系数为线性时次之,渗透系数为常数时固结速率最慢。     

考虑井阻时空变化的竖井地基非线性固结解析解

软土固结过程中展现出明显的非线性压缩和渗透特性,同时竖井的淤堵效应常导致井阻在固结过程中随深度和时间不断演化,但目前能考虑井阻随时空演化的竖井地基非线性固结解析解还很鲜见。通过引入孔隙比与有效应力及孔隙比与渗透系数间的半对数模型描述了土体的非线性固结特性,建立了能同时考虑井阻随时空变化和涂抹影响的竖井地基非线性固结模型,并采用分离变量法获得了固结模型的解析解。将特定参数下固结解的计算结果与实测数据、已有的竖井地基固结解答进行了对比分析以验证其可靠性。最后,对竖井地基的非线性固结性状开展了大量计算分析。结果表明：竖井渗透系数随深度线性衰减越明显则地基固结速率越慢;外荷载一定时,随着软土压缩指数c_c与渗透率指数c_k之比的增大,竖井地基固结速度减慢;在c_c /c_k值不变的情况下,外荷载增加,地基固结速率加快。在涂抹区的3种径向渗透系数变化模式中,抛物线变化模式下的地基固结速度最快,线性变化模式下的地基固结速度次之,恒定模式下的地基固结速度最慢,且这种性状并不因为考虑井阻变化或土体非线性固结特性而发生改变。     

半渗透边界下非饱和土砂井地基固结特性

以往的非饱和土砂井地基研究中未考虑砂井的涂抹作用,均按理想砂井进行研究。然而在实际工程中,施工的扰动会导致砂井内壁附近的土体渗透性减弱,从而影响地基的固结。针对这种情况,本文以均布荷载作用下非饱和土砂井地基为模型,考虑涂抹作用,并将其形成的边界假设为半渗透边界;引入Bessel函数,根据超孔隙压力的耦合控制方程推导了半渗透边界条件下非饱和土砂井地基在Laplace变换域内的固结半解析解,并且采用Crump方法进行Laplace逆变换,得到了时间域内的解;将该砂井地基模型退化为理想砂井模型,与现有文献结果对比,验证了本文研究方法的可靠性。最后通过算例来考察半渗透系数对非饱和土砂井地基固结特性的影响。研究表明,半渗透系数对砂井地基的固结有着重要的影响,且半渗透系数越大,超孔隙压力消散越快。     

考虑3种非线性关系的径向排水固结解析解

大部分砂井及排水板固结解析解理论结合了太沙基一维固结理论, 把土体考虑成线弹性问题, 而研究发现, 软土在等向固结条件下平均有效应力和水平渗透系数与孔隙比成半对数线性关系。同时, 实验表明, 在塑料排水板周围的涂抹区中水平渗透系数成抛物线状分布。因此, 为了充分考虑这些非线性的影响, 推导出了该问题的解析解, 并通过退化验证了该解析解的正确性。同时, 还对参数Cc/Ck和对固结速率的影响进行了分析, 结果表明:当Cc/Ck1时, 固结速率较快; 当Cc/Ck1时, 固结速率较慢; 参数增加, 固结速率逐渐变小。     

考虑涂抹区渗透系数变化的非饱和土砂井地基固结特性分析

在以往对非饱和土砂井地基固结理论研究中,均将涂抹区与非涂抹区土体渗透系数视为相等,这与实际工程并不相符。本文将考虑涂抹区土体渗透系数的变化,分析其对超孔隙气、水压力消散规律的影响。基于Fredlund一维固结理论以及Darcy定律和Fick定律,对有限厚度线弹性非饱和土砂井地基,在大面积均布瞬时荷载作用下,考虑涂抹区土体渗透系数的变化,利用Laplace变换并引入Bessel函数推导出Laplace变换下的解,再通过Crump方法编程实现Laplace逆变换得到超孔隙气压力、超孔隙水压力的半解析解。利用典型算例进行计算,分别得到在不同半径、不同涂抹区半径和不同涂抹程度的情况下,超孔隙气压力、超孔隙水压力随时间的变化规律。得出考虑涂抹作用时,超孔隙气、水压力的消散速度降低;涂抹区半径越大、涂抹程度越高速度越慢,反之消散越快。本研究丰富了非饱和土砂井固结理论,对非饱和土砂井固结特性的研究具有一定的工程参考价值。     

砂井地基等效平面问题研究

建立并解析了考虑井阻效应、径竖向组合渗流以及土体水平位移的砂墙平面固结等应变模型。以综合考虑各种因素的Tang Xiao-wu均质砂井地基固结理论为前提,根据砂井地基任意深度处平均超静孔压不变的条件,给出了砂井单元向砂墙单元转换的等效公式,使得复杂的砂井空间问题转化为简单的平面问题。采用此种方法,只需调整地基渗透系数,极大地减少了有限元网格中的砂井单元数,降低了计算规模。通过算例,比较了平面应变模型与PDSS（平面应变-空间渗流）情况下的数值解,验证了等效变换公式的有效性和可靠性。     

潮汐作用下淤泥路基固结变形特性研究

淤泥类软土的广泛分布是沿海地区高速公路建设中普遍遇到的岩土工程问题。海滩区淤泥长期受周期性的波浪和潮汐作用,在淤泥路基排水固结处理前,为便于施工,一般在两侧填筑围堰,并修建反压护道,波浪作用被阻隔,而潮汐通过排水层进入淤泥路基顶面,对淤泥路基的排水固结过程产生重要影响。基于海滩区淤泥路基中反压护道和潮汐的作用,建立了平面应变砂墙路基有限元计算模型。根据现场实测资料反算砂井路基水平渗透系数,并将三维砂井路基转换成平面应变砂墙路基,确定了转换后的等效渗透系数。计算结果表明潮汐、反压护道等对淤泥路基排水固结过程有显著影响。     

考虑井阻和涂抹的砂井地基平面应变等效方法分析

根据固结度或平均孔压不变的条件,推导出考虑砂井阻力和涂抹效应的砂井地基平面应变等效公式,将砂井地基等效为砂墙地基进行计算,从而使复杂的空间问题转变为简单的平面问题。采用此方法时,只需对地基的渗透系数进行调整,计算方法简便易行,计算结果可以满足工程的需要,便于在实际工程中推广应用。     

变荷载下考虑三维渗流的未打穿砂井地基固结分析

为探讨未打穿砂井地基的固结特性,基于三维固结理论和叠加原理,考虑变荷载条件,将砂井打设区和下卧层土体的固结均视为三维问题,分别导出了单级线性加载条件下砂井打设区和下卧层土体的固结度解析解,由此给出了地基整体的平均固结度计算式,并引入fzero函数基于Matlab编制了相应的计算程序。算例对比分析结果表明,受加载历时影响,砂井打设区和下卧层土体的固结度都较瞬时加载有所减小,且减幅随加载历时延长而增大。同时,将下卧层土体的固结视为三维要比一维更能合理考虑径向渗流,使得地基固结度计算值与模型试验推算值吻合较好     

砂井联合水泥土搅拌桩复合地基固结解析解

砂井联合水泥土桩复合地基是一种新型的复合地基加固技术,既可以加快软土地基固结时间,又可以增强软土地基的强度。针对该组合型复合地基的布桩特点,该类复合地基可以简化成以水泥土搅拌桩为中心的轴对称固结模型,并假定孔隙水沿径向渗流到砂井体内的流量等同于砂井体内排出的水量,考虑砂井的涂抹效应,推导出该类型下砂井联合水泥土搅拌桩复合地基固结方程。根据实际工程荷载多数单级施加和地基附加应力呈梯形分布的特点,得出了砂井联合水泥土桩复合地基固结解析解。通过对单级荷载情况下的复合地基固结解析解的退化,得出了瞬时施加荷载下的解析解。最后分别针对井径比、加荷历时、桩-土模量比、砂井渗透系数等影响因素,对复合地基固结性状进行了分析。该解答对提高此类复合地基的设计和计算水平有一定的理论指导意义。     

基于非等温管道流竖井地基热排水固结模拟

针对新技术热排水固结法,采用非等温管道流模拟竖井中U型导热管的传热过程,考虑温度对竖井扰动区和未扰动区渗透性的影响,在COMSOL Multiphysics有限元软件中进行二次开发,建立了竖井地基热排水固结法的有限元模型。以热排水固结软基处理原型试验为例,重点分析了模型耦合、部分耦合和不耦合情况下软土地基的固结度。结果表明,相对于传统排水固结法的不耦合模型,部分耦合模型下因温度产生的孔压增量延缓了地基固结的发展,固结速率有所减慢;耦合模型下温度虽也产生一定的孔压增量,但温度有效地改善了竖井涂抹区土的渗透特性,地基的固结速率加快,固结周期缩短,与试验结果一致。     

真空联合堆载预压下混凝土芯砂石桩复合地基固结特性理论分析

真空联合堆载预压与混凝土芯砂石桩复合地基相结合是处理深厚软土地基的一种新方法。该方法既能利用预制混凝土芯桩提高地基承载力,又能利用砂石外壳缩短排水路径、传递真空负压,加快固结。根据真空联合堆载预压下混凝土芯砂石桩复合地基的固结特点,将堆载预压和真空预压的固结效应分开考虑,然后再进行叠加,推导出了真空联合堆载预压下混凝土芯砂石桩复合地基的平均固结度解析解,并利用三维数值模拟对平均固结度解析解进行了验证。通过对解析解的参数分析,探讨了置换率、涂抹区大小及渗透系数、混凝土芯砂石桩长径比和芯桩率对混凝土芯砂石桩复合地基固结特性的影响。结果表明,混凝土芯砂石桩复合地基的固结速率随着置换率和芯桩率的增大而增大,随涂抹区和砂石外壳直径之比、未扰动区和涂抹区渗透系数之比、长径比的增大而减小。     

Consolidation of sensitive clay with vertical drain

The coefficient of consolidation is one of the most important parameters that control the rate of consolidation. Conventional consolidation theories assume that the coefficient of consolidation is constant during the whole consolidation process. In the case of sensitive clay, the coefficient of consolidation is strongly dependent on the level of effective stress of clay. With the dissipation of pore water pressure and the increase of effective stress, the soil structure of the upper subsoil is gradually destroyed downwards and its coefficient of consolidation becomes smaller. At the same time, the coefficient of permeability of the vertical drains drops down because of the kinking or bending effect. The destructured upper subsoil and the kinking of the vertical drain hinder the dissipation of the pore pressure in the lower subsoil. This paper presents a model to describe the above important phenomena during the consolidation of sensitive clay with vertical drain. The solution for proposed model can be obtained by extending the closed‐form solution of the consolidation of double‐layered ground with vertical drain by the interactive method introducing the concept of the moving boundary and the reduction of discharge capacity of vertical drain. The numerical results obtained from the finite element method package PLAXIS (Ver. 7.2) are adopted to compare those obtained from the present algorithm. Moreover, the rationality of the moving boundary is explained by the distributions of the excess pore water pressure in natural soil zone along the radial direction. Wenzhou airport project is taken as a case study in this paper. The results for the sensitive soil with decaying sand drain agree very well with the in situ measured data. The calculated results can properly explain two general phenomena observed in the consolidation of soft sensitive soil ground with vertical drains: one is that the time to achieve the same consolidation degree is much longer under heavy loading than that under light loading; the other is that the consolidation speed is much slower in the lower subsoil than in the upper subsoil. Finally, it is indicated that the vertical drains can decrease the hindrance effect of the destructured subsoil. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

考虑影响区真实形状的竖向排水井地基固结解

针对现有竖向排水井地基固结解析理论对影响区一律采用圆形等效假定的缺陷,研究了影响区真实形状为正六边形的按梅花形布置的竖向排水井地基的固结问题。通过建立新固结方程和引入新的边界条件,并考虑土体水平渗透系数变化,得到了相应的解析解。对于土体水平渗透系数的3种变化模式,分别给出了各种模式下的特殊解。在此基础上,分析了3种模式下3个主要的无量纲参数对地基固结性状的影响,并比较了计算结果和现有理论结果。分析结果表明,影响区和涂抹扰动区范围越大,固结越慢;土体的最大与最小水平渗透系数之比越小,固结越快;在相同条件下,考虑扰动区渗透系数线性变化的模式2固结最快,而假定扰动区渗透系数不变的模式1的解与现有理论解相当接近,验证了现有竖向排水井地基固结解析理论中对影响区采用圆形等效假定的合理性     

考虑温度耦合效应的竖井地基固结有限元分析

针对塑料排水板(PVD)安装热源能提升PVD性能、加速竖井地基固结这一工程现象,基于热-水-应力 (T-H-M) 三场全耦合的有限元方法来模拟利用热源进行地基处理新技术(PVTD)。首先,以微分形式与等效弱形式分别给出T-H-M耦合控制方程,并推导出其有限元方程组。然后在多场耦合有限元软件中建立饱和土的T-H-M全耦合模型,并通过与已有解析解比较,验证了模型正确性。最后,对一个经典有涂抹区的竖井地基算例,分不耦合温度(UT)、耦合温度但不考虑其对饱和土物性影响(CT)、耦合温度考虑温度对饱和土渗透性影响(CTP) 3种情况进行固结计算分析。研究结果表明,相对于无热源竖井地基,CT情况下由于热源产生的附加孔隙水压力,固结速度略有下降;CTP情况下,由于热源有效改善涂抹区的渗透性能,竖井地基固结速率明显加快。上述研究结论从理论上较好地阐明了PVTD的作用机制。     

线性加载下含砂垫层地基固结分析

针对含水平排水砂垫层地基的固结问题,建立了线性加载下夹砂垫层地基的二维固结模型,并通过边界转换法、积分变换法给出了相应的半解析解。在通过对解答的退化以及数值法验证半解析解正确性的基础上,分析了砂垫层与地基土的几何及物理参数对地基固结的影响。研究表明：对于地基土,地基固结速率随土体水平渗透系数增大而提高,随地基宽度的增大而降低;对于砂垫层,固结速率随砂垫层厚度、水平渗透系数的增大而提高;对于外荷载,加荷速率越快,孔压达到峰值所需时间也越短,地基固结速率亦随之提高。此外,以地基顶面砂垫层为例,综合考虑砂垫层的渗透系数与厚度对砂垫层透水性的影响,当组合参数 时（ 、 、 、 分别为砂垫层厚度、水平渗透系数、土体宽度和竖向渗透系数）,砂垫层近似为完全排水边界。     

涂抹区重叠竖井地基固结特性研究

在软基处理工程中,经常出现竖井打设变密而地基固结效率降低的现象。鉴于此,建立了重叠涂抹区内土体水平向渗透系数的分布函数,给出了涂抹区重叠时竖井地基超静孔压和平均固结度的解析解。通过分析不同工况下竖井地基固结度随竖井间距的变化情况,探究了竖井间距减小而地基固结效率不增反减的成因。最后,探讨了涂抹作用和井阻作用对竖井最小临界间距的影响。结果表明：相邻竖井涂抹区重叠是竖井地基中出现竖井最小临界间距的根本原因。涂抹作用越大,则竖井最小临界间距越大;具体表现为当地基扰动程度增大时或涂抹区半径增大时,竖井最小临界间距随之增大。井阻作用越大,则竖井最小临界间距越小;具体表现为当竖井渗透系数减小时、竖井长度增大时或竖井半径减小时,竖井最小临界间距随之减小。