饱和土体固结变形特征的一种非线性描述

基于非线性假定的固结方程及其标准化形式,给出一个描述饱和土体非线性固结变形特征的实用的理论模型.在假定孔隙比与有效应力关系的基础上,研究土层固结度随时间因素的演化过程,进而分析饱和土体固结变形的内在规律性,指出其与经典Terzaghi渗透固结变形理论的差异.其中,定义了一个表征土体非线性特征的重要参量(,分析该参数的大小以及土层厚度的影响,从而较好地解释和描述不同厚度土层(或不同的排水条件)固结形态的差异性.利用理论分析结果,对一些典型试验结果进行对照分析,说明上述理论的合理性.     

一维固结理论中固结系数的试验分析

利用长安大学改装的K0固结仪,对原状土样与重塑土样进行了固结渗透试验,根据试验所得到的数据,分别对2种土体的变形与渗透特性进行了分析,并结合太沙基一维固结理论,得到了固结系数的确定方法;在此基础上,对固结系数的变化进行了非线性分析,揭示了固结系数在固结过程中的变化规律及土体结构性对它的影响,这对准确计算地基土体的固结沉降有指导作用.     

高含水率疏浚泥轴对称大应变固结模型

高含水率疏浚泥在外加荷载作用下通常产生大应变固结变形,不适用于传统的Barron轴对称小应变固结理论。为此,基于Gibson一维大应变固结理论和Hansbo径向固结理论,摒弃小应变假定,考虑高含水率疏浚泥的材料和几何非线性、径竖向渗流等因素,建立了等应变条件下以孔隙比为变量的轴对称大应变固结模型ALSC,Gibson、Hansbo、Kjellman等建立的固结方程是该模型的特例。基于有限差分法,编制了计算程序,进行了ALSC模型与小应变模型的数值模拟,验证了ALSC的有效性。研究结果表明:土体变形较小时,ALSC模型与Barron模型计算的固结度和超静孔压数值基本吻合;土体变形较大时,ALSC模型与"Barron+Terzaghi"理论计算的最终沉降量和固结速率取决于土体的固结参数;当C_c/C_k=1时,ALSC模型的最终沉降量小于"Barron+Terzaghi"理论,但二者固结速率相当;当压缩系数av保持不变,ALSC模型(C_k=1)与"Barron+Terzaghi"相比,最终沉降量大,固结速率慢。     

软土蠕变-固结特性及计算模型研究

根据国内外研究动态和实际工程的迫切需求，对软土蠕变—固结特性、计算模型、模型的数值求解方法和工程应用等进行了系统的研究，探讨了土工应力—应变模型、流变模型和固结模型的耦合机理，建立了实用的非线性弹粘性固结模型。研究表明，软土在任一时刻的变形都可以分解为瞬时变形和蠕变变形，其中，瞬时变形也呈现比较明显的非线性特征；土体变形的时效性由固结特性和粘滞特性共同决定，应力水平低时以固结变形为主，反之，土体的变形主要来源于剪切蠕变；土体的蠕变变形与孔隙水压力的消散有关，在同样的条件下，土体渗透性越差，蠕变变形越大；对于有厚度的土层，土体的次固结是在主固结过程中同时发生：土的蠕变对应力和应变的影响程度取决于土体的排水条件，当地基排水不良时，应力水平将随时间增高，变形计算中若不考虑蠕变特性将可能忽略地基潜在的失稳趋势。所以，考虑蠕变特性不仅是对计算结果的修正，而且是对工程安全性的重新评价。通过对有代表性的实例的计算和分析，验证了计算模型的合理性和结论的正确性。     

复杂条件下复合地基固结解析理论研究

与砂井地基相比,复合地基具有桩体压缩模量较大、直径较大、受荷后应力向桩体集中以及桩体发生侧向膨胀等特点,因此,复合地基固结虽然类似于砂井地基固结但又与之不同.针对现有复合地基固结理论不能合理充分地考虑复合地基这些特点的不足,基于复合地基桩、土共同承担外部荷载的原则,提出一个新的关于复合地基固结初始条件,并对复合地基施工扰动引起的土体渗透系数变化、附加应力随深度和时间变化、桩体固结压缩、土体非线性以及桩、土发生侧向变形等复杂情况下的复合地基固结问题进行了较详细深入的研究,主要的工作和创新成果如下:(1) 给出能同时考虑扰动区土体渗透系数变化、附加应力既随时间变化又随深度变化的复合地基固结普遍解,以及荷载单级施加、附加应力沿深度线性变化时超静孔压和平均固结度的具体表达式,并对地基的固结性状和桩-土应力比的发展规律进行了分析.(2) 鉴于传统桩周流量连续的假定与等应变条件矛盾,对现行桩周流量连续假定进行了修正,建立新的能够考虑桩体压缩的复合地基固结控制方程,给出瞬时加荷和附加应力沿深度均匀分布情况下复合地基超静孔压和平均固结度的表达式,将其与以往解答进行了对比,分析复合地基的固结性状.研究结果表明:采用修正的桩周流量连续条件给出的地基平均固结度小于传统桩周连续假定给出的平均固结度,而且,随着井径比的减小,两者之间的差值变大.(3) 为考虑由于桩径较大而实际存在于桩体内的径向渗流,建立能考虑桩体内的径、竖向组合渗流的复合地基固结控制方程,引入2个新的边界条件,并给出相应解析解.对比分析结果表明:所给出的解答可以合理地退化到5种简单情况下的地基固结解答;不考虑桩体内径向渗流将高估复合地基固结度速率,而且,井径比越小,高估值越大.(4) 通过引入广为认同的土体孔隙比和有效应力以及孔隙比和渗透系数的对数关系,考虑土体固结过程中压缩模量非线性增长和渗透系数非线性减小的特征,给出一种复合地基非线性固结解析解,并对复合地基的非线性固结性状进行了分析.分析结果表明:考虑非线性时按应力和按变形定义的2种固结度不相等,并且按变形定义的固结度一般大于按应力定义的固结度;当压缩指数小于渗透指数时,不考虑土体的非线性特征会低估地基的固结度;而当压缩指数大于渗透指数时,不考虑土体的非线性则会高估地基的固结度.对于按应力定义的固结度来说,当压缩指数小于渗透指数时,随着附加应力的增大,地基固结速度加快,而当压缩指数大于渗透指数时,附加应力增大,地基固结减慢;对于按变形定义的固结度而言,不论压缩指数大于还是小于渗透指数,复合地基固结速度总是随着附加应力增大而加快.(5) 在竖向变形相等的条件下,给出能考虑桩体和土体在固结过程中发生侧向变形的复合地基固结解析解,并对该解和不考虑桩、土侧向变形的现有解答进行比较.结果表明:考虑桩体的侧向变形会降低地基的固结速率.最后分析桩体和土体的变形模量和泊松比对地基固结的影响以及桩-土应力比随时间的发展规律,结果表明:桩、土的泊松比越小,地基固结越快;桩、土的弹性模量之比越大,变形模量之比越大,则复合地基固结越快;考虑桩、土的侧向变形后,复合地基的桩-土应力比虽然随固结逐渐增大,但与现有理论预测的不同,该应力比不会增长到桩-土模量比的值.     

分段线性差分一维大变形电渗固结模型

经典固结理论假设土体的物理、力学和电学特性均匀稳定,给出的解答往往忽略实际电渗固结中土体属性的动态变化。本文采用欧拉坐标系,建立一种分段线性一维大变形电渗固结模型ECS1。该模型考虑土体孔隙比、渗透、电势随固结进程的非线性变化,可分析电渗过程中土体超静孔隙水压力、沉降与固结、电势以及电阻的动态变化。通过算例验证及阐述该模型的特点,结合算例,给出了非线性大变形情况下的电渗固结数值解,求解或分析的对象包括渗流量、沉降量与固结度、孔压与电势分布,以及不同电势梯度对固结的影响。     

吸附模式及固结变形对溶质运移规律的影响研究

目前关于溶质在变形土体中运移规律的研究相对较少,但是荷载作用又是实际工程中必须考虑的因素。基于比奥固结理论和溶质运移理论,建立渗流场、应力场和浓度场耦合的溶质运移模型,并采用有限差分法对溶质在变形土体中的运移规律进行研究。此外,许多学者在研究溶质运移规律时,多数情况下采用线性吸附模式,但是细粒土对金属离子、有机物或者高浓度溶质的吸附多表现出较强的非线性,因此研究了不同吸附模式作用下溶质的运移规律。研究结果表明,固结变形对溶质的运移过程具有持久性的阻滞作用,导致了溶质运移深度的减小;吸附模式对溶质运移规律没有本质的影响,但是吸附模式对溶质运移的快慢有较大影响,并且随着运移时间的增加,吸附模式对溶质运移快慢的影响不断增大。     

基于等时曲线的软黏土弹黏塑性模型

软黏土的变形与时间密切相关,包括固结效应与蠕变效应两部分,两者相互作用共同影响着土体的变形及长期变形。在Bjerrum等时曲线理论的基础上,推导了一个能描述软黏土变形时效特性的弹黏塑性本构模型,将此模型代替一维Terzaghi固结理论中的线弹性应力–应变关系,并进一步考虑非线性渗流的影响,实现了一维条件下蠕变–固结的非线性耦合作用。本模型中共有8个模型参数,物理意义明确,均可通过室内试验简单获取,利用Crank-Nicolson有限差分格式在一定的边界条件下可对控制方程进行求解。为验证此模型的有效性,对室内一维K0侧限固结试验及Leroueil和Kabbaj的等应变率试验成果进行了模拟,理论计算值与试验结果能够较好吻合。     

饱和软黏土渗透特性及对一维大变形固结影响

 通过室内渗压试验对广州南沙饱和软黏土在不同固结压力和不同渗透压力下的渗透特性进行系统研究,分析影响土体渗透性的各种加卸荷条件;归纳渗透系数与固结压力、渗透系数与孔隙比的经验关系;揭示了软黏土的渗透规律和渗透破坏特征。在试验成果分析基础上,根据大变形固结理论中以位移为控制变量的物质描述方程,进一步研究初始渗透系数对大变形固结的影响以及在软土地基大变形固结计算中考虑压缩系数和渗透系数的非线性的必要性和合理性。     

任意施工荷载作用下天然结构性软粘土的一维非线性固结分析

考虑固结过程中结构性土体的非线性压缩特性、渗透系数的变化以及施工荷载随时间任意变化规律因素,推导了天然结构性土体的一维非线性固结方程。利用Crank-Nicolson差分格式离散非线性固结方程以方便求解。分析表明:不考虑土体结构效应的非线性固结和线性固结分析所得的超孔压明显大于考虑土体结构效应的非线性固结结果;当时间因数较小时,考虑土体结构性的非线性固结分析的固结度明显大于不考虑土体结构性的非线性固结分析和线性固结结果;同时表明不考虑土体结构效应的非线性固结和线性固结分析的结果相差不大。     

初始有效应力沿深度变化的非线性一维固结半解析解

既考虑材料非线性又考虑初始有效应力沿深度变化的一维固结问题,由于其求解的复杂性,解析解 很难求得,一般的解答都是采用数值方法获得。作者建立了求解初始有效应力沿深度变化的软粘土非线性一维固 结问题的半解析方法,编制了计算程序,并通过详细的计算,得到了有关孔压和沉降曲线,然后通过分析比较, 对软粘土地基非线性一维固结性状进行了探讨。     

软黏土一维非线性大应变固结解析理论

给出了软黏土一维大应变固结中土体总应力、有效应力、孔隙水压力、孔隙比和沉降等一般相互关系,通过对土体压缩性和渗透性的假定得到了拉格朗日坐标下以超静孔压为变量的一维非线性大应变固结方程及其解析解。利用此解分析了土体一维非线性大应变固结性状,并与传统的小应变固结理论作了比较。此解也可用于对大应变固结问题的各种数值解法的验证。     

饱和软粘土在循环荷载下的孔压数值分析

在经典的Terzaghi一维固结理论基础上,推导出循环荷载作用下考虑土体非线性的一维固结微分方程,并应用Matlab软件编写相应微分方程的求解程序,得到超孔隙水压力随时间变化的曲线。结合单层地基在正弦循环荷载形式作用下的固结算例,对所得数值解进行了探讨,揭示了循环荷载作用下单层饱和软粘土地基孔压分布的特性,得到了一些有益于工程实践的有意义的结论。     

吹填淤泥自重固结性质试验研究

大变形自重固结理论可广泛应用于堆场设计和堆场吹填淤泥处理等方面,但对于沉积柱试验中淤泥的自重固结性质,尤其是非线性压缩关系和非线性渗透关系,并没有进行详细深入地研究。利用研制的沉积固结试验方法研究了太湖和白马湖吹填淤泥的自重固结性质。该方法由沉积柱、孔隙水压力测试装置和分层真空取样装置组成,利用该方法可得到淤泥自重固结过程中泥水界面、超静孔隙水压力、密度、有效应力、颗粒分布、压缩关系和渗透关系等参数的变化规律。压缩关系试验结果表明:两种淤泥压缩关系是非线性的。在较低的有效应力时随有效应力的增大孔隙比迅速减小,在较高的有效应力时随有效应力的增大孔隙比减小趋势趋缓。存在一个有效应力的分界点,低于此点不同时间时有效应力与孔隙比的关系较为分散,此时淤泥的压缩性很大,高于此点不同时间时有效应力与孔隙比的关系可认为是唯一的。两种淤泥渗透关系是非线性的。淤泥的非线性压缩关系和渗透关系可采用幂函数关系。     

变荷载下双曲线模型修正土体一维固结理论

 假定土体本构关系满足双曲线模型，把利用该模型得出的孔隙比e和有效应力s ¢的双曲线关系应用到一维单层均质地基固结理论的研究中，通过假定土体的初始有效应力沿深度均匀分布和渗透系数的降低与压缩系数的减小成正比，推导出任意荷载作用下一维非线性固结理论的方程。对于所得到的非线性偏微分方程，通过x-s ¢代换化成线性偏微分方程，并按照具体的初始和边界条件采用分离变量法求出土体有效应力s ¢和超静孔隙水压力u的解，由此分别推导出按沉降定义的平均固结度Us和按平均孔隙水压力定义的平均固结度Up的表达式。采用MATLAB语言编制相应的计算程序，结合具体算例与已有的修正非线性固结理论解的结果进行对比来论证本修正的正确性。计算结果表明：固结度随着时间的增长而增长，其增长速率逐渐减小；Us值稍大于Up值；2种修正的计算结果中存在微小的差异，其原因是在推导固结方程时采用了不同的本构模型以及不同的对渗透系数变化规律的假定。     

考虑地基土非线性固结的桩侧负摩阻力计算方法研究

针对软土地基因固结沉降在桩侧引发的负摩阻力问题,从桩土相互作用机理出发,首先,根据软土压缩曲线性质,采用双曲线应力应变模型考虑地基土固结非线性特性,推导了桩侧土沉降随深度和时间变化的计算公式;其次,引入Gibson地基理论考虑地基土的非均质性,结合桩土界面剪应力–剪应变双曲线模型,建立了反映桩土界面剪切刚度系数随深度非线性增长的荷载传递函数。在此基础上,联立桩体平衡方程,获得了桩侧摩阻力、桩身轴力分布和中性点位置。最后,将理论计算曲线与工程实测曲线进行对比,并进一步分析了压缩试验参数、固结度、桩径及桩长、地表堆载对桩侧负摩阻力及中性点位置的影响,结果表明计算方法是可行的,可为类似工程提供参考。     

土的卸荷回弹试验及其时间过程的计算方法

主要进行两方面的研究:1进行了土的回弹试验研究。用两种制备土样,进行了加卸荷循环试验研究。通过试验,研究了固结系数/回弹系数在试验过程中的变化规律。通过试验证实,固结系数与回弹系数不是一个固定的常数,是一个以加卸荷过程为周期循环重复变化的过程因子。研究比较了吸水回弹与吸气回弹对试验结果的影响,结果表明,吸水和吸气对回弹的影响不大。2研究探讨了变Cv固结/回弹计算方法,进行了两种重塑土的加卸荷循环全过程比对和两种原状土卸荷全过程比对,理论计算与试验吻合很好,证实了变Cv变形过程计算方法用于固结/回弹变形计算的科学性与合理性,证明回弹是固结的逆过程。     

循环荷载作用下饱和软粘土非线性一维固结

根据饱和软粘土地基非线性一维固结理论，针对单层饱水地基模型，运用Laplace变换求解了在循环荷载作用下的单层饱水地基一维非线性变形问题；通过Laplace逆变换，即可计算单层饱水地基在循环荷载作用下的非线性一维固结。结合单层地基在几种常见循环荷载作用下固结变形的算例，对解进行了探讨，揭示了循环荷载作用下单层饱和软粘土地基非线性一维固结的特性，得到了一些可用于指导工程实践的有意义的结论。     

基于非Darcy渗流的饱和黏土一维非线性固结分析

在考虑土体变形非线性的基础上,引入描述非Darcy渗流的Hansbo方程,修正饱和黏土一维固结方程,并采用有限差分法对该方程进行求解。通过与Davis和Raymond一维非线性固结理论解析解的对比,证明本文数值方法的有效性。在此基础上,探讨土体非Darcy渗流参数、压缩指数以及地面荷载值对固结过程的影响。计算结果表明,非Darcy渗流延缓饱和黏土中孔隙水压的消散速率和地基沉降速率,且随着压缩指数与渗透指数之比c或非Darcy渗流参数m和i1的增大,孔压消散速率和地基沉降速率都变慢,即不考虑渗流非Darcy特性的固结分析将会高估孔压消散速率和地基沉降速率,而地面荷载对固结进程的影响则与固结时间和压缩指数与渗透指数的比值有关。