成层竖向排水井地基固结分析

实际工程中竖井地基具有成层性,有时竖井也并未完全打穿软土层。在竖井打设区满足竖井等应变固结理论、下卧层满足一维太沙基固结理论假设的基础上,将现有竖井地基固结理论推广到成层未打穿竖井地基情况。利用边界条件和竖直向连续条件,确定该系统的正交关系,并给出了其固结解答,该解具有广泛的适用性。通过对竖井打设区和下卧层层数的变化,即可获得现有关于简单未打穿竖井地基的固结解答。将该解答编制成应用程序,对一算例进行了分析。结果表明,平均固结度按孔压定义和按变形定义是不相同的,硬表层的存在会加快其下土层的固结。     

竖向排水井地基工后沉降预测

预测工后沉降是排水固结预压加固软土地基的关键问题之一。根据等应变竖向排水井地基固结理论,提出了沉降曲线的近似计算方法。通过实测沉降资料与近似理论曲线的拟合,获得竖向排水井地基的最终沉降量和平均固结度,从而预估其工后沉降量。将该方法分别应用于真空预压和堆载预压处理的竖井地基,进行工后沉降预测,结果表明该方法是可行的     

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。     

任意附加应力下竖井径竖向耦合固结等应变解

竖向排水体包括砂井和塑料排水板已广泛应用于加速软黏土地基的固结。不同形式的轴对称条件下含竖向排水体均质各向同性地基的固结解析解答也相继被提出,而各种解答均假定地基中附加应力在竖向排水体的深度范围内是均匀分布的。显然,当竖向排水体深度与地面堆载区宽度的比值相对较高,或竖向排水体的影响区域靠近地面堆载区的边缘时,这个假定并不适用。为此,在现有径竖向耦合固结等应变解的基础上,提出任意分布的地基附加应力条件下的解答,并分析附加应力分布形式和线性加载速率对地基固结的影响。结果表明,均匀分布的附加应力条件下的解答低估了地基的固结速率,而瞬时加载条件下的解答则高估了地基的固结速率。     

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。     

考虑加载过程及桩体固结变形的碎石桩复合地基固结解析解

为了完善碎石桩复合地基固结理论,通过假设从桩体排出的水量等于流入桩体的水量与桩体体积变化之和以及地基扰动区土体水平渗透系数呈线性变化,并考虑上部荷载逐渐施加,推导了考虑桩体体积变化的碎石桩复合地基超静孔压及固结度解析解。当加载时间趋于零时,本文解可退化为瞬时加载情况下的解;当加载时间及桩径同时趋于零时,本文解可进一步退化为Terzaghi一维固结解,这证明了本文解的正确性。通过与已有解的比较,对地基固结性状进行了分析。结果表明,加载过程对地基固结度影响显著,加载历时越长,固结越慢;在各种条件下,不考虑桩体固结变形时地基固结始终比考虑桩体变形时快,并且其影响随着加载历时变小、桩径比变小、桩土模量比变小、桩土渗透系数变小而逐渐增大,这说明在实际工程固结计算中不考虑桩体固结变形是偏于不安全的。     

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。     

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。     

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。     

考虑渗透系数变化的非饱和土固结性状分析

基于Fredlund非饱和土一维固结理论,研究了有限厚度的表面透水透气、底面不透水不透气的线弹性和黏弹性非饱和土地基在加荷随时间指数性变化时的一维固结特性。分别得到了两类地基在固结过程中同时考虑液相、气相渗透系数非线性变化和仅考虑液相渗透系数变化两种情况下的半解析解答。利用典型算例进行计算,分析了不同情况下两类地基中超孔隙水、气压力消散以及地基固结度随时间的变化规律,并与不考虑渗透系数变化时的半解析解计算结果进行了对比。结果发现：固结过程中渗透系数呈非线性变化;只考虑液相渗透系数变化时,超孔隙气压力的消散变化不大,超孔隙水压力的消散加快;气相渗透系数变化对超孔隙气的消散产生明显影响,对超孔隙水压力消散影响不大。同时考虑液相和气相渗透系数变化时,土体中超孔隙水、气压力的消散均有明显变化,土体固结速度也相应加快;分析结果对非饱和土固结的进一步研究具有重要意义。     

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。     

考虑温度耦合效应的竖井地基固结有限元分析

针对塑料排水板(PVD)安装热源能提升PVD性能、加速竖井地基固结这一工程现象,基于热-水-应力 (T-H-M) 三场全耦合的有限元方法来模拟利用热源进行地基处理新技术(PVTD)。首先,以微分形式与等效弱形式分别给出T-H-M耦合控制方程,并推导出其有限元方程组。然后在多场耦合有限元软件中建立饱和土的T-H-M全耦合模型,并通过与已有解析解比较,验证了模型正确性。最后,对一个经典有涂抹区的竖井地基算例,分不耦合温度(UT)、耦合温度但不考虑其对饱和土物性影响(CT)、耦合温度考虑温度对饱和土渗透性影响(CTP) 3种情况进行固结计算分析。研究结果表明,相对于无热源竖井地基,CT情况下由于热源产生的附加孔隙水压力,固结速度略有下降;CTP情况下,由于热源有效改善涂抹区的渗透性能,竖井地基固结速率明显加快。上述研究结论从理论上较好地阐明了PVTD的作用机制。     

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。     

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。     

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。     

连续渗透边界下非饱和土竖井地基固结解析解EI北大核心CSCD

基于非饱和土轴对称固结理论和等应变假设,引入连续渗透边界条件,采用边界条件齐次化、本征函数法,推导得到瞬时均布荷载下非饱和土竖井地基三维固结解析解。通过与双面完全渗透边界条件下已有解析解进行对比,验证了所得解析解的正确性。对所得解进行算例分析发现:通过设置合理上、下界面参数,所得解可用于模拟实际上、下边界透水透气任意分布的情况,弥补了目前无法考虑上、下边界渗透性介于渗透与不渗透之间或不对称分布的不足;在井径比及井深适当的前提下,当径、竖向渗透系数比大于2时,竖向渗流对于超孔隙压力消散的影响较小;当考虑竖向渗流时,上述影响随着上、下边界渗透性能的增强而愈加明显。     

A new analytical model for consolidation with multiple vertical drains

Various analytical theories of consolidation for soils with vertical drains have been proposed in the past. Most conventional theories are based on a cylindrical unit cell that contains only a single vertical drain. This paper described a new analytical model where a vertical drain located at the centre (the ‘inner vertical drain’) and is surrounded by two or three vertical drains (the ‘outer vertical drains’), the number of which depends on whether the configuration is triangular or rectangular. Both types of drains are combined into a cylindrical unit cell, and the water is assumed to flow both inwards to the inner vertical drain and outwards to the outer vertical drains distributed around the circumference. The outer radial boundary of the unit cell is regarded as a permeable boundary, with a drainage capacity of two or three separate vertical drains for triangular and rectangular configurations, respectively. The smear effects and the drainage resistances for both the inner and outer vertical drains are considered in the analysis as well. In this way, the equations governing the consolidation process with multiple vertical drains are derived, and the corresponding analytical solutions are obtained for instantaneously loading, ramp loading and multi‐stage of instantaneously loading and multi‐stage of ramp loading. The present solutions are finally compared with several conventional solutions for a single vertical drain in the literature. The results show that the present model predicts the same average degree of consolidation as conventional models do, which verifies the correctness of this new model. Finally, the settlement predicted by the present solution is compared with the measured settlement from a field test at the Port of Brisbane, Australia, which shows a good agreement between them. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。     

Analytical models for consolidation of combined composite ground improved by impervious columns and vertical drains

In recent years, a new technique of ground improvement, which involves the combined use of impervious column and vertical drains, has been proposed and utilized in many field projects to accelerate consolidation and increase bearing capacity of soft soil ground. To cover the possible distribution patterns of impervious columns and vertical drains, 2 analytical models, including Model A with outward flow and Model B with inward flow within the soils, are proposed to predict the consolidation of combined composite ground by considering the following factors: (1) disturbance effects of both impervious columns and vertical drains, (2) the well resistance of vertical drains, and (3) time‐variant loadings. The average degrees of consolidation predicted by the proposed analytical models are compared with several existing solutions and then against the measured data in the literature. The consolidation behavior of a combined composite ground is investigated by the proposed analytical solutions. The results show that the combined use of impervious columns and vertical drains can remarkably accelerate the consolidation rate of soft soils compared with the single use of either of them. The average degrees of consolidation predicted by both analytical models agree well with the measured data. Compared with Model B, Model A usually predicts a faster consolidation rate because of a shorter drainage path. Many factors can influence consolidation behavior of combined composite ground, such as loading scheme, distribution patterns and the disturbance effects of impervious columns and vertical drains, and compression modulus ratio of impervious column to soil.