渗流作用对基坑坑底回弹变形的影响

在地下水位较高的地区开挖基坑时渗流作用是普遍存在的。假定坑内外地下水渗流为一维稳定的条件,推导了坑内外被动区和主动区的水头计算公式,并结合算例分析了渗流对坑底被动区的有效应力和坑底回弹变形的影响。研究表明,渗流作用使得坑底的有效应力减小,进而引起坑底土层回弹量增大。     

均质非饱和土一维稳态流水头垂直分布的解析解

渗流场水头分布计算是进行渗流量和渗流水力坡降计算的基础,准确、有效地求取渗流场水头分布是渗流计算的关键环节。对均质非饱和土体一维稳态流的流动方程进行分析,考虑到渗透系数是与基质吸力相关的函数,通过数学变换,给出了稳定渗流场的解析通式,并基于渗透性函数中的Gardner模型,给出了非饱和土一维稳态流水头垂直分布的解析解。该解析通式表明,均质非饱和土一维稳态流水头垂直分布主要受地表水头、深度和流动率3个因素控制。分别计算了一维稳态蒸发条件下粉土和黏土两种典型土类水头沿垂直方向的分布。计算结果表明：稳态蒸发条件下粉土层和黏土层内的水头分布表现出相似的变化规律,即自地表至地下水位处随着土层深度的增加,水头分布呈现出加速递减的趋势;在相同的蒸发条件下,对于相同深度处的黏土和粉土而言,黏土层内水头更高些;对同一种土类而言,在较大的蒸发状态下同一深度处土层内水头更高。反之,则较低。     

考虑渗流的多层土盾构隧道开挖面稳定性分析

将传统模式的均匀土层稳定性分析的楔形体模型扩展到渗流作用下多层土盾构隧道开挖面的稳定性分析中,楔形体是由梯形组成的,每一个梯形对应一层土层,利用太沙基有效松动土压力理论和上限定理,推导了渗流作用下盾构穿越多层土的隧道开挖面极限支护压力的计算公式。极限支护压力等于作用于开挖面有效支护压力和渗透力的总和,其中有效支护压力用极限平衡来计算,渗流力采用水头分布的数值方法计算获得的。计算结果发现,渗透力构成了总支护压力的主要部分,分析结果和工程实测数据是一致的。     

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。     

基于非牛顿指数描述的非达西渗流一维固结分析

基于非牛顿指数描述的非达西渗流定律,同时考虑地基内部竖向附加应力随深度线性变化以及变荷载的影响,建立了一维固结控制方程并应用有限差分法进行数值求解,同时对不同参数单级加荷下的固结性状进行分析。结果表明：基于非达西渗流比达西渗流下固结速率要慢,且渗流模型中非牛顿指数越大,土层的固结速率越慢;土层厚度越厚,固结速率越慢,因此,传统固结理论中室内土样与地基土层之间的相似关系不再成立;作用于土层的平均附加应力越大,土层的固结速率越快;在单面排水情况下,附加应力分布对土层固结速率有较大影响;相反,双面排水条件下土层固结速率与附加应力的分布是无关的;荷载的加荷速率越快,则土层的固结速率越快。最后,讨论了达西渗流计算固结变形的适用范围。     

变荷载下基于指数形式渗流的一维固结分析

建立了考虑指数形式渗流以及变荷载条件下的一维固结微分方程,采用相对稳定的Crank-Nicolson差分格式获得控制方程的差分解答并验证了计算程序的可靠性。结果表明,当指数大于1时,较小时间因子下固结速率比达西渗流快,较大时间因子下固结速率比达西渗流慢;而当指数小于1时,较小时间因子下固结速率比达西渗流慢,较大的时间因子下固结速率比达西渗流快。在土层厚度相同的情况下,指数大于1时作用于土层的荷载越小,固结速率越慢;基于指数形式渗流,传统一维固结理论中室内土样固结与实际地基土层固结之间的相似关系不再成立;加荷速率越快,则土层的固结速率越快。     

渗流作用下软基心墙坝稳定性分析

基于心墙坝的渗流特性建立了渗流分析模型和坝坡渗透稳定分析模型,并进一步考虑坝下软土地基的压缩特性提出了与当前应力状态有关的软土层渗流分析模型,将所建模型应用于某水利枢纽主土坝典型软基断面不同运行工况的计算,详细分析了心墙的防渗作用和软土层变形对渗透稳定的不良影响。     

深基坑整体稳定性分析中的孔隙水压力问题

在深基坑开挖整体稳定性分析中,把孔隙水压力的计算分解成静水压力,动力压力和超静水压力三个部分,对于静水压力,指出了目前工程中简化计算方法所存在的问题,建议按渗流流网的水头梯度进行计算。对于基坑开挖卸载所引起的超静水压力,应根据坑内外土体的应力路径做三轴不排水剪试验确定。此外,对于基坑开挖采用总应力法分析时,应按卸载总应力强度指标计算。     

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。     

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。     

考虑渗流力时对太沙基一维固结理论的修正

考虑渗流力的作用，对太沙基一维固结理论进行了修正，给出了向上及向下渗流时固结度的表达式，并分析了固结过程中渗流应力的变化规律。结果表明：渗流力对固结度的影响较大，特别是在时间因素Tv=0.1附近，是否考虑渗流力的影响将导致固结度的差值达30 %，因而渗流力对固结度的影响是不可忽略的。     

渗流对土体抗剪强度的影响

土体的抗剪强度是土体的主要强度指标之一。当土体中存在渗流时，由于水流的力学、物理、化学等作用，会使土体的抗剪强度发生变化(主要趋势是使抗剪强度降低)。定量分析了各种情况下渗流作用对土体抗剪强度指标φ,c、有效应力及切向力的影响，得到了渗流作用下土体抗剪强度的定量表达式，并给出了应用算例以说明渗流对土体抗剪强度的明显影响。     

A new closed‐form solution for analysis of unlined pressure tunnels under seepage forces

In this study, a simplified analytical closed‐form solution, considering plane strain and axial symmetry conditions, for analysis of a circular pressure tunnel excavated underwater table, is developed. The method accounts for the seepage forces with the steady‐state flow and is based on the generalized effective stress law. To examine the effect of pore pressure variations and also the boundary conditions at the ground surface, the formulations are derived for different directions around the tunnel. The proposed method can be applied for analysis and design of pressure tunnels. Illustrative examples are given to demonstrate the performance of the proposed solution and also to examine the effect of seepage forces on the stability of tunnels. The simplified analytical solution derived in this study is compared with numerical analyses. It is concluded that the classic solutions (Lame's thick‐walled solution), considering the internal pressure as a mechanical load applied to the tunnel surface, are not applicable to pervious media and can result in an unsafe design. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

Complex variable analysis for stress distribution of an underwater tunnel in an elastic half plane

When an underwater tunnel is excavated, the groundwater may flow into the tunnel. The seepage forces consequently induced can have important effects on the effective stresses around the tunnel. Moreover, the influences of the free surface of a shallow underwater tunnel should also be considered. In this research, an analytical solution is presented to calculate the seepage‐induced effective stresses around a shallow underwater tunnel in an elastic half plane. The solution uses the complex variable method and consists of conformally mapping the half plane with a hole onto a transformed circular ring. The coefficients of the various terms in the Laurent series expansions of the stress functions in the transformed region can be obtained from the boundary conditions. The total stress distribution around a shallow underwater tunnel can be calculated by the potentials in the half plane. The effective stress can be obtained by subtracting the pore pressure from the total stress. The analytical solution is validated by numerical simulations and can be used to perform both the short‐term and long‐term analyses. By using the proposed solution, it is found that the circumferential effective stresses around the tunnel increase greatly because of seepage, and they increase with the increase of water depth in both the undrained and drained conditions. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

渗流应力耦合作用下顺倾向层状边坡各向异性渗流特征数值模拟

渗流场与应力场耦合作用下边坡渗流规律对研究边坡稳定性至关重要,应用基于等效连续介质模型和Louis经验公式建立的各向异性岩体渗流应力耦合模型,对顺倾向层状边坡的各向异性渗流规律进行了模拟分析。研究表明：顺倾向层状边坡中水位降深随结构面倾角θ的增大先升高、后降低,呈现两头低、中间高的形态,且越靠近溢出点,结构面倾角对水位降深影响越大;θ约为42°时水位降深最大,潜水面最低,同时渗透各向异性系数达到最大值;顺倾向边坡岩层产状一定时,随着埋深的增加,岩体渗透各向异性系数逐渐减小,裂隙控渗特征由显著到逐渐变弱,表现出向各向同性渗流过渡的趋势。     

层状地壳的等效力学模量和分层应力

针对地球动力学研究中的板壳力学模型的分层问题,根据等效原则, 给出了用各分层弹性参数和厚度表示的中性面位置、折合抗弯刚度和等效弹性参数。结合实际地壳受横向和侧向力作用时产生的弯曲形变和应力,具体介绍了用这种折算模量的方法去求解地壳中的应力、应变状态, 并通过比较等效应力与各分层应力的差异, 阐明了岩石力学性质的不同对各圈层应力的影响作用。研究进一步表明,来自地壳深部的垂直向上的力是造成上部地壳伸展类构造的重要因素之一。     

Analytical solution to 1D coupled water infiltration and deformation in two‐layer unsaturated soils

An analytical solution to 1D coupled water infiltration and deformation in layered soils is derived using a Laplace transformation. Coupling between seepage and deformation, and initial conditions defined by arbitrary continuous pore‐water pressure distributions are considered. The analytical solutions describe the transient pore‐water pressure distributions during 1D, vertical infiltration toward the water table through two‐layer unsaturated soils. The nonlinear coupled formulations are first linearized and transformed into a form that is solvable using a Laplace transformation. The solutions provide a reliable means of comparing the accuracy of various numerical methods. Parameters considered in the coupled analysis include the saturated permeability (k_s), desaturation coefficient (α), and saturated volumetric water content (θ_s) of each soil layer, and antecedent and subsequent rainfall infiltration rates. The analytical solution demonstrates that the coupling of seepage and deformation plays an important role in water infiltration in layered unsaturated soils. A smaller value of α or a smaller absolute value of the elastic modulus of the soil with respect to a change in soil suction (H) for layered unsaturated soils means more marked coupling effect. A smaller absolute value of H of the upper layer soil also tends to cause more marked coupling effect. A large difference between the saturated coefficients of permeability for the top and bottom soil layers leads to reduced rainfall infiltration into the deep soil layer. The initial conditions also play a significant role in the pore‐water pressure redistribution and coupling effect. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

动态预测油藏有效应力的三维弹塑性有限元模型

本文根据油藏应力与渗流相互作用的耦合机理,建立了一个用于油藏有效应力动态预测的三维弹塑性模型。该模型强调了油藏在注采交变载荷作用下应力与渗流的力学耦合效应,以及油藏岩石弹塑性变形的力学特性,并采用弹塑性增量有限元法求解,最后给出了算例.      

起始水力梯度对饱和黏土一维固结的影响

采用考虑起始水力梯度的非Darcy渗流方程,修正了Terzaghi饱和黏土一维固结理论,给出了相应的有限差分格式,并据此探讨了起始水力梯度对渗流前锋、孔隙水压力和土层固结度的影响。计算结果表明,如果起始水力梯度大于0,离排水面较远土层的渗流就存在滞后现象,这样土层的固结要慢于Terzaghi固结理论。此时土层的最终平均固结度小于1,这可归结为土层中存在一定的残余孔隙水压力无法完全消散的缘故。