涂抹区重叠竖井地基固结特性研究

在软基处理工程中,经常出现竖井打设变密而地基固结效率降低的现象。鉴于此,建立了重叠涂抹区内土体水平向渗透系数的分布函数,给出了涂抹区重叠时竖井地基超静孔压和平均固结度的解析解。通过分析不同工况下竖井地基固结度随竖井间距的变化情况,探究了竖井间距减小而地基固结效率不增反减的成因。最后,探讨了涂抹作用和井阻作用对竖井最小临界间距的影响。结果表明：相邻竖井涂抹区重叠是竖井地基中出现竖井最小临界间距的根本原因。涂抹作用越大,则竖井最小临界间距越大;具体表现为当地基扰动程度增大时或涂抹区半径增大时,竖井最小临界间距随之增大。井阻作用越大,则竖井最小临界间距越小;具体表现为当竖井渗透系数减小时、竖井长度增大时或竖井半径减小时,竖井最小临界间距随之减小。     

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。     

考虑径向渗透系数变化的真空预压竖井地基固结解析解

针对真空预压条件下竖井地基固结问题,考虑竖井地基扰动区土体径向渗透系数变化的3种模式(扰动区渗透系数为常数、线性变化、抛物线变化)和竖井井阻随时间变化等因素影响;建立数学计算模型,采用解析解法,推导了考虑径向渗透系数因施工扰动而变化的真空预压竖井地基固结问题的解析解。基于此解,编制了计算程序,绘制出了考虑扰动区土体径向渗透系数变化和竖井井阻随时间变化影响的真空预压竖井地基固结曲线图。研究表明:井阻变化率对固结速率有较大影响;在土体扰动区径向渗透系数变化的3种模式中,渗透系数为抛物线变化时固结速率最快,渗透系数为线性时次之,渗透系数为常数时固结速率最慢。     

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。     

考虑温度效应的单井固结解析解

在现有竖井固结理论的基础上,考虑涂抹效应对地基固结的影响,研究了温度对渗透系数的影响并给出了渗透系数与温度的关系式,得到温度效应影响下竖井地基单面排水的固结解析解,并针对宁波软黏土选取参数进行算例分析。结果表明:温度对竖井地基固结性状有显著影响,同一时刻,温度越高地基的固结度越大;相同温差条件下,温度作用对土体固结的影响会随着温度的升高而逐渐减弱;在温度相同的条件下,井径比越小,土体固结越快;在温度条件相同的情况下,涂抹效应会导致土体固结速度减小。     

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。     

考虑复杂荷载及井阻非线性时竖井地基固结解析解研究

根据浙江沿海地区滩涂围垦中的淤泥基础海堤工程设计经验,认为软土工程中竖井地基固结计算需考虑井阻随时间的影响,基于竖井渗透系数随时间指数衰减关系假定,利用竖井地基径向固结理论和等应变假设,并考虑多级线性加载及循环荷载等复杂荷载作用,重新推导了考虑井阻非线性影响下竖井地基固结解析解,通过与TANG X W等(2000)、Zhu G等（2004）恒定井阻地基固结理论的对比,验证了本文理论的正确性。根据本文理论,通过对比分析,认为线性加载时间越长,竖井地基前期固结速率越慢,与骤加恒载工况差异越显著。在循环荷载作用下,地基固结速率一般介于荷载最大值和荷载最小值的恒载情况之间;且固结度随外荷载的波动而相应地滞后性震荡,竖井渗透系数衰减越快,其震荡越明显,最终趋向于稳定震荡。     

竖井地基热排水固结理论初探

为了加速软土地基固结排水过程,在传统竖井排水固结法的竖井中增设U型导热管,对U型导热管内的水进行预加热,并使其在管内循环,实现管-土之间热传递,以改善土的渗透性状。针对这一新的软基处理技术,本文首先通过研究渗流固结过程中的温度影响因子,建立了渗透系数与温度之间的关系。其次,基于理想竖井地基固结理论,建立基于温度修正的理想竖井地基固结度解析解。最后,分析了温度因素对理想竖井地基固结度及固结时间的影响规律。结果表明:同一时间因素下,温度越高,理想竖井地基的固结度越高,且温差越大,固结度差值越大;温度较高时到达某一固结度所需时间比温度较低时到达同一固结度所需时间少。在固结度较小时,温度因素对固结时间的影响并不显著;而固结度较大时,则固结时间差别较为显著。     

变荷载下考虑井阻随时空变化的竖井地基固结解

竖井排水固结法中井阻随时空演变（即由淤堵和弯折所引起的竖井排水能力下降）的现象已引起广泛关注,且变井阻对竖井地基固结速率的影响不容忽略。但目前能同时考虑变荷载及井阻随时间和空间变化的固结解析解还鲜有报道。考虑井阻随时空演变过程,引入实际中广泛采用的单级或多级加载模式,建立了竖井地基固结模型,并应用分离变量法获得固结模型的解析解答。通过与已有的解析解、有限差分解及工程实测值进行对比分析,充分验证了该模型的正确性。通过大量的计算,分析变井阻参数对竖井地基固结性状的影响。结果表明：竖井地基固结速率随竖井最终排水能力的增大而加快,随深度井阻参数及时间井阻参数的增大而减缓,且时间井阻参数的影响更为显著。     

考虑井阻效应及径向渗透系数变化下砂井地基的大变形固结

基于Barron砂井地基等应变固结理论及Gibson一维大变形固结理论,同时考虑了砂井的井阻效应、径向渗透系数的变化及竖向渗流等因素,推导建立了更具普遍性的砂井地基大变形固结方程,并采用有限差分法对该方程进行了求解。通过将所求的差分解答与已有的固结模型及小变形解析解进行比较,对差分解答的正确性进行了验证。基于差分解答,对砂井地基的大变形固结性状展开分析。分析表明:砂井的井阻效应会降低砂井地基的固结速率,但当砂井的渗透系数增大到一定程度时,砂井的井阻效应可忽略;径向渗透系数的变化模式会对砂井地基的固结速率产生较大影响,相比于线性变化模式,抛物线变化模式下的固结速率较快;竖向渗流加快了砂井地基的固结速率,当井径比较小时,应考虑竖向渗流对砂井地基固结速率的影响;压缩指数与渗透指数的比值越大,砂井地基的固结速率越慢。     

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。     

考虑变井阻和涂抹效应的真空预压三维有限元分析

真空预压工程中塑料排水板等竖井通水量随地基深度和固结时间而变化,即变井阻效应已经证明是实际存在的。另一方面,在真空预压工程三维有限元分析中,由于竖井和涂抹区在有限元模型中的划分使得三维有限元模拟较为困难。为真实模拟真空预压工程实际情况,在有限元分析中引入变井阻数学模型,并给出变井阻无量纲参数A_1、α_2。另外,为降低三维有限元建模难度,选用合适的网格单元简化竖井区,并用等效方法简化涂抹区,实现了考虑涂抹、变井阻效应的三维有限元分析。以天津港某围海造陆工程为例,建立三维有限元模型进行分析计算,对比分析计算值与实测数据,验证了程序的合理性,为以后软基加固工程三维有限元模拟提供了一种有效方法。     

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。     

双层散体材料桩复合地基固结理论

研究了考虑涂抹效应和应力集中效应的双层散体材料桩复合地基固结解析解及其工程应用,分不同情况讨论了特征根的可能变化规律,也讨论了解析解转化为双层竖井地基以及双层天然地基的普遍适用性。研究发现,固结速率随井径比的减小、水平向渗透系数比的增大和桩体刚度的增大而增加;底面排水条件对双层散体材料桩复合地基的固结影响,在井径比不是很大的情况下影响不大;是否考虑应力集中效应对计算结果影响较大。     

砂井地基平面问题转换及其应用

考虑砂井地基的井阻和涂抹区效应,建立了轴对称砂井和平面砂墙之间 渗透系数以及几何尺寸的关系式,使砂井地基等效成平面砂墙处理。采用修正剑桥模型的二维平面应变Biot(比奥特）固结有限元对一高速公路塑料排水板路基的沉降预测,显示结果与实测沉降结果比较接近。     

变荷载下长排水体-短不排水桩复合地基固结解析解

基于向内径向渗流的轴对称固结模型,给出了变荷载下长排水体-短不排水桩组合型复合地基的固结方程,在单面排水条件下推导出组合型复合地基的固结解析解,包括排水体和排水体周边土体中的超静孔隙水压力解答和组合型复合地基整体平均固结度解答。将组合型复合地基固结度解析解与三维有限元数值解进行了比较,证明了解析解的合理性。利用固结度解析解对影响组合型复合地基固结速率的主要因素进行了分析,研究了组合型复合地基的固结特性。结果表明：组合型复合地基的固结速率随着短不排水桩贯入比的增加而逐渐增大,随排水体的井阻和其周边涂抹区厚度的增加而减小。短不排水桩刚度和置换率的变化对组合型复合地基固结速率的影响较小。     

基于非等温管道流竖井地基热排水固结模拟

针对新技术热排水固结法,采用非等温管道流模拟竖井中U型导热管的传热过程,考虑温度对竖井扰动区和未扰动区渗透性的影响,在COMSOL Multiphysics有限元软件中进行二次开发,建立了竖井地基热排水固结法的有限元模型。以热排水固结软基处理原型试验为例,重点分析了模型耦合、部分耦合和不耦合情况下软土地基的固结度。结果表明,相对于传统排水固结法的不耦合模型,部分耦合模型下因温度产生的孔压增量延缓了地基固结的发展,固结速率有所减慢;耦合模型下温度虽也产生一定的孔压增量,但温度有效地改善了竖井涂抹区土的渗透特性,地基的固结速率加快,固结周期缩短,与试验结果一致。     

砂井地基平面问题转换及其应用

考虑砂井地基的井阻和涂抹区效应，建立了轴对称砂井和平面砂墙之间渗透系数以及几何尺寸的关系式，使砂井地基等效成平面砂墙处理。采用修正剑桥模型的二维平面应变Biot(比奥特)固结有限元对一高速公路塑料排水板路基的沉降预测，显示结果与实测沉降结果比较接近。     

考虑影响区真实形状的竖向排水井地基固结解

针对现有竖向排水井地基固结解析理论对影响区一律采用圆形等效假定的缺陷,研究了影响区真实形状为正六边形的按梅花形布置的竖向排水井地基的固结问题。通过建立新固结方程和引入新的边界条件,并考虑土体水平渗透系数变化,得到了相应的解析解。对于土体水平渗透系数的3种变化模式,分别给出了各种模式下的特殊解。在此基础上,分析了3种模式下3个主要的无量纲参数对地基固结性状的影响,并比较了计算结果和现有理论结果。分析结果表明,影响区和涂抹扰动区范围越大,固结越慢;土体的最大与最小水平渗透系数之比越小,固结越快;在相同条件下,考虑扰动区渗透系数线性变化的模式2固结最快,而假定扰动区渗透系数不变的模式1的解与现有理论解相当接近,验证了现有竖向排水井地基固结解析理论中对影响区采用圆形等效假定的合理性