非饱和土一维固结混合流体方法的解析分析

对采用混合可压缩流体方法分析非饱和土一维固结问题的固结方程进行了求解,在得到的解析解的基础上,对影响非饱和土一维固结的因素进行了分析。分析结果表明,在采用混合流体方法计算非饱和土一维固结的孔隙水压力时,所用公式与计算饱和土一维固结的太沙基理论公式基本相同,不同之处在于引入Bishop有效应力系数来体现孔隙气对孔隙水的影响。而在非饱和土孔隙气压的计算公式中除了体现孔隙水对孔隙气的影响参数以外,还有体现孔隙气体的可压缩性对固结影响的参数。在所有影响因素中,影响非饱和土一维固结最重要的因素是孔隙流体的渗流路径。     

分段循环荷载作用下二维非饱和土固结特性分析

基于Dakshanamurthy和Fredlund提出的二维非饱和土固结理论,利用Fourier正弦级数展开、Laplace变换,分别给出了分段循环荷载作用下二维非饱和土固结问题的超孔隙气压力、超孔隙水压力和沉降的半解析解,并应用退化法验证了本文所得半解析解的正确性。然后,结合3种具体的荷载形式,分析了分段循环荷载作用下气相与液相渗透系数之比(k_a/k_w)、水平方向与竖直方向渗透系数之比(k_x/k_z)和荷载特征参数(a)对二维非饱和土固结特性的影响。结果表明：k_a/k_w和k_x/k_z的增大均会加速固结沉降进程;荷载特征参数越大,沉降发展越早,沉降值越小;二维非饱和土固结特性受分段循环荷载作用影响明显。因此,在实际施工过程中改变施工速度和设置径向排水装置可有效控制二维条件下非饱和土体的固结过程,该研究成果可为非饱和土地基的设计和施工提供重要理论依据。     

非饱和土层一维固结特性分析

在Fredlund非饱和土的一维固结理论的基础上进行假设,由得出的液相及气相的控制方程、Darcy定律及Fick定律,采用Laplace 变换、逆变换等数学方法得到了大面积均布瞬时加载下表面为透水透气面、底面为不透水和不透气面的非饱和土层一维固结时间域内的超孔隙水压力、超孔隙气压力及土层沉降的解析解;应用典型算例,分析了不同气、水渗透系数比情况下土体超孔隙水压力、超孔隙气压力消散及土层沉降随时间的变化规律以及不同时间超孔隙水压力、超孔隙气压力消散随深度的变化规律。将得出的结果退化成相应的饱和土的解与太沙基饱和土固结理论结果比较,验证了其正确性。     

分段循环荷载作用下非饱和土轴对称固结特性研究

基于Fredlund等提出的非饱和土轴对称固结理论,采用傅里叶级数展开法和拉普拉斯变换法提出了等应变条件下分段循环荷载作用下同时考虑径向(r方向)和竖向(z方向)渗透的非饱和土轴对称固结半解析解。基于等应变假设和径向边界条件,给出了等应变条件下的超孔隙气压力u_a和超孔隙水压力u_w的控制方程。然后利用级数展开与Laplace变换求解并给出了超孔隙压力及平均固结度的半解析解。此外,通过退化法以及有限差分法验证了所提解和相应结果的正确性。引入3种具体的分段循环荷载,研究了渗透系数之比k_a/k_w、模型尺寸N和荷载特征参数a对非饱和土轴对称固结特性的影响,所得结论更加符合实际,可为非饱和土地基处理提供理论指导。     

非饱和土一维大变形固结模型

基于分段线性差分法,建立了一种非饱和土一维大变形固结模型。该模型可考虑土性参数非线性变化,可计算与分析大变形问题,并编制了Fortran计算程序。在现有解答和试验数据的基础上,对该模型进行了验证,瞬时加载情况下模型数值解与现有解答基本吻合,考虑加载过程下的数值解与试验数据吻合。进行了大变形算例分析,对比了加荷压密与消散固结阶段土层变形,探讨了孔隙气、水渗透系数比对土层沉降量、饱和度和不同应变情况下固结度的影响规律,分析了非饱和土大、小变形固结理论计算孔隙水（气）压和沉降量的差异。     

非饱和土固结理论新进展

总结了国内外多年来在非饱和土固结理论领域研究的主要理论成果,内容包括国内外非饱和土固结理论研究的概况,涉及线性、非线性、弹塑性和结构性等方面,非饱和土固结理论的研究具有非常好的应用前景。但非饱和土固结理论还很不成熟,有待广大科研工作者的进一步研究。     

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。     

电渗-堆载作用下非饱和土轴对称固结特性分析

地基处理中,电渗常与堆载预压联合使用。基于Fredlund非饱和土三维固结理论和Esrig电渗固结理论及等应变假设,推导出电流场与渗流场耦合作用下,考虑径竖向渗流及涂抹效应的轴对称固结控制方程;利用Laplace变换、解耦技术及Laplace逆变换等方法,得到了时域内的半解析解。然后,将所得解分别退化至饱和土中考虑电渗-堆载联合和非饱和土中仅考虑堆载这两种情况与已有文献结果对比,验证了研究方法的可靠性。最后,通过算例研究有效电压、电-水力渗透系数比和涂抹系数对非饱和土轴对称电渗固结特性的影响。结果表明：超孔隙水压最终产生的负孔压与有效电压成正比;电渗-堆载联合下的非饱和土地基固结可分为两个阶段,分别主要受堆载和电渗影响;电渗联合堆载处理地基时的最终沉降是两种作用分别处理地基时的最终沉降之和,且对于低渗透性的土体,其固结速率将显著提高;此外,施加电压后涂抹系数在同区间内,超孔隙水压消散的速率差距比不考虑电压时的大,且涂抹系数越小,最终产生的负孔隙水压越大。     

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。     

非饱和土一维热固结理论研究

为研究温度变化对非饱和土一维固结的影响,本文建立了非等温状态下的非饱和土固结模型,并且给出了半解析解。首先,结合Dakshanamurthy等提出的非饱和土一维热固结方程与Aldrich建立的一维热传导方程,建立了更完善的非饱和土一维热固结问题的控制方程。其次,采用Laplace变换与Laplace逆变换等方法,得到了非等温条件下超孔隙气压力、超孔隙水压力及土层沉降的半解析解。另外,将得到的解分别退化为非饱和土一维等温固结情况及饱和土一维热固结情况,与现有文献结果对比,证明了本研究的可靠性。最后采用算例分析了不同热扩散系数和温度对非饱和土地基固结的影响。结果表明：热扩散系数与温度在一定范围内的变化会对非饱和土固结的速度产生显著的影响,且热扩散系数的增大会增加固结速率,温度的升高会减小最终沉降量。     

正常固结软土渗透系数与固结应力关系研究

从固结系数的定义出发,将压缩系数视为变量,建立了渗透系数与固结应力的微分方程,求得了软土正常固结状态时,考虑前期固结压力的渗透系数随固结应力变化关系表达式。利用室内试验数据,将提出的公式与现有渗透系数与固结应力关系式、试验结果进行对比。研究表明,所提出的公式能较好地反映渗透系数随固结应力变化的特点,比未考虑前期固结压力的计算式更接近于实际情况,从而为实际工程中预估固结变形速率提供了一种较为准确的方法。     

基于同伦分析法的非饱和土层固结问题的级数解

由于非饱和土的渗透系数是基质吸力的函数,使得控制方程带有强非线性的特征,进而使得控制方程的解析求解变得十分困难。同伦分析法对级数基函数和辅助线性算子的选择具有更大的自由性、灵活性,且收敛性的控制和调节更加容易实现,求解强非线性微分方程时在选择线性算子以及辅助参数上具有明显的优势。因此,针对非饱和土固结方程的非线性特征,对于处于地表浅层的非饱和土层,假设孔隙气压力为大气压力,在Richard经验公式与非饱和土一维固结理论的基础上,推导了非饱和一维固结无量纲控制方程;应用同伦分析法,通过选取适当的初始猜测解与辅助参数,将该非线性方程转换为线性的微分方程组并求解得到固结问题的级数解。此外,以压实高岭土为研究对象,在收集相关试验参数基础之上,将由同伦分析法求得的固结问题的近似解析解与有限差分法数值结果相对比,分析结果验证了解析解的正确性。     

Exact solutions for one‐dimensional consolidation of single‐layer unsaturated soil

Based on the Fredlund consolidation theory of unsaturated soil, exact solutions of the governing equations for one‐dimensional consolidation of single‐layer unsaturated soil are presented, in which the water permeability and air transmission are assumed to be constants. The general solution of two coupled homogeneous governing equations is first obtained. This general solution is expressed in terms of two functions psi₁ and ψ₂, where ψ₁ and ψ₂, respectively, satisfy two second‐order partial differential equations, which are in the same form. Using the method of separation of variables, the two partial differential equations are solved and exact solutions for three typical homogeneous boundary conditions are obtained. To obtain exact solutions of nonhomogeneous governing equations with three typical nonhomogeneous boundary conditions, the nonhomogeneous boundary conditions are first transformed into homogeneous boundary conditions. Then according to the method of undetermined coefficients and exact solutions of homogenous governing equations, the series form exact solutions are put forward. The validity of the proposed exact solutions is verified against other analytical solutions in the literature. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

An explicit one-dimensional consolidation solution with semi-permeable drainage boundary for unsaturated soil

Existing solutions for analyzing one-dimensional (1-D) consolidation of unsaturated soil are only derived to cater to two extreme drainage conditions (fully drained and undrained). This study presents a new explicit solution for 1-D consolidation of unsaturated soil with semi-permeable drainage boundary. Based on the assumptions of two independent stress variables and the governing equations proposed by Fredlund, the eigenfunction expansion method is adopted to develop an explicit analytical solution to calculate excess pore-water and pore-air pressures in an unsaturated soil when it is subjected to external loads. The developed general solutions are expressed in terms of depth, z, and time, t. For the semi-permeable drainage boundary, eigenvalues and eigenfunctions in the space domain are developed. The technique of Laplace transform is used to solve the coupled ordinary differential equations in the time domain. The newly derived explicit solution is verified with the existing semi-analytical method in the literature, and an excellent agreement is obtained. Compared with the semi-analytical solution, the newly derived analytical solution is more straightforward and explicit so that this solution is relatively easier to be implemented into a computer program to carry out a preliminary assessment of 1-D consolidation of unsaturated soil.     

非饱和土拟二维平面应变固结问题的解析计算方法

基于Fredlund非饱和土一维固结理论,建立了二维平面应变条件下的固结方程组,并得到了单层非饱和土平面应变条件下的解析解。基于相关理论,假设体变系数和渗透系数都为常量,同时考虑到瞬时加载条件下,沿着土体深度方向上产生均匀或者线性分布的初始超孔隙压力,建立了二阶二元偏微分方程组。求解时,引入函数方法来降低方程的阶数,然后通过分离变量法获得方程的通解。在此基础上,结合一个针对单面排水条件下二维平面应变问题案例,通过与数值解对比,验证了所提方法的正确性。并采用所提方法计算获得了二维平面下超孔隙水压力、气压力沿垂直和水平方向消散的等时线,通过计算对比,分析了不同线性分布情况下,初始超孔隙压力对固结消散过程的影响。研究结果表明:初始超孔隙压力的不同分布对超孔隙气压力消散的影响几乎可以忽略,而对超孔隙水压力消散的影响更大。     

压实黄土非饱和渗透系数试验研究

压实黄土非饱和渗透特性具有重要的工程意义。对不同干密度的压实黄土试样,采用非饱和导水率测定系统进行非饱和渗透系数量测,得到不同干密度压实黄土的渗透系数与吸力的关系。试验结果表明：渗透系数随吸力的增大而成非线性减小,随干密度的减小而增大;在低吸力时,干密度对渗透系数的影响较大;在较高吸力时,干密度对渗透系数的影响较小。进一步给出了压实黄土的渗透系数模型并进行回归分析,得到各Wind幂函数模型参数与干密度的关系,建立了基于干密度的压实黄土渗透系数的确定方法。