考虑非Darcy渗流的砂井地基弹黏塑性固结分析

为进一步研究饱和软黏土的砂井固结机制,采用Hansbo渗流方程描述渗流速度与水力梯度之间的非线性关系,同时引入考虑时间效应的统一硬化(UH)本构模型描述土体的弹黏塑性变形,重新推导理想砂井地基固结方程,给出隐式有限差分法求解的离散格式,并编制相应的Fortran计算程序.通过与已有砂井地基非线性固结解析解的对比,证明了求解方法的有效性.随后,探讨UH模型参数及Hansbo渗流参数对砂井地基弹黏塑性固结的影响规律.结果表明:土体主、次固结耦合机制是引起固结初期超孔隙水压力升高的主要原因,而且土体的黏滞性和渗流的非达西特性延缓了固结中后期砂井地基中孔隙水压力的整体消散.另外,在流变固结后期,增大渗透指数将加快固结进程.     

考虑起始水力梯度时饱和黏土的一维固结

采用考虑起始水力梯度的非Darcy渗流方程，修正了Terzaghi饱和黏土一维固结理论，并用有限体积法进行了求解．计算结果表明，只要起始水力梯度大于0，地基的固结速度就慢于Terzaghi固结理论值．而且除固结系数外，起始水力梯度，土层厚度以及上覆压力也都对地基的固结有显著影响．另外，还证实．当主固结完成时，地基中存在一定的残余孔隙水压力无法完全消散．     

基于连续排水边界条件的砂井地基固结解析解

为弥补瞬时恒定荷载下传统砂井固结理论中边界条件存在的缺陷,首先,通过引入连续排水边界条件,采用特征函数法对砂井地基3维固结方程进行解答,得到考虑涂抹及井阻效应的解析解。然后,通过对解析解的退化,与既有的研究结果对比,验证所得解的正确性。最后,根据所得解析解对砂井地基在连续排水边界条件下的超孔隙水压力及平均固结度进行分析。分析结果表明:连续排水边界条件可以通过改变界面参数b值的大小,实现从完全不排水到完全排水整个过程的表达,从而对传统砂井固结理论进行补充。在超孔隙水压力方面,随着b值的减小,地基表面排水能力降低,在地基顶面处,也逐渐出现一定的超孔隙水压力,且b越小,顶面处的超孔隙水压力越大;在同一水平面处,距离砂井越远,孔压越大。在固结度方面,随着b的减小,地基平均固结度显著降低,故传统固结理论中的顶面完全排水条件,可能会高估地基的实际固结速度。涂抹区以及砂井中渗透系数的降低均会显著降低地基固结速度,所以,施工中应减小对井壁土体的扰动,增加竖井的渗流能力,以减弱涂抹和井阻效应。尽管砂井地基以径向渗流为主,但竖向渗流对地基的固结也有较大影响,忽略其作用可能会导致地基的固结沉降预测速度被低估。     

半透水边界砂井地基的真空预压固结解

针对砂井地基顶部存在垫层和底部存在下卧层的现状,采用半透水边界来反映它们对砂井地基固结的影响。假定地基变形符合等应变条件,考虑水平向渗透系数沿半径发生变化,建立了上下边界为半透水边界时真空预压砂井地基的固结理论,通过分离变量法获得固结度和沉降的级数解析解答,分析了底部透水系数、顶部透水系数、井阻、渗透系数沿半径分布特性对砂井地基固结度和沉降的影响规律。研究表明,当底部半透水时,最终负孔压和有效应力呈现出沿地基深度衰减的变化规律。当其它条件相同时,底部透水系数越大的地基固结度越大,但最终沉降和径向固结时间因子相同时的固结沉降却越小。当底部边界不透水时,最终沉降不会随着顶部透水系数改变而改变。但当底部边界半透水或完全透水时,最终沉降随着顶部透水系数增大而增大。顶部透水系数越大的地基固结度越大,径向固结时间因子相同时的固结沉降也越大。均匀井阻的大小不会影响负压最终竖向分布特性,也不会改变最终沉降,但会明显降低砂井地基固结度,延长固结完成时间。渗透系数径向分布模式会对砂井地基的固结度产生影响。工况一计算的固结度最大,工况二计算的固结度最小,工况三计算的固结度介于工况一和工况二之间。半透水边界对真空预压砂井地基固结过程的影响规律与堆载预压砂井地基相比存在明显不同。     

考虑井阻变化的真空预压竖井地基固结解研究

针对竖井地基固结问题,考虑井阻随时间变化、土体径向渗流和真空预压等因素的影响,建立数学计算模型。采用解析解法推导出考虑井阻随时间变化的真空预压竖井地基固结问题的解析解,并将其与董志良真空预压竖井固结解对比,验证了该解析解的正确性和合理性。基于此解编制计算程序,绘制了考虑各因素影响的竖井地基固结曲线。研究表明:井阻变化对平均孔压和平均固结度会产生较大影响;井径比对固结度有一定影响但不明显;未扰动区与扰动区的土体径向渗透系数之比对固结度的影响比较明显;真空度越大,土体孔压随土体深度增大而消散的速率越小。     

考虑起始水力梯度时变荷载饱和黏土一维固结

采用考虑起始水力梯度的非Darcy渗流方程,将Terzaghi饱和黏土一维固结理论推广至可以考虑地面荷载随时间变化的情况,并给出了有限体积法数值计算格式.在此基础上,讨论了起始水力梯度和施工速度对饱和黏土层固结特性的影响.计算结果表明,起始水力梯度越大,地基的固结速度就越慢,且最终固结度小于1;而施工速度的影响主要体现在施工期和竣工初期.     

特殊条件下考虑起始比降的一维固结解析解

针对考虑起始比降的一维固结问题,假定初始孔压降不小于起始比降,分析了考虑起始比降后土体的一维固结特性.采用分离变量法,获得了该条件下考虑起始比降的一维固结精确解并对其进行分析.结果表明：由于起始比降的存在,固结结束时,土中的孔隙水压力不会完全消散,考虑起始比降后,均质地基平均固结度按沉降定义和按平均孔压定义是不同的.起始比降越大,按孔压定义的地基平均固结度越小,当初始孔压呈梯形分布时,按沉降定义的地基平均固结度越大;当初始孔压呈正三角形分布时,按沉降定义的地基平均固结度并不会随着起始比降变化.初始孔压降越小,无论是按沉降定义还是按孔压定义,平均固结度都越大.     

变荷载下考虑起始水力坡降与连续排水边界的固结解

采用连续排水边界的必要性及软黏土中水的渗流存在着起始水力坡降(i₀)的现象已逐渐被认识,但变荷载下同时考虑连续排水边界条件和起始水力坡降的一维固结解析解还鲜见报道。针对外荷载随时间逐渐增加的实际情况,建立变荷载下同时考虑连续排水边界和起始水力坡降的固结模型。采用傅里叶变换及拉普拉斯变换获得模型的近似解析解,利用该解答分析动边界移动规律、超静孔隙水压力随时间的消散规律及平均固结度的增长规律。结果表明：在加载速率不变的情况下,起始水力坡降下排水面透水情况对固结性状的影响与其在达西定律下相同,透水情况越好,孔压消散速率越快;透水情况越差,超静孔隙水压力消散速度越慢。与完全透水边界条件下相比,连续排水条件下起始水力坡降i₀对固结性状影响无明显改变,i₀越大,移动边界到达土层底部的时间越长,固结完成时土中残留的超静孔压越大,按孔压定义的平均固结度越小;i₀值越小,移动边界到达土层底部的时间越短,固结完成时土中残留的超静孔压越小,按孔压定义的平均固结度越大。在起始水力坡降和边界排水条件不变的情况下,随着加载时间的增加,超静孔隙水压力峰值越小,超静孔隙水压力达到峰值的时间越长,但加载时间对超静孔压残留值及按孔压定义的最终平均固结度无影响。     

真空井点降水联合加固软土地基的试验

为了在实际工程中有效应用加固软土地基,在松花江漫滩地区进行了真空井点降水联合方法试验研究.采用太沙基有效应力原理并结合观测得到的数据,对真空井点降水联合预压加固软土地基的机理及加固有效深度、有效应力的变化问题进行了理论分析.试验结果表明:砂井中的孔隙水压力下降速度较快,土体中的孔隙水压力下降则缓慢.地下水位的降低程度对真空降水预压方法加固效果有很大影响,"水封"作用不利于土体固结.通过真空预压和降水预压,不仅提高地基的固结速度和固结程度,且能提高边坡和地基的稳定性.在松花江沿岸地区或类似工程场地条件下应用真空降水预压方法加固地基是合理有效的.     

沿海滩涂回填区地基真空预压加固的原观资料分析

结合浙江某码头陆域地基加固工程现场试验研究,基于非理想井固结理论,由实测沉降曲线和孔隙水压力消散曲线推算得到径向固结系数,两者所得结果均大于室内试验的结果.通过对分层沉降和侧向位移监测数据分析可知,真空预压有效加固深度不超过15~20 m.孔隙水压力监测结果表明,真空预压后期停开部分真空泵,即使可以维持膜下真空度的设计要求,但会明显降低了土体的固结速度.十字板剪切实验结果表明,预压后土体的抗剪强度有明显的提高.     

水平联合竖直排水板真空预压处理工程废浆试验研究

传统真空预压法(VP)在加固工程废浆时存在预制竖向排水板(PVD)易淤堵、周围土体形成土柱以及真空度随深度衰减等问题,考虑到预制水平排水板(PHD)在真空预压法处理软土地基中的特点,提出一种水平联合竖直排水板真空预压(PHD-PVD-VP)处理工程废浆的方法。通过4组大型室内模型试验,对工程废浆加固过程中的排水、沉降以及孔隙水压力进行监测,并借助扫描电镜得到的排水板滤膜微观图片,分析不同初始PHD真空压力下PHD-PVD-VP对工程废浆的加固效果。试验结果表明,PHD-PVD-VP处理工程废浆时减少了土颗粒径向移动速率,延缓“土柱”的形成及缓解土颗粒嵌入排水板滤膜的淤堵效应,提升了土体整体固结效果;40 kPa的初始PHD真空压力使PHD-PVD-VP对工程废浆的排水固结效果最佳,处理后土体的平均含水率和十字板剪切强度分别为40.9%和25.5 kPa,有效地缓解了PHD和PVD的淤堵并改善了土体固结的均匀性。通过微观结构分析发现,PHD初始真空压力的大小同时影响着PHD与PVD滤膜的淤堵情况,从而影响其排水性能,40 kPa的初始PHD真空压力使得两种排水板的排水性能都得到充分发挥。     

吹填珊瑚岛礁钙质软泥的渗透特性试验研究

钙质软泥作为吹填珊瑚地基土的一部分，其渗透特性对于岛礁工程的建设具有重要意义。基于GDSPERM全自动环境岩土渗透试验系统对南海某岛礁钙质软泥进行系列固结渗透联合试验，探究孔隙比、固结历史、固结压力、水力梯度和孔隙液离子浓度对钙质软泥渗透特性的影响，并对钙质软泥孔隙比与渗透系数之间的非线性关系进行拟合分析，得出钙质软泥的系列渗透规律。结果表明：钙质软泥的渗透系数约为10^-6 cm/s，且不随水力梯度的变化而变化，存在初始水力梯度；固结历史对钙质软泥渗透性有较大影响，在孔隙比相同的条件下，未经固结的土样呈现出更低的渗透性能；钙质软泥的渗透系数随固结压力的增大而减小，减小幅度不超过一个数量级；随着孔隙比的增大，钙质软泥的渗透系数也相应增大，两者呈非线性关系，"lg[k_v（1+e）]-lg e"模型拟合效果较好，为适用于钙质软泥的最优非线性渗透模型；钙质软泥的渗透系数随孔隙液NaCl浓度的增大而减小。     

气水孔隙混合流体的压缩性

为了得到适用于高饱和度土固结分析的孔隙混合流体的压缩性计算公式,采用孔隙水压力来表示混合流体的压缩系数.推导过程中,不考虑气泡在水中的溶解,按Laplace公式建立气泡压强与水压的关系.分析了单个气泡对压缩性的影响,并进行了一维固结压缩试验,对混合流体的压缩系数公式进行了验证.结果表明：饱和度、水压和孔隙气的分散度是影响孔隙流体压缩性的3个主要因素;饱和度越小,气泡半径越大,混合流体的压缩性越大;若初始饱和度相同,当水压达到较大值时,气泡初始半径大小对压缩系数影响很小.将试验数值与其他研究者的计算结果进行对比,证明了所推导的理论公式能较好地分析预测孔隙混合流体的压缩系数.     

基于粒子图像测速的高含水率软土真空预压试验

为了更加直观地研究真空预压过程中土体的固结变形规律,采用粒子图像测速技术（PIV）,开展高含水率软土真空预压模型试验,观测真空预压过程中塑料排水板（PVDs）周围土体位移场的变化. 结果表明：排水板周围土体产生了水平方向的位移,且随着真空预压的进行,产生水平位移的范围不断扩大;排水板近处的土体以水平位移为主,主要发生径向固结,距排水板远处土体以竖向位移为主,主要发生竖向固结,并因此形成了排水板处土体凸起而远处下沉的“土桩”现象. 结合孔隙水压力值监测结果,认为土体中不同区域的径向固结存在差异,距离排水板近处的土体排水固结更快. 另外,对于距离排水板15 cm范围内的土体,通过径向位移计算得到的固结度大于通过孔隙水压力值计算得到的固结度.     

砾石土防渗料-反滤料联合抗渗试验

防渗料在高水头作用下是否发生渗透破坏,在很大程度上取决于设置在其后的反滤料对防渗料的保护效果。利用自行改造的竖向渗透破坏仪,在大量砾石土防渗料和反滤料的竖向联合渗透破坏试验的基础上,研究了防渗料砾石含量、干密度及反滤料的级配、干密度和厚度对防渗料与反滤料联合抗渗性能的影响规律,分析了试验过程中初始临界坡降的出现机理和自滤反滤层的形成过程。研究表明,试样的初始临界坡降随防渗料和反滤料干密度的增大而增大,随防渗料砾石含量、反滤料控制粒径D15的增大而减小,随反滤料厚度的增加而增大。     

单桩复合地基固结性状有限元分析

在编制并验证Biot固结有限元(FEM)程序的基础上,对单桩复合地基固结进行了有限元分析,并比较了强排水桩复合地基和弱排水桩复合地基的固结性状.对于强排水桩复合地基:渗流以径向为主;是否考虑应力集中对平均固结度影响甚微,但对地基浅层孔压分布产生较大影响.对于弱排水桩复合地基:渗流以竖向为主;无论考虑应力集中与否,孔压分布和天然地基相比在深度方向梯度更大,由此形成的应力差更利于孔压向透水面的消散,从而加速了地基的固结.