任意荷载下双面半透水边界分数阶导数黏弹性饱和土层一维固结

基于Terzaghi一维固结理论,分析了考虑半透水边界条件的分数阶导数黏弹性饱和土层在随时间变化的任意荷载作用下一维固结问题。首先,应用Laplace变换联立求解饱和土层一维固结微分方程和分数阶Kelvin-Voigt黏弹性本构方程,推导出有效应力和沉降在Laplace变换域内的解析解,采用Crump方法进行Laplace逆变换,得到了时间域内的半解析解。然后将本文得到的半解析解分别退化为半透水边界条件下基于黏弹性假设的一维固结半解析解和双面透水边界条件下基于分数阶黏弹性假设的一维固结半解析解,结果与已有文献的半解析解相同,验证了本研究所提出解的可靠性。最后通过算例分别考察了半透水边界参数、分数阶黏弹性模型参数和荷载参数对饱和土层固结沉降的影响。研究表明,半透水边界条件参数、分数阶次与黏滞系数主要影响饱和土层固结的发展快慢,而饱和土层的最终沉降量主要受到土层压缩模量的影响;另外,饱和土层的固结规律与外荷载变化规律一致。     

分数阶导数黏弹性饱和土体一维固结半解析解

将分数阶微积分理论引入Kelvin-Voigt本构模型,以描述黏弹性饱和土体的力学行为。对饱和土体一维固结方程和上述分数阶导数Kelvin-Voigt本构方程实施Laplace变换,联立求解得到变换域内有效应力和沉降的解析解。采用Crump方法实现Laplace数值反演,从而获得了物理空间一维固结问题的半解析解,并将其退化到弹性和黏弹性两种经典情形,分析表明,它与经典解析解完全相同,这证明了经典弹性和黏弹性解析解可视为本研究提出分数阶导数黏弹性解的特例。开展了参数研究,即分析了相关各种参数对固结沉降的影响。研究表明,瞬时荷载情形下分数阶导数黏弹性饱和土体一维固结最终沉降量与黏滞系数和分数阶次无关,而不同黏滞系数和分数阶次对固结时间有较大影响。其研究结果有助于深入认识黏弹性饱和土体的固结力学行为。     

连续排水边界下分数阶黏弹性饱和土体一维固结分析

采用分数阶Kelvin模型来描述饱和土体的流变特性,在连续排水边界条件下,利用Laplace变换推导出变换域内的饱和土体一维固结解析解,再通过Crump法对有效应力和固结沉降进行数值反演,得到了分数阶导数黏弹性饱和土体的一维固结半解析解。将连续排水边界退化到Terzaghi排水边界,退化后的结果与已有文献一致,验证了所得半解析解的可靠性。最后,基于所得解,分析了相关参数对土体固结的影响。结果表明,界面参数反映排水边界的透水性,从而影响土体中超孔隙水压力的消散速率;黏滞系数在固结后期对沉降发展影响较大,其值越大,沉降发展越慢;当阶次a不为零时,分数阶次越小,土体表现出的黏滞性越强,整体固结沉降发展越缓慢,次固结沉降发展也越缓慢。     

非等温分布条件下考虑半透水边界时饱和黏土的一维固结解析解

温度的变化会导致土体的物理力学性质改变,且在一些实际工程中,饱和黏土会处于非等温分布状态。为此,针对非等温分布条件下饱和黏土的一维固结问题,考虑了更具普遍性的半透水边界,通过某些假定推导了单级线性加荷形式下饱和黏土一维固结控制方程,并利用分离变量法求解得到了控制方程的解析解。通过将所提解析解分别与已有解析解和有限差分解展开对比分析,验证了所提解答的正确性。基于所提解析解,利用某一算例分析了温度梯度、半透水边界参数及加荷时间对固结性状的影响。结果表明：温度梯度 M 越大,土体的渗透性越大,土体的固结速率越快;半透水边界参数 R1和 R2越大,相同时间内土体的超孔隙水压力越小,土体的平均固结度越大;土体的平均固结度随加荷时间 tc 的增大而减小,这主要是由于加荷阶段所施加的外荷载小于最终荷载,但加荷时间tc的延长可一定程度减小土体中产生的最大超孔隙水压力。     

具有球形空腔饱和土分数导数 黏弹性土的动力特性

将土骨架视为具有分数阶导数本构关系的黏弹性体,基于Biot两相饱和介质模型,建立具有球形空腔饱和分数导数黏弹性土体稳态振动的控制方程。通过引入势函数,得到球对称情形下具有球形空腔饱和分数导数黏弹性土体的位移、应力和孔隙流体压力等解析表达式。考察分数导数模型参数和饱和土参数等对土体振动特性的影响,结果表明,流体压缩性对饱和土体的动力特性有显著影响,而土骨架压缩性和流-固耦合系数的影响相对较小;分数导数阶数对土体动力特性的影响与材料参数比的取值有关。同时,边界不排水条件下饱和土体的动力响应大于排水条件下饱和土体的动力响应。     

变荷载作用下考虑半透水边界热传导性的一维饱和土热固结特性研究

为了研究温度变化对一维饱和土固结特性的影响,基于渗流方程和热传导方程,考虑了顶面边界的半透水性和热传导性,提出了变荷载作用下考虑半透水边界热传导性的一维饱和土热固结的半解析解,并分析了其固结特性。首先,引入Laplace变换分别求解了半透水边界条件下热力耦合模型和非热力耦合模型的一维饱和土热固结方程,推出了有效应力、温差和沉降的半解析解;其次,通过Crump方法进行Laplace数值反演,得到时间域内的解析解;然后,将所提解分别退化为单边排水条件下的一维饱和土热固结和Terzaghi一维固结的半解析解,结果与已有文献相同,验证了所推导解的可靠性;最后,通过算例分析了各外荷载作用下半透水边界参数、温度增量、热扩散系数和固结系数对热固结特性的影响。结果表明,半透水边界参数、热扩散系数、固结系数和温度增量对饱和土一维固结特性影响显著。     

循环荷载下半透水边界土层一维固结解析解

研究了在循环荷载作用下具有双面半透水边界的饱和粘土层的一维固结问题。根据瞬时加载条件下的解答,采用积分方法得到了循环荷载条件下的解析解。根据解析解的结果,通过计算分析了边界条件和加载条件对土体固结过程的影响,可知：砂垫层和下卧层的渗透性减小会明显减缓固结过程;在循环荷载的一个周期内,孔压和固结度都会达到最大值和最小值各一次。     

变荷载下连续排水边界黏弹性地基一维固结性状分析

在考虑软黏土流变特性的基础上,结合工程实际,引入连续排水边界条件,建立了变荷载下连续排水边界黏弹性地基一维固结模型。通过分离变量法与常数变易法,求得了变荷载作用及连续排水边界条件下的饱和软黏土一维固结模型的解析解,进一步研究了透水边界条件和土体参数对超孔隙水压力、有效应力的影响。研究结果表明:上下边界透水性的不同会直接影响超孔隙水压力的变化;越靠近透水性大的边界处的土体固结速度越快,且随着其离排水边界的距离减小,对固结速度的影响逐渐增大;另外,软土层的渗透系数、Kelvin体弹簧的弹性模量和黏滞系数等对土颗粒间的有效应力影响较大。     

循环荷载下黏弹性饱和土层的一维固结

针对单层黏弹性地基Merchant模型,运用Laplace变换,求得频域内单层黏弹性地基的一维固结解。通过Laplace逆变换,计算了单层黏弹性地基在任意循环荷载下的有效应力及平均固结度。此外,结合工程实例,研究了Merchant模型各参数对循环荷载下黏弹性地基固结的影响。结果表明,在黏弹性地基的固结过程中,有效应力和沉降的发展速率是不一致的,黏壶的存在使地基固结初期的有效应力增长加快,而使固结后期的有效应力增长减慢,同时使变形的发展滞后于有效应力的发展。研究结果亦表明,循环荷载下土体的固结对独立弹簧模量的变化要比Kelvin体中弹簧模量的变化敏感。     

循环荷载作用下黏弹性地基一维固结性状研究

针对单层黏弹性地基模型,对循环荷载作傅立叶级数展开,由固结方程求得循环荷载作用下不透水（透水）边界饱和软黏土一维固结解析解。通过不同渗透系数、黏滞系数和弹性模量以及黏弹性与弹性不同地基模型比较等对有效应力的影响,进行了固结性状分析。结果表明、在循环荷载作用下地基中各点的有效应力并不随荷载的变化而同步变化,而是按一定规律滞后发展;有效应力最终达到一个稳定状态,每一个加载卸载循环下有效应力幅值在一个振荡周期的平均值变化趋近于0;软黏土的流变特性对固结的影响主要发生在中、后期。     

Semi-analytical solution for one-dimensional consolidation of fractional derivative viscoelastic saturated soils

This paper presents a semi-analytical solution to one-dimensional consolidation equation of fractional derivative Kelvin-Voigt viscoelastic saturated soils subjected to different time-dependent loadings. The theory of fractional calculus is first introduced to Kelvin-Voigt constitutive model to describe consolidation behavior of viscoelastic saturated soils. By applying Laplace transform upon the one-dimensional consolidation equation of saturated soils, the analytical solutions of effective stress and settlement in the Laplace transform domain are obtained. The present solutions are more general and have good agreements with available solutions from the literature, and are degenerated into ones for one-dimensional consolidation of elastic and viscoelastic saturated soils.     

Semi-analytical solutions to one-dimensional consolidation for unsaturated soils with symmetric semi-permeable drainage boundary

This paper presents semi-analytical solutions to Fredlund and Hasan’s one-dimensional consolidation for unsaturated soils under symmetric semi-permeable drainage boundary conditions. Two variables are introduced to transform two coupled governing equations of pore-air and pore-water pressures into an equivalent set of partial differential equations, which are easily solved by the Laplace transform. Then, the pore-air and pore-water pressures, and soil settlement are obtained in the Laplace domain. Crump’s method is adopted to perform the inverse Laplace transform in order to obtain semi-analytical solutions in time domain. It is shown that the present solution is more applicable to various types of drainage boundary conditions, and in a good agreement with existing solutions from the literature. Furthermore, several numerical examples are provided to investigate the consolidation behavior of an unsaturated single-layer soil with traditional drainage boundary (single or double), and single-sided and double-sided semi-permeable drainage boundaries. Finally, it illustrates the changes in pore-air and pore-water pressures and soil settlement with time at different values of symmetric semi-permeable drainage boundary conditions parameters. In addition, parametric studies are conducted by the variations of pore-air and pore-water pressures at different ratios of air-water permeability coefficient and the depth.     

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。     

双层黏弹性地基一维固结分析

软土具有黏滞性,对其固结和变形会产生一定程度的影响。采用现有基于广义Voigt流变模型的单层黏弹性地基一维固结问题求解方法,获得各土层的孔压通解表达式。根据两层土体接触面处孔压和流量连续条件及边界条件,给出了系统的正交关系,进而确定通解中待定系数。广义Voigt模型反映了土体应力应变关系在不同时期的特征,因此该解有广泛的适用性。采用岩土工程中应用较广的Merchant流变模型对一工程算例进行了分析。分析结果表明,土体的黏滞性降低了土体的固结速度,且深度越深,影响幅度越大。     

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。