双层地基水平排水砂垫层位置优化研究

针对吹填土地基内水平排水砂垫层位置的优化问题,考虑双层地基内设置单一砂垫层的情况,采用分离变量法求出了地基超静孔压和平均固结度的解析解答,通过解答退化和有限元方法验证了解答的正确性,并讨论了下层与上层地基的渗透系数之比a、体积压缩系数之比b和厚度之比c对砂垫层最优位置的影响,最后通过算例对比了砂垫层设置在不同位置时地基的固结效率。结果表明：同一时间因数下,下层与上层地基的渗透系数之比 1时,砂垫层的最优位置随着a的增大逐渐向下移动, 1时,则相反;下层与上层地基的体积压缩系数之比 1时,砂垫层的最优位置随着b的增大逐渐向下移动, 1时,则相反;下层地基的固结系数较大时,在固结前期,砂垫层的最优位置随着下层与上层地基厚度之比c的增大逐渐向上移动,在固结后期则相反。算例计算结果显示：地基固结度达到90%时,砂垫层设置在最优位置相比未铺设砂垫层能节省大量时间。     

线性加载下含砂垫层地基固结分析

针对含水平排水砂垫层地基的固结问题,建立了线性加载下夹砂垫层地基的二维固结模型,并通过边界转换法、积分变换法给出了相应的半解析解。在通过对解答的退化以及数值法验证半解析解正确性的基础上,分析了砂垫层与地基土的几何及物理参数对地基固结的影响。研究表明:对于地基土,地基固结速率随土体水平渗透系数增大而提高,随地基宽度的增大而降低;对于砂垫层,固结速率随砂垫层厚度、水平渗透系数的增大而提高;对于外荷载,加荷速率越快,孔压达到峰值所需时间也越短,地基固结速率亦随之提高。此外,以地基顶面砂垫层为例,综合考虑砂垫层的渗透系数与厚度对砂垫层透水性的影响,当组合参数h_Tk_(Th)/lk_v≥200时(h_T、k_(Th)、l、k_v分别为砂垫层厚度、水平渗透系数以及土体宽度和竖向渗透系数),砂垫层近似为完全排水边界。     

线性加载下含砂垫层地基固结分析

针对含水平排水砂垫层地基的固结问题,建立了线性加载下夹砂垫层地基的二维固结模型,并通过边界转换法、积分变换法给出了相应的半解析解。在通过对解答的退化以及数值法验证半解析解正确性的基础上,分析了砂垫层与地基土的几何及物理参数对地基固结的影响。研究表明：对于地基土,地基固结速率随土体水平渗透系数增大而提高,随地基宽度的增大而降低;对于砂垫层,固结速率随砂垫层厚度、水平渗透系数的增大而提高;对于外荷载,加荷速率越快,孔压达到峰值所需时间也越短,地基固结速率亦随之提高。此外,以地基顶面砂垫层为例,综合考虑砂垫层的渗透系数与厚度对砂垫层透水性的影响,当组合参数 时（ 、 、 、 分别为砂垫层厚度、水平渗透系数、土体宽度和竖向渗透系数）,砂垫层近似为完全排水边界。     

初始孔压非均布下一维地基砂垫层优化研究

针对吹填土地基水平排水砂垫层铺设深度优化问题,建立了初始孔压非均布下含砂垫层地基的一维固结模型,利用有限Fourier正弦变换法得出了超静孔压和地基整体平均固结度的解答并通过退化验证了解答的正确性。采用二分法分析了砂垫层的最优铺设深度随时间的演化规律,给出了砂垫层最优铺设深度与时间的关系图。研究表明：在固结初期,砂垫层宜放置在土中初始超静孔压较大的位置;在固结后期,砂垫层的最优设置深度为土体厚度的2/3（单面排水）或者1/2（双面排水）的位置。以预压地基平均固结度达到90%所需时间最短为例,当初始孔压倒三角形、正三角形与梯形分布时,单面排水条件下,应分别在0.52、0.72、0.62倍地基土深度处设置砂垫层;双面排水条件下,应分别在0.42、0.58、0.46倍地基土深度处设置砂垫层。最后通过算例分析了当地基土中砂垫层采用最优铺设深度时,与在中间位置铺设砂垫层、不设砂垫层的情况分别进行对比,当时间因子取0.09时,地基土平均固结度分别提高6%和54%。     

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。     

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。     

考虑固结参数变化时砂井地基的非线性径向固结

传统的砂井地基径向固结理论基于小应变理论,所以假设固结过程中体积压缩系数 和水平渗透系数 为常数。然而,固结过程中的 和 均随孔隙比 的减小而呈非线性变化。在Hansbo理论基础上,引入普遍压缩方程和普遍渗透性变化方程来分别表示正常固结土的 - 和 - 的非线性变化关系,得到砂井地基非线性径向固结解,并与前者进行对比分析,探讨了非线性固结参数 和加荷比 对固结过程的影响。结果表明： 和 是控制砂井地基非线性径向固结过程的两个重要因素。     

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。     

砂墙地基二维固结自由应变解

将含竖向排水体地基的三维固结变形问题等效为平面应变问题进行数值分析时,砂墙地基二维固结解析解答是合理确定其等效固结计算参数的重要依据。为辨析现有砂墙地基等应变固结近似解答的适用性,针对微单元土体严格的二维固结微分方程,考虑对地基固结有重要影响的井阻作用,以及涵盖完全透水和不完全透水的更一般边界面排水条件,推求得到了其自由应变解答。并与现有解答进行对比分析,同时,分析了泊松比效应以及水平和竖向排水对地基固结的影响。结果表明,现有砂墙地基的等应变固结解答虽然近似,但已有足够精确;砂墙地基以水平向固结为主,竖向固结几乎可以忽略不计;地基固结速率随着泊松比的增大而增大,在将竖向排水体等效为砂墙时,应考虑其作用影响。     

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。     

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。     

非均匀地基与均匀地基一维固结解答之间的转换关系

基于一维固结理论,研究了土层物理力学性质沿深度非均匀连续变化的固结问题。首先,利用分离变量法,获得了渗透系数和压缩系数随深度按指数函数变化的非均匀地基一维固结方程的解析表达式; 然后与Terzaghi固结理论的经典解答进行了比较,获得了两种解答之间的相似转换关系。这样,非均匀地基固结问题就可以用相同荷载以及边界条件下的均匀地基固结的经典解线性表示。因此,非均匀地基固结问题的求解转化为对相似转换系数的计算。该系数集中反映土层非均匀性对地基固结的影响,从而为解决非均匀地基一维固结问题提供了便捷途径。     

变荷载下结构性土一维固结近似解

采用简化的k-σ′和mv-σ′分段模型,通过把结构性土一维固结问题转化为上、下层土体厚度不断变化的双层地基一维固结问题,得出了变荷载下结构性土一维固结近似解,并与数值解对比验证了解的合理性。分析结构破坏后渗透系数和体积压缩系数的变化分别对结构性土固结特性的影响表明,在固结系数减小程度相同的情况下,渗透系数减小程度增加则按孔压定义的固结度减小程度加大,而体积压缩系数不断增加则按变形定义的固结度减小程度加大;固结过程中按孔压定义的固结度大于按变形定义的固结度,且随着体积压缩系数增加程度加大,二者的差距加大。     

砂井联合水泥土搅拌桩复合地基固结解析解

砂井联合水泥土桩复合地基是一种新型的复合地基加固技术,既可以加快软土地基固结时间,又可以增强软土地基的强度。针对该组合型复合地基的布桩特点,该类复合地基可以简化成以水泥土搅拌桩为中心的轴对称固结模型,并假定孔隙水沿径向渗流到砂井体内的流量等同于砂井体内排出的水量,考虑砂井的涂抹效应,推导出该类型下砂井联合水泥土搅拌桩复合地基固结方程。根据实际工程荷载多数单级施加和地基附加应力呈梯形分布的特点,得出了砂井联合水泥土桩复合地基固结解析解。通过对单级荷载情况下的复合地基固结解析解的退化,得出了瞬时施加荷载下的解析解。最后分别针对井径比、加荷历时、桩-土模量比、砂井渗透系数等影响因素,对复合地基固结性状进行了分析。该解答对提高此类复合地基的设计和计算水平有一定的理论指导意义。     

变荷载下双层地基一维非线性固结近似解析解

目前考虑土体非线性压缩及渗透特性的双层地基非线性固结解均假定土体固结系数保持不变,能反映固结系数变化的双层地基非线性固结解还很鲜见。本文引入经典的e-lgσ'和e-lgk_(v)非线性关系描述土体的非线性压缩、渗透特性,在假定双层地基上、下土层C_(c)_(i)/C_(k)_(i)值相等且不等于1的基础上,得到变荷载下考虑土体固结系数变化的双层地基一维非线性固结近似解。该解答在C_(c)/C_(k)→1条件下可退化为已有的C_(c)/C_(k)=1时双层地基一维非线性固结解。最后,基于本文解探讨了双层地基上、下土层参数的相对比值对非线性固结性状的影响。结果表明：单面排水条件下,C_(c)/C_(k)越小,下层土与上层土的相对压缩性越低、相对渗透性越高,则双层地基非线性固结速率越快;减小C_(c)/C_(k)值,增加双层地基中压缩性小、渗透性高的土层的厚度,会加快地基的固结速率。     

砂-黏土混合物高压压实性能试验研究

利用自行设计高压固结仪对5种不同含砂率的饱和砂-黏土混合物开展一系列高压压缩试验,研究砂-黏土混合物压缩性和渗透性演化规律及其对矿物组分的依赖性。试验结果表明,饱和砂-黏土混合物的孔隙比-压力(e-lgP)曲线随着含砂率增高呈现出指数函数模式向双曲线函数模式转化,而e-P曲线在压力高于8.1 MPa则呈线性变化,其斜率依赖于含砂率。最优含砂率随固结压力的增大而逐渐从75%移向30%。不同含砂率的砂-黏土混合物的孔隙率、固结压力和含砂率存在统一的幂函数关系。渗透系数与含砂率有关,渗透系数与孔隙率符合指数函数关系。从砂-黏土混合物骨架结构和孔隙类型的角度出发,从本质上分析含砂率、固结压力对混合物压缩性和渗透性的作用规律。结合SEM微细观结构观测结果,验证砂-黏土混合物骨架结构与含砂率之间的相关性。     

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。     

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。     

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。     

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。