考虑起始坡降双层地基的大应变非线性固结

天然软土成层分布特性及土中渗流存在起始水力坡降的现象已被人们熟知。但变荷载下能同时考虑黏土中起始水力坡降、软土非线性压缩渗透特性及大应变特性的双层地基固结理论还鲜见报道。在拉格朗日坐标系中建立以超静孔压为变量的双层软土地基大应变非线性固结模型并给出其有限差分解。通过与考虑起始水力坡降的单层地基大应变非线性固结数值计算结果对比,验证了差分解的可靠性。着重分析了上、下土层起始坡降无量纲参数R1、R2对双层地基固结性状的影响,分析在大应变与小应变假定下双层地基超静孔压消散及固结沉降变形的异同。结果表明：上层土无量纲参数R1对双层地基固结性状的影响程度较下层土无量纲参数R2显著;大应变假定下双层地基渗流前锋的下移速度要快于小应变假定下的移动速度;大应变假定下考虑起始水力坡降的双层软土地基超静孔压消散速率要比小应变假定下快,且大应变假定下考虑起始水力坡降的双层地基最终沉降量要比小应变假定下大。     

竖井地基大应变非线性固结解析解

已有的研究表明,高压缩性软土的大应变及非线性固结特性对其固结具有显著影响。但目前能同时考虑两者影响的竖井地基大应变非线性固结解析解还鲜见报道。考虑高压缩性软土在固结中的大变形特性,应用双对数压缩渗透非线性模型描述软土在固结中的压缩渗透特性变化,基于Gibson大应变固结理论,建立竖井地基大应变非线性固结模型并获得模型的解析解。将所获得的解析解与竖井地基大应变非线性固结数值解及特定工况下小应变线性固结解析解进行对比,以验证所获解析解的可靠性。在此基础上,通过大量计算对不同工况下竖井地基非线性固结性状开展分析。结果表明：压缩指数I_c为定值时竖井地基固结速率随参数α减小而增大。α保持不变时竖井地基固结速率随I_c减小而增大。压缩渗透参数保持不变时,竖井地基固结速率随着外荷载的增大而加快,随着井径比增大而减慢。将所获解析解应用于深港西部通道口岸区填海地基处理的工程计算,表明理论计算的沉降曲线与实测曲线较为吻合,说明了所获解析解的工程可应用性。     

多级线性荷载下饱和软黏土一维大应变固结解析解

在软土地基工程中,荷载往往都是分级施加,随着固结地基强度增加到一定值后,再施加下一级荷载以确保地基稳定。基于谢康和饱和软黏土一维大应变固结解析解,采用数学归纳法推导了任意形式多级线性荷载作用下的解,并编制了相应的通用计算程序,可以方便进行计算分析。通过与线性小应变假定下解的计算对比表明,在实际工程中基于非线性大应变进行计算分析更为合理。     

Laplace变换解双层地基固结问题

连云港地区的软土是海相淤泥和淤泥质土.在连云港软土地区修筑高速公路时,通常采用水泥土搅拌桩地基处理方法使路基强度和变形满足工程的要求.该类软土压缩沉降量大,排水固结缓慢,地基稳定性差,造成高速公路建设中及建成后工程问题频繁出现.从江苏海相软土的工程实例出发,将经水泥土搅拌桩处理后的高速公路路基简化为双层地基,借助Laplace变换求解了二级加荷下的双层地基一维固结问题,为克服对固结方程进行Laplace逆变换的困难,在Laplace逆变换中运用Stehfest算法进行数值求解,该双层地基固结沉降计算结果与实际观测数据基本一致.     

饱和软土成层地基一维非线性固结解析解

假定土体在固结过程中压缩性和渗透性的变化成正比,基于 - 及 - 关系,推导出饱和软土成层地基一维非线性固结解析解,分别给出了按沉降定义和按有效应力定义的每层土平均固结度及整个土层总固结度的计算公式。采用Fortran语言编制了相应的计算程序,将计算得到的结果与已有双层地基一维非线性固结解析解计算结果进行比较,验证该解析解的正确性。利用该程序分析成层地基一维非线性固结性状,分别讨论了初始竖向渗透系数、初始体积压缩系数、荷载值及土层厚度对地基固结性状的影响。分析结果表明：在成层地基一维非线性固结过程中,初始竖向渗透系数对超静孔压的影响较为复杂,对上下层地基固结速率影响不同;初始体积压缩系数增大,超静孔压增大,固结速率变小;所加荷载值越大,超静孔压消散越慢,固结发展越慢;超静孔压消散速率不仅取决于土层厚度,同时取决于各层土渗透性的相对大小。     

考虑非达西渗流的双层软土地基大变形非线性固结分析

现有的双层软土地基大变形固结理论均假定土中渗流遵循达西定律,但软黏土中渗流在低水力坡降下会出现偏离达西定律的现象已逐渐为人们认识。综合考虑双层软黏土中的非达西渗流、软土的非线性压缩渗透特性及实际中的变荷载作用,在拉格朗日坐标系中建立以超静孔压为变量的软土大变形非线性固结模型,并给出其有限差分解。在此基础上,通过与已有的非达西定律下单层地基大变形固结数值解计算结果相对比,以验证其差分解的可靠性。最后着重分析上、下层非达西渗流参数m_1、i_(11)及m_2、i_(12)对固结性状的影响,并分析了在大、小变形不同几何假定下对双层地基超静孔压消散及固结沉降影响的异同。结果表明:上层土参数m_1、i_(11)对固结性状的影响要比下层土参数m_2、i_(12)显著;m_2、i_(12)的增大会引起上层土超静孔压消散速率的加快,但双层地基的固结速率会减慢;大变形假定下双层软土地基的固结速率要比小变形假定下快,但两种几何假定下双层地基的最终沉降量是相等的。     

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。     

指数形式渗流定律下软土非线性大变形固结分析

考虑土中指数形式渗流定律以及土体的非线性固结特性,以超静孔隙水压力为变量在拉格朗日坐标系内建立了软土一维大变形固结问题的控制方程及其求解条件,并运用有限差分法获取其数值解答。在指数形式渗流定律退化为达西定律下,通过将差分解与已有的半解析解进行对比,验证了数值计算的可靠性。最后对指数形式渗流定律下软土一维非线性大变形固结性状进行计算分析,结果表明： 1时,软土的非线性大变形固结速率会随外载增大而减慢; 1时,软土的非线性大变形固结速率会随着外荷载的增加而加快;软土非线性大变形固结速率要比非线性小变形固结速率快,且差别会随荷载增大而加剧;此外,大变形固结理论的最终沉降值要小于小变形固结理论,且差别会随着荷载的增大而加剧。     

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。     

双层软土非线性固结理论研究

对固结系数的非线性变化进行了理论分析,推导了固结系数的非线性控制方程,指出了γ因子对固结系数非线性变化的影响。考虑到固结系数、渗透系数、压缩系数整体变化以及双层软土一维非线性固结方程求解困难,建立了差分格式的双层软土一维非线性固结差分方程,利用差分法对该方程进行了求解,为工程中复杂方程的计算提供了一种新的方法。研究表明:固结系数并不是决定双层软土非线性固结性状的唯一指标,须综合考虑各种因素的影响。      

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。     

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。     

一种原状欠压密土的力学特性实验研究

原状土的结构性对它的力学性质影响显著。通过对原状土与重塑土多应力路径的实验结果比较,来揭示原状土体从小应变到大应变的特殊力学特性及应力路径的影响。从等压固结对比实验可看出,该原状样明显的结构性与欠压密性。对于原状欠压密土,体应变对土体结构性的破坏要大于剪应变。欠压密原状土的结构性对土体强度的影响主要表现在内摩擦角的增大。土体小应变时表现出明显的高刚度与非线性。通过不同方向切样的原状样实验结果对比,反映了原状土体存在明显的各向异性,结构性引起的各向异性在应变越小时越明显。     

考虑幂函数渗透压缩变化的双层砂井地基固结性状

采用Barron轴对称固结及大变形固结问题的某些简化与假定,推导建立了砂井地基大变形固结控制方程,利用建立的双层砂井地基大变形固结方程及编制的计算程序,通过引入软土渗透系数、有效应力与孔隙比之间的幂函数关系k =ced与e=a( )b,对瞬时加载下双层砂井地基固结性状进行算例计算。结果表明：（1）双层软土幂函数渗透关系及压缩关系中诸参数对双层砂井地基固结性状有重要影响：随着两层软土幂函数渗透关系中参数c1、c2的增加（渗透性增加）、或幂函数压缩关系中参数a1、a2的增加,各土层水平径向与竖向孔隙比减小更快,沉降发展速率与超静孔压消散速率也相应增加,且沉降发展速率快于孔压消散速率。（2）两层土在分界面处的孔隙比及平均超静孔压均出现明显的突变,将沿深度分布曲线分成形状不同的两段,表现出不同的固结性状。     

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。     

Model for large strain consolidation with non-Darcian flow described by a flow exponent and threshold gradient

Many pieces of evidence have confirmed that the seepage in fine-grained soils can deviate from traditional Darcy's law that contributes to the consolidation theory. In this paper, a numerical model, referred to as consolidation with non-Darcian flow 2 (CNDF2), is developed for the 1D large strain consolidation of a saturated porous medium with the non-Darcian flow. The algorithm accounts for vertical strain, general constitutive relationships, the relative velocity of the fluid and solid phases, variable compressibility and permeability relation during consolidation, time-dependent loading, and unload/reload effects. Compared with the CS2 model proposed in previous studies, some parts of the CNDF2 model are modified in order to adapt to the non-Darcian flow, especially the equivalent series hydraulic conductivity and fluid flow. The verification examples of the CNDF2 model demonstrate excellent accuracy for both small strain and large strain consolidation. According to the applicable conditions of non-Darcian flow law, the CNDF2 model is most suitable for the fine-grained soil. The development of CNDF2 is first presented, followed by examples to analyze the influences of the non-Darcian flow on the consolidation behavior.     

双层竖井地基半透水边界固结分析

在现有双层竖井地基固结理论基础上,对双面半透水边界下的固结问题进行了研究,给出了相应的固结解答。将该解答编制成应用程序,对一算例进行了参数分析,以了解双层竖井地基半透水边界的固结特性。算例分析表明,半透水边界对竖井地基的固结影响较大：半透水参数(Rt,Rb)越大,则整个系统的孔压消散越快;半透水参数对与其相邻的土层的固结影响要比远离其边界的土层的固结影响大得多;按变形定义和按孔压定义的平均固结度两者的差别受半透水边界参数的影响。