考虑非达西渗流和应力历史的土体非线性固结研究

黏土在低水力坡降下偏离达西定律的现象及应力历史对土体变形的影响已为人们所认识,但能够同时考虑非达西渗流及应力历史影响的土体固结理论还很鲜见。在传统太沙基一维固结理论基础上,引入经典的Hansbo渗流模型,并考虑土体在不同应力状态下的变形特性,建立实际变荷载作用下土体的非线性固结模型。利用有限差分法对模型进行数值求解。在保证数值解可靠性的基础上,着重分析非达西渗流对超固结土固结性状的影响及非达西渗流下应力状态对固结性状的影响,并分析比较其异同点。结果表明:非达西渗流下超固结土的固结速率要比达西定律下慢,且随非达西渗流模型参数m、i_1值的增大,固结速率的减慢愈加明显;对考虑非达西渗流的不同应力状态土体而言,超固结土的固结速率最快,且超固结土在外荷载作用下产生的地基最终沉降值最小;对考虑非达西渗流的超固结土而言,前期固结压力越大、回弹再压缩指数越小,则土的固结速率越快,地基土的最终沉降值越小。     

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。     

区域性温度因素对饱和粘土固结的影响

不同地区地基饱和粘土的固结过程受到当地区域性温度的影响而不同。通过探究区域性温度因素在饱和粘土固结过程中的主要影响因子,基于太沙基一维渗流固结理论,得出了区域性温度因素对饱和粘土的固结度及固结时间的影响规律。结果显示:对固结度的影响,同一时间因数时,温度较高的地区比温度较低的地区土层平均固结度大,且时间因数在(0.3,0.5)范围内达到最大固结度差值;对固结时间的影响,较高温度地区的土层固结速度比较低温度地区大。土层平均固结度较小时,不同地区的固结时间相差不大,平均固结度较大时,则固结时间差别较为显著。研究成果对工程实践具有指导意义。     

考虑非Darcy渗流时循环荷载下饱和黏土一维固结分析

考虑到土体处于超固结状态下的压缩性一般要比正常固结状态下的低,引入描述非Darcy渗流的Hansbo方程,修正了Terzaghi饱和黏土一维固结方程,并将其推广到低频循环荷载作用的情况。采用有限体积法对该方程进行了求解,并讨论了非Darcy渗流参数、循环荷载周期以及超固结状态下土体压缩性对固结进程的影响。计算结果表明,在矩形波载作用下,按孔压定义和按变形定义的固结度都随时间增长而震荡增加,且按孔压定义的固结度的震荡幅度明显大于按变形定义的固结度。另外,非Darcy渗流减缓了地基的沉降速率,且循环荷载周期越短,或超固结状态下压缩性越高,地基的沉降速率就越慢。     

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。     

复杂荷载作用下考虑下卧层三维渗流的未打穿竖井地基固结分析

针对任意复杂变荷载作用下未打穿的竖井地基,通过在竖井底面以下土层中设置虚拟竖井,使其能够合理考虑下卧层土体三维渗流问题,运用Laplace变换,求得频域内竖井地基的固结解。通过Laplace逆变换,得到了任意荷载作用下竖井地基的平均固结度、孔压消散曲线、沉降曲线。结合具体算例,对影响竖井地基固结的主要影响因素进行了详细分析,并将现有未打穿竖井地基平均固结度近似计算方法的精度和适用的范围进行了对比,得到了一些有益于工程实践的结论。     

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。     

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。     

三向渗流条件下的固结系数及其测定

本文推导了三维渗流条件下单向变形及三向变形时的固结系数表达式，推荐了相应固结系数的合理测定方法，对比了单向及三向变形时的固结系数。     

循环荷载作用下考虑非达西渗流的软黏土一维流变固结分析

基于Hansob渗流理论和Merchant流变模型,将微分型流变方程耦合到一维固结理论中,建立了循环荷载作用下双变量表述的软黏土一维流变固结耦合方程组。采用FlexPDE软件对方程组进行了求解,通过与已有文献结果对比,验证了算法的可靠性,在该基础上研究了循环荷载作用下饱和软黏土的一维流变固结特性,分析了Hansob渗流参数、Merchant流变模型参数以及循环荷载类型对饱和软黏土固结特性的影响。研究结果表明,按超孔压定义的平均固结度 和按变形定义的平均固结度 均呈现循环变化特征,且 > ;当循环周次较大时, 进行稳定循环状态,由于流变效应, 峰值仍呈逐渐增大趋势;随着Hansob渗流参数 和 的逐渐增大,地基固结速率逐渐降低,同一循环周次内 、 的峰值也随之降低;随着流变参数F的逐渐增大,同一循环周次内 的峰值逐渐降低, 的峰值显著提高;随着 的逐渐增大,同一循环周次内 、 的峰值逐渐降低。循环荷载作用下地基的平均固结度始终处于循环状态,无法达到固结完成状态,其最大平均固结度也远小于线性荷载的情况。     

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。     

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。     

变荷载下考虑三维渗流的未打穿砂井地基固结分析

为探讨未打穿砂井地基的固结特性,基于三维固结理论和叠加原理,考虑变荷载条件,将砂井打设区和下卧层土体的固结均视为三维问题,分别导出了单级线性加载条件下砂井打设区和下卧层土体的固结度解析解,由此给出了地基整体的平均固结度计算式,并引入fzero函数基于Matlab编制了相应的计算程序。算例对比分析结果表明,受加载历时影响,砂井打设区和下卧层土体的固结度都较瞬时加载有所减小,且减幅随加载历时延长而增大。同时,将下卧层土体的固结视为三维要比一维更能合理考虑径向渗流,使得地基固结度计算值与模型试验推算值吻合较好     

考虑Hansbo渗流的饱和黏土一维弹黏塑性固结分析

为进一步深入探讨饱和黏土的固结机制,引入考虑时间效应的统一硬化(UH)本构模型描述饱和黏土变形的弹黏塑性,以及Hansbo渗流方程描述固结过程中的非Darcy渗流,修正了饱和黏土一维固结方程,并利用有限差分法进行了求解。通过与文献中一维流变固结试验结果和理论计算结果的对比,验证了所提计算方法和UH模型的适用性。然后探讨了Hansbo渗流参数及UH模型参数对流变固结过程的影响。计算结果表明:土体的黏滞效应是引起流变固结初期地基不排水面附近出现孔压升高现象的主要原因,而渗流的非Darcy特性增强了这一效应,同时土体的这两个特性还延缓了固结中后期饱和黏土地基中孔压的整体消散和地基的沉降。另外,随着回弹指数和超固结参数的增大,或渗透指数的减小,上述流变固结特性更加明显。但是Hansbo渗流参数和渗透指数对地基最终沉降量均无影响。     

考虑Hansbo渗流的二维Biot固结有限元分析

为进一步深入研究弹性饱和黏性土地基的二维固结机制,引入Hansbo渗流方程描述固结过程中的非达西渗流,修正Biot二维固结方程。基于加权残数法,给出相应的有限元数值求解格式。通过和饱和黏性土一维非达西渗流固结理论有限体积法数值结果的对比,证明数值计算方法的有效性。在此基础上,探讨Hansbo渗流参数对二维地基固结进程的影响。计算结果表明,在固结初期,Hansbo渗流将增强Mandel-Cryer效应,增大孔压的峰值,并延长孔隙水压力达到峰值的时间;在固结中后期,整个土层存在孔隙水压力滞后现象。同时,Hansbo渗流将阻碍地基沉降的发展。而且,上述影响会随着Hansbo渗流参数的增大而更加明显。     

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。     

考虑非达西流的弱透水层固结计算

由于成岩作用的影响,深部弱透水层中的黏性土较为坚硬、致密,在这种黏土层中的孔隙渗流规律有偏离达西定律的现象,而在现有的地面沉降研究中,对深部弱透水层的固结变形计算始终沿用以达西定律为基础的固结方程进行,这显然是与实际情况不相符的。鉴于此,以孔隙渗流为非达西流为基础,对太沙基一维固结方程进行了重新推导,并采用半解析法对非达西流-太沙基一维固结方程进行了求解。分别采用达西流-太沙基固结方程和非达西流-太沙基固结方程对同一固结问题进行了计算,结果表明,考虑非达西流后土层达到某一固结度所需的固结时间较之不考虑非达西流时明显增加了,而且固结时间增长的趋势与实测的增长趋势较为一致。     

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。     

低渗透性介质孔隙水渗流规律

针对以往对低渗透介质中的孔隙水的渗流规律研究存在的问题,利用微渗流-固结联合试验、三轴渗透固结试验、压汞试验等方法,对低渗透性介质-粘性土中的孔隙水的渗流规律进行了较系统的研究,对孔隙水运移规律的实质、极限水力梯度存在与否、达西定律的适用范围及在实际应用中注意的问题等方面进行探讨,并提出新的见解.