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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

塑料排水板处理地基非线性固结计算研究

针对目前国内外竖井地基非线性固结计算大多均采用近似等效法求解的不足,根据软土固结理论及数学理论推导,基于塑料排水板椭圆柱假定,推导了考虑地基土水平渗透系数、压缩模量随固结过程非线性变化影响下的排水板处理地基非线性固结控制方程,并利用数学中非线性微分方程理论,给出了非线性固结解析解。通过与Indraratna等非线性固结近似解对比分析,认为理想井下预压荷载越大（Nu越大）,则Indraratna等近似法成果误差越大;且在Cc/Ck = 1.8、Nu = 5时Indraratna等近似解与该理想井非线性固结精确解析解误差高达16%,而解析解与精确数值解基本一致。最后通过Indraratna等典型工程案例验证分析,认为所得理论更符合工程实际,具有较好的工程应用价值。     

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。     

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。     

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。本文引入经典的e-lgσ'和e-lgk_(v)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C_(c)_(i)/C_(k)_(i)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C_(c)/C_(k)→1条件下可退化为已有的C_(c)/C_(k)=1时双层地基一维非线性固结解。最后,基于本文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,C_(c)/C_(k)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C_(c)/C_(k)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。     

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。     

伊通软土的次固结特性

为了合理计算软土地基的沉降量,对软土的次固结特性及影响因素进行研究。采用分级加荷的方法,对伊通软土进行了压缩固结试验。结果表明：伊通软土的应变速率和时间双对数曲线具有相关性;随着固结压力的增大,次固结系数C_a先迅速增大至最小值的3倍,达到峰值后逐步减小至峰值的15%,达到稳定;次固结系数C_a与压缩指数C_c具有一定的线性相关性,C_a/C_c值在0.030~0.043之间;次固结系数C_a随时间的增加呈对数下降趋势,随着时间的增长,C_a下降,最终其最小值达到最大值的72.3%。本文的研究结果可以对伊通地区软土地基的变形与沉降预测提供一定的参考。     

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.     

双面排水非线性固结超静孔压的非对称性解析

为了分析一般意义的非线性固结过程中超静孔压的发展规律,基于欧拉描述的基本方程和构形转换关系,提出了非线性固结过程中超静孔压与孔隙比之间的严格函数表达式。在Morris提出的线性有限应变一维固结解析解答基础上,得到双面排水情况下正常固结和自重固结土体的超静孔压解析解。分析和讨论了超静孔压的非对称分布特征及其影响因素。结果表明,无量纲参数N在超静孔压分布形态上起决定作用。在N不接近于0的情况下,按经典Terzaghi固结理论的超静孔压对称性分布假设将不再适用于非线性固结问题。     

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。     

碎石桩复合地基大变形非线性固结模型

基于分段线性差分法,建立了一种碎石桩复合地基大变形非线性固结模型SC1。该模型可以进行等应力和等应变条件下桩土复合地基固结分析,同时能够考虑涂抹区、井阻、桩土自重、变荷载,以及固结过程中桩土参数的非线性变化和大变形问题,并编制了 Fortran 计算程序。分别采用基于等应变假设的桩土复合地基解析解和室内试验数据验证了模型的正确性,小变形条件下,该模型数值解与有无井阻及涂抹区的桩土复合地基解析解均能较好吻合;大变形非线性条件下,模型计算结果与室内试验数据基本一致。采用该模型预测实际工程,随固结时间延长,模型等应力与等应变的沉降量计算值相差逐渐增大,现场实测值介于等应力和等应变条件下模型计算结果之间。