非饱和土一维热固结理论研究

为研究温度变化对非饱和土一维固结的影响,本文建立了非等温状态下的非饱和土固结模型,并且给出了半解析解。首先,结合Dakshanamurthy等提出的非饱和土一维热固结方程与Aldrich建立的一维热传导方程,建立了更完善的非饱和土一维热固结问题的控制方程。其次,采用Laplace变换与Laplace逆变换等方法,得到了非等温条件下超孔隙气压力、超孔隙水压力及土层沉降的半解析解。另外,将得到的解分别退化为非饱和土一维等温固结情况及饱和土一维热固结情况,与现有文献结果对比,证明了本研究的可靠性。最后采用算例分析了不同热扩散系数和温度对非饱和土地基固结的影响。结果表明：热扩散系数与温度在一定范围内的变化会对非饱和土固结的速度产生显著的影响,且热扩散系数的增大会增加固结速率,温度的升高会减小最终沉降量。     

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。     

考虑井阻及涂抹作用的非饱和土竖井地基固结解析解

以往的非饱和土竖井地基研究中未同时考虑竖井的井阻和涂抹作用,大部分按理想竖井进行研究,然而井阻和涂抹作用是影响非饱和土竖井地基固结的重要因素。针对这种情况,本文基于Fredlund非饱和土一维固结理论及等应变假设,引入变量将超孔隙压力耦合控制方程组转化为等价的线性偏微分方程组,考虑涂抹和井阻条件,并采用分离变量法和待定系数法,推导出了瞬时荷载下同时考虑井阻和涂抹作用的非饱和土竖井地基等应变固结解析解。将所得解析解进行退化,与既有的饱和土竖井地基等应变固结解析解对比,验证了本文解析解的正确性,并应用典型算例分析了井阻和涂抹作用对竖井地基固结的影响。结果表明,井阻因子G、井径比N、涂抹系数α及涂抹半径与竖井半径比S这四者任何一个值减小,非饱和土竖井地基的固结速度都将变快;井阻因子G小于0.1时,建议实际工程中不考虑井阻作用的影响;当涂抹半径与竖井半径比S大于5时,涂抹作用对竖井地基固结的影响与S=5时无明显差异。实际工程中建议提高非饱和土竖井地基的透水能力并减少施工扰动,以降低井阻和涂抹作用对非饱和土竖井地基固结影响。     

考虑堆土积水影响的变荷载下层状地基一维固结度计算及其应用研究

在前人工作的基础上,给出变荷载作用下任意层地基一维固结度计算解析式,提出考虑堆土积水影响的土体固结度计算方法,应用于某宽230～750m、长6500m,总面积为310万m2的国际机场场道大面积堆土预压地基处理工程实例,结合预压过程中堆载区域地下水位、超静孔隙水压力、地表沉降、分层沉降及测斜等监测资料的综合分析与研究,发现堆土中积水对大面积堆载预压过程中地基沉降有十分重要的影响,较全面地阐述了土中积水对堆载预压排水固结的影响机理,并进一步根据工程应用实践,证实了本文研究成果与实测资料相符较好,可供类似工程参考使用.     

竖井地基热排水固结模型试验及有限元模拟

设计竖井地基热排水固结模型试验系统,选取宁波软黏土在水热循环温度70℃下开展热排水固结模型试验,分析了无堆载加热、分级堆载、恒载降温阶段各测点的温度、孔隙水压力及地表沉降变化规律,并以试验为原型,利用COMSOL软件建立热排水固结耦合模型,进行了有限元模拟分析。结果表明:模拟结果与试验结果可以相互验证;无堆载加热阶段,土体孔隙水压力先增大后消散,地表沉降先隆起后下沉,地基发生固结压缩;分级堆载阶段,耦合模型地基固结速率较退化模型快,地基平均固结度到达90%时,耦合模型所用时间较退化模型显著减少;恒载降温阶段,降温能使残余孔压快速消散,土体有效应力增加,土体沉降继续增大,地基进一步固结压缩。     

非饱和土层一维固结特性分析

在Fredlund非饱和土的一维固结理论的基础上进行假设,由得出的液相及气相的控制方程、Darcy定律及Fick定律,采用Laplace 变换、逆变换等数学方法得到了大面积均布瞬时加载下表面为透水透气面、底面为不透水和不透气面的非饱和土层一维固结时间域内的超孔隙水压力、超孔隙气压力及土层沉降的解析解;应用典型算例,分析了不同气、水渗透系数比情况下土体超孔隙水压力、超孔隙气压力消散及土层沉降随时间的变化规律以及不同时间超孔隙水压力、超孔隙气压力消散随深度的变化规律。将得出的结果退化成相应的饱和土的解与太沙基饱和土固结理论结果比较,验证了其正确性。     

分段循环荷载作用下非饱和土轴对称固结特性研究

基于Fredlund等提出的非饱和土轴对称固结理论,采用傅里叶级数展开法和拉普拉斯变换法提出了等应变条件下分段循环荷载作用下同时考虑径向(r方向)和竖向(z方向)渗透的非饱和土轴对称固结半解析解。基于等应变假设和径向边界条件,给出了等应变条件下的超孔隙气压力u_a和超孔隙水压力u_w的控制方程。然后利用级数展开与Laplace变换求解并给出了超孔隙压力及平均固结度的半解析解。此外,通过退化法以及有限差分法验证了所提解和相应结果的正确性。引入3种具体的分段循环荷载,研究了渗透系数之比k_a/k_w、模型尺寸N和荷载特征参数a对非饱和土轴对称固结特性的影响,所得结论更加符合实际,可为非饱和土地基处理提供理论指导。     

堆载预压过程中的地基稳定性计算方法

在分期堆载预压过程中,需要对每一级堆载以及对下一级堆载高度下进行地基稳定性计算,并根据计算结果确定加堆高度和时间。计算时,根据不同堆载高度下的比奥固结理论有限单元法计算结果,用考虑地基强度增长总应力法和考虑超孔隙水压力的有效应力法分别进行地基稳定性计算,以保证地基在每一次加载时的稳定性。结合具体的工程实例,得到了一个很有用的结论：考虑地基土强度增长的总应力法和考虑超孔隙水压力的有效应力法进行地基稳定性计算所得的安全系数趋于相等。     

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。     

利用EVP模型确定堆载预压法的卸载时机

在Bjerrum等时 曲线图的基础上,利用殷建华和Graham的一维EVP模型,在考虑土体次固结沉降的情况下,依据运行期限和运行期允许的沉降量等参数获得等载预压卸载时的临界孔隙比,进而求得控制超载预压和欠载预压卸载时的临界孔隙比,由此可计算出控制堆载预压卸载时机的临界沉降量,克服传统堆载预压依据主固结理论无法反映堆载预压降低次固结变形的缺陷。根据欠载预压的临界孔隙比公式,可计算出最小预压荷载。在推导欠载预压临界孔隙比的过程中,提出新假说A理论,证明了新假说A与假说B近似等价的充分条件。算例表明,由于考虑了软土预压期的次固结变形,堆载预压地基的总沉降量和卸载时的临界沉降量要比有效应力面积比法的大。     

大面积软土地基固结处理实例

堆载预压固结法的原理是地基土在荷载作用下(总应力σ增加)、孔隙水排出(即孔隙水压力μ减少)和有效压力σ′增加的过程。结合工程实例,介绍了堆载预压与塑料排水板相结合对大面积软黏土进行排水固结处理的设计、施工方法,并对工程实例监测结果进行分析,表明了预压固结处理后的饱和软土地基承载能力大为提高,塑料排水板深度范围内,土层固结作用效果明显,工后沉降也大为减小,各区域的地基土主固结变形在几年的时间内固结度均达到了90%以上。     

分级连续加载条件下原状膨胀土固结变形研究

由固结系数Cv与有效应力 和孔隙比的关系,推导了考虑固结系数变化的分级连续加载固结控制方程。根据方程的解析解得到了分级连续加载的沉降计算公式。结合云桂高速铁路建设,以高路堤分段堆载方式为研究依据,在GDS三轴试验系统开展原状膨胀土分级连续加载K0固结试验。结果表明：沉降与时间关系在加载期呈折线式发展,稳载期呈双曲线变化;膨胀土的应力-应变关系呈阶梯式变化;当 ≤ 时,固结系数随有效应力呈先增大而后减小,当 ＞ 时,固结系数随有效应力呈波动持续减小。固结度理论计算值与试验结果相比,考虑固结系数变化的固结度计算比固结系数为定值更准确。分级连续加载沉降计算公式可作为分析高速铁路路基沉降-时间关系的参考方法。     

非饱和土一维固结混合流体方法的解析分析

对采用混合可压缩流体方法分析非饱和土一维固结问题的固结方程进行了求解,在得到的解析解的基础上,对影响非饱和土一维固结的因素进行了分析。分析结果表明,在采用混合流体方法计算非饱和土一维固结的孔隙水压力时,所用公式与计算饱和土一维固结的太沙基理论公式基本相同,不同之处在于引入Bishop有效应力系数来体现孔隙气对孔隙水的影响。而在非饱和土孔隙气压的计算公式中除了体现孔隙水对孔隙气的影响参数以外,还有体现孔隙气体的可压缩性对固结影响的参数。在所有影响因素中,影响非饱和土一维固结最重要的因素是孔隙流体的渗流路径。     

分段循环荷载作用下二维非饱和土固结特性分析

基于Dakshanamurthy和Fredlund提出的二维非饱和土固结理论,利用Fourier正弦级数展开、Laplace变换,分别给出了分段循环荷载作用下二维非饱和土固结问题的超孔隙气压力、超孔隙水压力和沉降的半解析解,并应用退化法验证了本文所得半解析解的正确性。然后,结合3种具体的荷载形式,分析了分段循环荷载作用下气相与液相渗透系数之比(k_a/k_w)、水平方向与竖直方向渗透系数之比(k_x/k_z)和荷载特征参数(a)对二维非饱和土固结特性的影响。结果表明:k_a/k_w和k_x/k_z的增大均会加速固结沉降进程;荷载特征参数越大,沉降发展越早,沉降值越小;二维非饱和土固结特性受分段循环荷载作用影响明显。因此,在实际施工过程中改变施工速度和设置径向排水装置可有效控制二维条件下非饱和土体的固结过程,该研究成果可为非饱和土地基的设计和施工提供重要理论依据。     

变荷载下层状非饱和土地基全耦合固结特性研究

非饱和土是地球表层土体一种常见的存在形式。与经典的饱和土Biot固结理论相比,非饱和土固结理论还亟待发展。基于Fredlund非饱和土双应力变量固结理论,放弃传统理论固结过程中骨架总应力不变的假设,推导出变荷载作用下非饱和土全耦合轴对称固结理论的控制方程组。通过Laplace-Hankel变换处理变量t和r,所得的控制方程被处理为常微分方程组;扩展的精细积分法将被进一步运用求解方程组以得到层状非饱和土地基在变换域内的固结解答,而最终的解答将通过Laplace-Hankel逆变换技术求得。将非饱和土地基退化为饱和土地基,与现有文献结果进行对比,验证所提方法结果的可靠性;最后,提供3个数值算例,以讨论加载时间T0、孔隙水关于净应力的体积变化系数m1w以及土体分层性对非饱和土固结特性的影响。     

舟山国家石油储备基地堆载预压加固效果分析

介绍了舟山国家石油储备基地试验区软基堆载预压大型现场试验结果,根据现场试验测得的数据,分析了软土地基堆载预压下沉降变化规律、分层沉降变化规律、深层土体位移变化规律、超静孔隙水压力变化规律,进一步探讨了根据应力和应变分析得到的地基固结性状,其中通过应变分析得到适用于储备基地的沉降经验系数m。结果表明,打设塑料排水板结合堆载预压处理软弱地基具有良好的效果。     

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。     

电场-渗流场-应力场耦合的电渗固结数值分析

在非饱和土多孔介质力学理论的基础上,根据电荷守恒原理、质量守恒原理、应力平衡方程、达西定律以及欧姆定律,推导了考虑电场、渗流场以及应力场相互耦合作用的电渗固结理论方程。采用Galerkin加权余量法对电渗固结理论方程进行空间离散,得到其有限元计算列式,编制了相应的计算程序,对室内电渗模型试验进行了数值模拟。结果表明,数值模拟与试验结果基本吻合,表明该电渗固结理论方程能够定量预测电渗固结过程中土体的孔隙水压力和位移发展规律。     

漳州后石电厂软土地基加固稳定性分析

根据漳州后石电厂B区地基堆载预压法处理后的软土地基监测数据,包括孔隙水压力,侧向位移和沉降速率,利用孔隙水压力观测结果计算固结度,根据沉降速率观测计算固结沉降量,根据空隙水压力,分层沉降量,侧向位移观测和沉降速率进行稳定性分析。     

混合非齐次边界下非饱和土一维固结解析解

非饱和土的固结研究对道路工程、软土地基处理工程等具有十分重要的意义。基于Fredlund和Hasan提出的非饱和土一维固结理论,给出了土体内孔隙水压力和孔隙气压力变化的控制方程,并给出了单层非饱和土的初始条件与一类随时间变化的混合非齐次边界条件,构成了非饱和土一维固结的定解问题。通过非齐次边界条件齐次化和特征函数展开法,得到了土体内孔隙水压力和孔隙气压力消散的精确时域解析解。最后,通过对比验证了解析方法的正确性,并分析了边界条件指数变化对非饱和土体内孔隙水压力和孔隙气压力的消散以及土体沉降的影响。结果表明,边界处孔压或孔压梯度随时间的指数变化对非饱和土固结过程有明显影响。