考虑土体非线性的CCSG桩复合地基固结解

混凝土芯砂石桩（CCSG）桩复合地基是一种新型多元复合地基。通过引入地基土体的e-lgσ和e-lgk对数模型,考虑地基土体固结过程中压缩模量和渗透系数非线性变化的特征,推导出基于等应变假设的CCSG桩复合地基非线性固结解析解,且现有的考虑土体非线性的砂井固结解和碎石桩复合地基固结解均是文中解的特例。根据该解析解得到桩土模量比、土体压缩指数与渗透指数比、荷载增量等无量纲参数变化时,CCSG桩复合地基的固结度曲线。分析结果表明,按应力和按变形定义的两种固结度不相等,通常按变形定义的固结速度较快;土体压缩模量和渗透系数的非线性变化对固结影响较大。最后通过和由实测数据获得的固结度曲线对比,验证了解析解的正确性。     

考虑砂石桩固结的混凝土芯砂石桩复合地基固结解析解

考虑了混凝土芯砂石桩复合地基中砂石桩的环形排水通道、砂石桩体内的径、竖向渗流和土体施工扰动,并采用桩土共同分担荷载的初始条件,得到了混凝土芯砂石桩复合地基固结问题的控制方程,给出了控制方程的解答;并分别给出了复合地基按应力和按变形定义的总平均固结度,分析了砂石桩桩体渗透系数、芯桩与砂石桩直径比对地基固结性状的影响。结果表明：对于混凝土芯砂石桩复合地基按应力定义的固结度与按变形定义的固结度表达式不同;地基的固结随着砂石桩桩体渗透系数增加而加快;砂石桩直径一定的情况下,固结速率随芯桩直径增大先增大后减小。最后对本文解和以往的两种解做了比较,与以往解相比本文解能够同时考虑环形通道和桩土荷载分担,给出的固结度介于以往的两种解之间。     

变荷载下双层地基一维非线性固结近似解析解

目前考虑土体非线性压缩及渗透特性的双层地基非线性固结解均假定土体固结系数保持不变,能反映固结系数变化的双层地基非线性固结解还很鲜见。引入经典的e- 和e- 非线性关系描述土体的非线性压缩、渗透特性,在假定双层地基上、下土层压缩指数与渗透指数比值 相等且不等于1的基础上,得到变荷载下考虑土体固结系数变化的双层地基一维非线性固结近似解。该解答在 1条件下可退化为已有的 1时双层地基一维非线性固结解。基于此解探讨了双层地基上、下土层参数的相对比值对非线性固结性状的影响。结果表明：单面排水条件下 越小,下层土与上层土的相对压缩性越低、相对渗透性越高,则双层地基非线性固结速率越快;减小 值,增加双层地基中压缩性小、渗透性高的土层的厚度,会加快地基的固结速率。     

饱和土体一维复杂非线性固结特性研究

结合大量宁波软土室内固结与压缩试验数据,采用偏微分有限元软件FLEXPDE,同时考虑土体固结过程中材料和几何的复杂非线性,进行了土体固结特性研究。在压缩指数和渗透指数不同比值条件下,进行了解析解推导和有限元数值分析,得出了不同条件下土体有效应力和孔隙比沿高度的变化规律。结果表明,压缩指数和渗透指数比值不等于1时,由于数值解法充分考虑土体的复杂非线性,其结果与实际更加符合;而在比值等于1时所得出的结果与Gibson得出的结果一致;考虑土体材料和几何复杂非线性使得有效应力及固结度预测偏于安全。     

修正等应变假定下刚性桩复合地基固结特性分析

刚性桩复合地基固结特性是影响工程进度的重要因素。为研究外荷载作用下刚性桩复合地基固结特性，结合刚性桩和桩间土应力?应变特点对等应变假定进行修正。在此基础之上，考虑涂抹效应、桩间土和下卧层土体固结特性的影响，推导得到桩间土和下卧层土体固结微分方程。基于双层地基固结理论，考虑单级匀速施加荷载和附加应力沿深度变化等边界条件，推导得到其固结度解析解。最后，利用数值模拟方法对解析解进行验证，并对影响刚性桩复合地基固结特性的因素进行分析。结果表明：理论计算与数值模拟结果较为吻合；刚性桩复合地基固结速率受到贯入比影响较大，当贯入比较小时，与天然地基相比，其固结速率较小，贯入比较大且桩端阻力系数较小时，复合地基固结速率大于天然地基；随着贯入比、桩?土相对刚度和垫层?土体相对刚度的增大，复合地基整体固结速率加快；随着置换率的增大，复合地基整体固结速率降低。     

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。     

变荷载下基于指数渗流双层地基一维固结分析

在土中渗流服从指数形式的前提下,建立了变荷载作用下双层地基的一维固结控制微分方程。利用有限差分法求得孔隙水压力的数值解,并通过与解析解对比对其可靠性进行了验证。对双层地基在指数形式渗流时不同参数下的固结性状进行分析,结果表明：单面排水条件下,双层地基中上层土渗流指数的大小对固结速率起决定性作用,而下层土渗流指数大小对固结速率的影响很小;如果上、下两层土体的压缩性不同,则地基按变形定义的平均固结度和按孔压定义的平均固结度不再相等;地基中下层土与上层土的相对压缩性越低、相对渗透性越高,则地基的固结速率越快;增大压缩性小、渗透性高的土层相对厚度,会加快双层地基的固结速率。     

双向渗流下考虑应力时空效应的组合桩复合地基固结理论研究

碎石桩和不排水桩联合使用的组合型复合地基,既可以提高地基承载力,又可以加快土体固结,对处理饱和软黏土地基有很高的应用价值。基于双向渗流的轴对称固结计算模型,考虑中心及外围碎石桩的体积压缩、桩体施工的扰动效应,建立了组合碎石桩-不排水桩复合地基固结微分方程,采用解析法推导了附加应力随时间和深度变化下的组合桩复合地基固结解析解,包括碎石桩、桩间土的平均超静孔隙水压力解和复合地基整体平均固结度解。进行退化研究,并与已有解分析对比;验证了此解的正确性,且通过参数分析研究了复合地基的固结性状。结果表明：复合地基底部附加应力越小、碎石桩与不排水桩布置越密集,固结越快;碎石桩施工的扰动效应对复合地基影响大于不排水桩;忽略碎石桩体积压缩的影响会高估复合地基固结速率,且桩径比越小,误差越大;理论解预测的复合地基固结度与实测值拟合性较好。     

循环荷载下双曲线模型修正土体一维固结解

假定土体的应力-应变关系满足双曲线模型、渗透系数的降低与压缩系数的减小成正比以及初始有效应力沿深度均匀分布,推导出任意荷载下单层地基的非线性一维固结方程。结合具体的定解条件采用分离变量法求出土体有效应力的通解,并进一步求出超静孔隙水压力、按沉降定义的平均固结度Us以及按孔隙水压力定义的平均固结度Up的通解。根据通解求出梯形低频循环荷载作用下的解,并找出循环荷载作用下土体固结性状的影响因素。基于循环荷载作用下的解,采用FORTRAN语言编制了计算程序,计算并分析考虑土体本构关系非线性时的固结性状,以及反映土体本构特征的参数E和n对固结性状的影响。计算结果表明：①Us稍大于Up;②距排水平面越近,附加有效应力受加载方式的影响越明显,距排水平面越远则相反;③E和n对Us的影响很小,可以忽略不计;④E和n对Up和附加有效应力的影响较大且不容忽略。     

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。     

Gibson大变形固结理论的一种连续介质力学表述

为了克服Gibson大变形固结理论的一维局限性,提出了一个新的连续介质力学模型,其中,采用第2类Piola- Kirchhoff应力和Green应变分别替代Lagrange应力和孔隙比。该模型可以考虑土体压缩性和渗透性的非线性变化以及几何非线性,并具有易于推广到多维模型的优势。结合试验资料,探讨了新模型的固结系数和对流系数的变化规律,结果表明,对流系数随着应变增加而减小,反映了大变形固结过程中土体自重效应在不断减弱。     

A general theoretical solution for the consolidation of a composite foundation

A theoretical study is made of the consolidation of a composite foundation reinforced by columns. A more reasonable initial condition for the consolidation of a composite foundation is derived from the equilibrium equation and the equal strain assumption. Then, the general analytical solutions for excess pore water pressures in the column and in the surrounding soil are obtained using this new initial condition under the influence of several important factors. These factors include: the gradual variation of horizontal permeability in the disturbed soil, the change in the total average stress in a composite foundation with depth, and the effect of time-dependent external loads. The general expressions for the overall average degree of consolidation of a composite foundation, both in terms of stress and in terms of deformation, are then derived. On the basis of the above theory, the explicit solutions for a particular case, which considers ramp loading and a linear change of total stress with depth, are given in detailed forms. Finally, a parametric study and a comparison of some available solutions are made. The results show that the average degree of consolidation obtained in terms of stress and in terms of deformation is the same; the increase in construction time, the disturbance intensity during column construction and the size of the disturbed zone reduce the consolidation rate of a composite foundation. For the case of PTIB (pervious top surface and impervious bottom surface), the increase in the ratio of top total stress to bottom total stress in the composite foundation accelerates consolidation.     

变荷载下结构性土一维固结近似解

采用简化的k-σ′和mv-σ′分段模型,通过把结构性土一维固结问题转化为上、下层土体厚度不断变化的双层地基一维固结问题,得出了变荷载下结构性土一维固结近似解,并与数值解对比验证了解的合理性。分析结构破坏后渗透系数和体积压缩系数的变化分别对结构性土固结特性的影响表明,在固结系数减小程度相同的情况下,渗透系数减小程度增加则按孔压定义的固结度减小程度加大,而体积压缩系数不断增加则按变形定义的固结度减小程度加大;固结过程中按孔压定义的固结度大于按变形定义的固结度,且随着体积压缩系数增加程度加大,二者的差距加大。     

Analytical solutions for nonlinear consolidation of soft soil around a shield tunnel with idealized sealing linings

This paper presents the analytical solutions for nonlinear consolidation of soft soil around a shield tunnel with idealized sealing linings. By introducing the empirical relation between permeability and compressibility, along with the conformal transformation, the governing equations of nonlinear consolidation are established, and the corresponding analytical solutions are derived. Then, the Terzaghi consolidation solutions are derived from the degenerate governing equation of nonlinear consolidation. Through the predictions of different consolidation theories in both completely permeable and impermeable lining conditions, the influences of a tunnel acting as a drain and impacting the dissipation of pore pressure, degree of consolidation, long-term ground settlements and ground settlement rates are investigated. During the early stages of consolidation, the case studies reveal that the predictions made by this study strongly agree with the field data when a completely permeable lining is applied. This study confirms that a tunnel acting as a drain can accelerate the consolidation of soil and enlarge soil deformation due to consolidation. During long term consolidation, a notable nonlinearity of the soil consolidation is exhibited by a small and gradually decreasing settlement rate, showing agreement with the tendency of field data from the impermeable conditions.     

基于非达西渗流的软土一维非线性固结半解析解

在土中渗流遵循非达西渗流定律的前提下,考虑软土在固结过程中的非线性固结特性,根据饱和土体一维固结的连续条件,推导出基于非达西渗流的软土一维非线性固结控制方程。利用半解析方法对其进行求解,并与差分计算结果进行对比,验证半解析方法的可靠性。最后,着重分析非达西渗流与达西定律之间非线性固结性状的差别,以及不同自重应力分布方式对固结速率的影响。结果表明,考虑非达西渗流下的非线性固结速率比达西定律下要慢,且指数和临界水力坡降越大,非线性固结速率越慢。而且,作用的外荷载越小、地基土层越厚,非达西渗流下非线性固结速率的减慢愈明显。自重应力均匀分布下的非线性固结速率要比自重应力线性分布下慢,但随着荷载的增大、土层的变薄,两者之间的差别会越来越小。     

盾构施工引起地表固结沉降问题的研究

将隧道周围土体视为均质连续各向同性的饱和弹性介质,采用保角变换的方法将含有隧道的半无限平面映射为同心圆环计算域。根据Terzaghi-Rendulic二维固结理论,建立隧道在不透水的情况下周围土体超孔隙水压力分布的控制方程。然后,采用分离变量法计算得到土体超孔隙水压力分布的解析解,最后,根据弹性理论计算得出隧道中线上方地表固结沉降的计算公式。结合算例,分析盾构施工扰动程度、土体渗透系数、土体弹性模量及隧道埋深等因素对隧道中心上方地表处固结沉降的影响。研究结果表明,地表固结沉降的增加值与隧道外侧初始超孔隙水压力值C0的变化量成正比例关系,施工扰动程度越大所引起的固结沉降越大;土体的渗透系数越大固结沉降速度越快,但土体的渗透系数与最终的地表固结沉降量无关;土体的弹性模量越大,最终的地表固结沉降量越小;隧道埋深越深,地表固结沉降所需时间越长,最终的地表固结沉降量也越大。     

考虑加载过程及桩体固结变形的碎石桩复合地基固结解析解

为了完善碎石桩复合地基固结理论,通过假设从桩体排出的水量等于流入桩体的水量与桩体体积变化之和以及地基扰动区土体水平渗透系数呈线性变化,并考虑上部荷载逐渐施加,推导了考虑桩体体积变化的碎石桩复合地基超静孔压及固结度解析解。当加载时间趋于零时,本文解可退化为瞬时加载情况下的解;当加载时间及桩径同时趋于零时,本文解可进一步退化为Terzaghi一维固结解,这证明了本文解的正确性。通过与已有解的比较,对地基固结性状进行了分析。结果表明,加载过程对地基固结度影响显著,加载历时越长,固结越慢;在各种条件下,不考虑桩体固结变形时地基固结始终比考虑桩体变形时快,并且其影响随着加载历时变小、桩径比变小、桩土模量比变小、桩土渗透系数变小而逐渐增大,这说明在实际工程固结计算中不考虑桩体固结变形是偏于不安全的。