水位下降诱发含水层–弱透水层1维黏弹性固结分析

过量开采地下水引起的地面沉降是一种严重的环境地质灾害,其具有土层变形长期发展的特点,弱透水层黏性土与含水层砂土的流变性是导致这一现象的重要原因之一。为此,采用广义开尔文模型描述弱透水层和含水层的流变性,结合太沙基1维固结理论和连续性条件,建立了水位变化诱发弱透水层–含水层双层系统流变固结的控制方程和定解条件。利用Laplace变换,给出基于传统矩阵传递法和边界转换法,分别推导了该双层系统在Laplace域内孔压和沉降的计算公式;采用Stehfest逆变换方法进行数值模拟并编写计算程序,得到真实物理空间解。通过与已有单层解析解、双层模型试验值和数值模拟结果的对比,验证了本文解法和程序的正确性。对比研究表明,相比于传统矩阵传递法,边界转换法可以将混合边界条件转换成单一边界条件,具有更高的计算精度和计算效率。最后,基于边界转换法,利用总沉降定义的固结度,研究了土体黏滞性系数、渗透系数以及水位下降速率等因素对土层长期变形的影响。结果表明:渗透系数和水位下降速率的影响主要体现在前中期,渗透性越小,水位下降速率越慢,固结发展得越慢;黏滞性系数的影响则主要体现在土层变形的后期,黏滞性越强,同等水位变化条件下变形完成所需时间越长。     

越流系统中弱透水层的一维固结解及分析

针对越流系统中弱透水层的固结问题,推导了任意基准面下以水头表示的一维固结控制方程,建立了越流系统中弱透水层的一维固结模型,给出了压缩量和平均固结度的解析解,分析了越流引发弱透水层固结变形的本质,并给出了计算实例和平均固结度的查询表格.研究结果表明：渗透力引起有效应力的增加是土层发生变形的根本原因;弱透水层在1 m越流水头差作用下,能够产生相当于弱透水层顶面施加5 kPa均布荷载所引起的总压缩量;越流系统中弱透水层的一维固结与经典的太沙基一维固结理论相比,达到了相同的固结度,但前者所需时间仅为后者的1/4.     

抽降水引发的弱透水层非线性固结解析解

抽降水会引发含水层下卧的弱透水层的固结沉降,同时土体非线性特性对固结变形的影响也很明显。但由抽降水引发的能反映土体非线性固结特性的弱透水层非线性固结解析解还鲜有报道。本文引入经典非线性关系,在假定弱透水层初始有效应力为恒值的条件下,采用分离变量法推导了压缩指数Cc与渗透指数Ck比值不等于1时潜水层大面积抽水引发的弱透水层一维非线性固结近似解析解。Cc/Ck→1时本文解可退化为相同条件下已有的Cc/Ck=1时一维非线性固结解。最后,以水位单级等速下降为例,利用本文解计算不同影响因素下弱透水层的固结曲线,分析其一维非线性固结性状。结果表明：Ck值不变时,Cc值越大(Cc/Ck越大),固结速率越缓慢,但相同时间因子下土层沉降量及最终沉降量均越大;Cc值不变时,Ck值越小(Cc/Ck越大),固结速率越慢,相同时间因子下土层沉降量越小,但其并不影响最终沉降量。水位下降速率越快,弱透水层固结速率越快,但最终沉降量相同。水位下降终值hc越大,沉降速率越快,此时Cc/Ck对固结速率的影响越明显。砂土层自然重度γ越大,相同时间因子下土层沉降量越大,同时超静孔压消散速率越缓慢,但不影响土层内的最终超静孔压。     

地下水流三维数值模拟中弱透水层初始水位的推求方法分析

弱透水层初始水位对地下水流三维数值模拟模型的计算结果有较大的影响,并且这种影响在模型运行的初始阶段表现最为明显。取上下相邻含水层水位平均值或以稳定流模拟结果作为弱透水层初始水位的方法可以在一定程度上减小赋值误差。     

地面沉降模型的参数全局敏感性

为了提高地面沉降模型（COMPAC模型）参数自动校正（或反演）的效率,降低不确定性,使用Sobol'全局敏感性分析方法,以静态和动态的方式分别计算上海市地面沉降模型中5个参数（弱透水层渗透系数、塑性贮水率、弹性贮水率、前期最低水位和含水层贮水率）的一阶、交互和总敏感度,讨论不同变形阶段和参数区间对敏感度计算结果的影响,得出以下结论.1）含水层贮水率的敏感度较小,说明该参数对模拟结果的影响有限,该模型不能准确地反演该参数.2）各参数敏感度在不同变形阶段存在明显的差异,在弹性变形阶段,土层变形量主要受弱透水层弹性贮水率的影响;塑性变形阶段变形量主要受弱透水层塑性贮水率、渗透系数和前期最低水位的影响,说明模型可在弹性变形和塑性变形2个阶段分别校正参数.3）模型参数的交互敏感度较大,但通过分析观测数据,确定参数的合理区间,可以减小交互敏感度,即减小了“异参同效”性,降低了参数校正或反演的不确定性.     

层状粘弹性地基一维固结特性

采用Merchant流变模型模拟土体的粘弹性,针对层状黏弹性地基一维固结偏微分方程,利用Galerkin加权残值方法推导了该问题有限元矩阵表达式.将求解方法编制成应用程序,通过单层黏弹性地基和双层线弹性一维固结问题解答与解析解答对比,验证了求解方法和程序的有效性.采用程序对三层黏弹地基一维固结问题进行了算例分析,研究了处于不同深度处土层在不同时刻受土体粘滞性影响程度,以及粘弹性参数η1对土体孔压消散的影响.分析结果表明,黏滞性土体孔压消散慢于线弹性土体,且随着时间的增加和土层距离排水面距离的增加,这种现象更明显,在土层固结度达到80％～90％时两者差异达到最大值.粘弹性参数η1越大,粘滞性土体与线弹性土体固结度差异越大,且对土体的固结度影响也越提前.     

水环境作用下采动诱发冲积层沉降特征及机理分析

为了研究水环境作用下采动诱发冲积层沉降机制,基于3个矿井的实测数据,分析了厚含水冲积层下采动地表沉降特征,基于有效应力原理,构建了潜水含水层和承压含水层土体压缩计算模型,研究了水环境变化对土体压缩量的影响,并结合现场实测资料对模型进行了分析和验证.结果表明:在厚含水冲积层下开采,地表沉陷波及范围远超一般地质采矿条件下的影响范围,水环境和冲积层的联合作用是导致地表沉陷异常的根本原因.潜水含水层土体压缩量与水位降深之间呈抛物线增长关系,承压含水层土体压缩量与水头降深呈线性增长关系,水头降深越大,土体的压缩量就越大.模型预测均方根误差为±8mm,相对中误差为6.5%,实测值与理论计算值相吻合,采用所构建的土体压缩模型能够对矿井疏排水产生的地层压缩量进行合理计算和预测.     

动态承压水作用下考虑土体非线性的基坑弱透水层出逸比降研究

针对滨海临江地区基坑底部弱透水层由动态承压水导致的突涌问题,将基坑底部弱透水层渗流问题简化为一维越流模型,考虑土体的压缩非线性和渗透非线性,推导动态承压水作用下弱透水层超静孔压半解析解,通过与有限差分解进行对比,验证解的可靠性. 分析土体非线性以及动态承压水参数对弱透水层中超静孔压和开挖面处出逸比降的影响. 分析结果表明：当考虑土体的非线性特性时,弱透水层中各深度处的超静孔压均大于线性假定下的结果;承压水波动过程中基坑开挖面处最大出逸比降随无量纲因子的增加而增加;不考虑土的非线性会使求得的出逸比降偏小. 用线性假定下的解进行突涌稳定性分析或者降水设计均会带来较大的安全隐患,在动态承压水变化周期长、平均水位高、波动幅值大的情况下应充分考虑土体非线性的影响.     

倾斜地下水含水层3维简化数值模型

针对倾斜含水层三维简化数值模拟问题,提出了柱体单元水头梯度平均面的概念,建立了倾斜非等厚柱体单元水头梯度平均面的计算方法。以水头梯度平均面为基础,进行柱体单元水量均衡计算,得到不规则柱体单元的侧向流量项和弹性释水项,含水层层间水力联系通过有限差分法进行计算,由此建立倾斜含水层三维简化数值计算模型,运用该模型模拟了不同条件下地下水运动状态,将模拟结果与通用地下水模拟软件Visual Modflow和Feflow进行对比分析,模拟得到的水头结果正确、合理、处理边界更加方便,计算效率较高。     

超采深层地下水后地下水位下降规律的探讨

分析了非稳定流抽水中弱透水层的释水过程和规律,阐明了由于弱透水层释水特性的响,大量开采深层地下水后,地下水位迅速下降的内在规律,并进行了实例计算.分析和计算表明,地水位的下降规律已偏离非稳定流抽水理论.     

One-dimensional consolidation of visco-elastic aquitard due to withdrawal of deep-groundwater

One-dimensional consolidation of visco-elastic aquitard due to withdrawal of deep-groundwater was studied. Merchant model was used to simulate visco-elastic characteristic of aquitard. General solutions of the governing equation were obtained by applying Laplace transform with respect to time, and then the pore-pressure, strain and deformation of the aquitard could be calculated by Laplace inversion. A case was analyzed to validate the correctness of the present method. Finally, some consolidation properties of the problem were analyzed. Comparison of the average degree of consolidation defined by pore pressure with that defined by settlement shows that they are different and the maximum difference is 22.8%. The influences of parameters of Merchant model and the rate of the water level on the consolidation are great. The smaller the viscosity coefficient is, the later the rate of consolidation decreases. The rate of consolidation is decreased with the decrease of the rate of the water level fall. Therefore, the lagged effect of land subsidence should be considered in the actual project.     

地下水位波动对地基土变形特性的影响

地下水位波动直接影响土层有效应力与孔隙水压力的相互转化.水位上升,孔隙水压力增大,有效应力减小,对地基土工程性质影响较大.结合工程实践,通过对比天然状态及饱和状态下固结试验成果,评价地下水位波动对变形参数的影响程度.结果表明,地下水位波动对黏性土变形参数影响较为明显,对粗粒土影响较小,同时对不同基础形式下水位上升产生的附加沉降变形进行了计算分析.结果可为地下水位波动区工程建设中地基处理参数的选取提供参考.     

考虑固结的新近吹填场地桩侧负摩阻力分布特性

为研究新近吹填场地中,因软土地基固结沉降引起的桩基侧摩阻力的分布特性,基于连续排水边界条件和理想弹塑性荷载传递模型,建立考虑土体固结效应的新近吹填场地桩基础变形分析理论模型。引入连续排水边界,求解双层地基的固结沉降,并采用理想弹塑性荷载传递法模拟桩侧位移-应力关系,求解桩侧摩阻力及桩顶沉降解析解。通过与试验数据进行对比,验证本文解的正确性,并讨论时间因子、双层地基厚度比、桩顶荷载和桩基受力对轴力以及侧摩阻力的影响。结果表明：随着时间的增加,负摩阻力增大,中性点下移;原位土层与新吹填土层厚度比增大,负摩阻力减小,中性点上移;随着桩顶荷载的增加,桩侧负摩阻力减小,中性点上移。     

One-dimensional consolidation of double-layered soil with non-Darcian flow described by exponent and threshold gradient

Based on non-Darcian flow law described by exponent and threshold gradient within a double-layered soil, the classic theory of one-dimensional consolidation of double-layered soil was modified to consider the change of vertical total stress with depth and time together. Because of the complexity of governing equations, the numerical solutions were obtained in detail by finite difference method. Then, the numerical solutions were compared with the analytical solutions in condition that non-Darcian flow law was degenerated to Dary’s law, and the comparison results show that numerical solutions are reliable. Finally, consolidation behavior of double-layered soil with different parameters was analyzed, and the results show that the consolidation rate of double-layered soil decreases with increasing the value of exponent and threshold of non-Darcian flow, and the exponent and threshold gradient of the first soil layer greatly influence the consolidation rate of double-layered soil. The larger the ratio of the equivalent water head of external load to the total thickness of double-layered soil, the larger the rate of the consolidation, and the similitude relationship in classical consolidation theory of double-layered soil is not satisfied. The other consolidation behavior of double-layered soil with non-Darcian flow is the same as that with Darcy’s law.     

深厚覆盖层中弱透水层厚度及连续性对渗流场的影响

中国西北地区的深厚覆盖层坝基中常存在厚度不均和不连续的弱透水层,弱透水层的厚度、不连续形式及开口大小对坝基渗流场有一定的影响,其规律需要深入研究。基于非饱和土渗流理论,借助Seep/w进行渗流求解,探讨中间位置处弱透水层的厚度及连续性对单宽渗流量和出逸坡降的影响规律,并结合工程实例进行对比分析。研究表明：单宽渗流量和出逸坡降都随着中间位置处弱透水层厚度的增加而降低;弱透水层厚度对采用半封闭式防渗墙控渗时的渗流场影响最大,悬挂式防渗墙次之,全封闭式防渗墙最小。开口在上游的弱透水层与防渗墙形成的半封闭式联合防渗体系的控渗效果最好,开口在下游的弱透水层次之,防渗墙上下游都存在开口时效果最差。单宽渗流量和出逸坡降随弱透水层上游开口长度的增加而增大,但开口长度对渗流场影响不显著,其原因在于各防渗体系下上游弱透水层仅起到微弱的隔水作用。建议防渗墙和下游弱透水层形成半封闭式联合防渗体系,避免防渗墙上下游弱透水层均存在缺口的不利情况。基于监测值和模拟值得出的误差满足规范要求,表明采用的计算方法和得出的结论皆可靠。     

土水特征曲线为直线的非饱和土一维固结计算

基于Bishop有效应力原理,将土水特征曲线与固结方程相结合,提出土水特征曲线为简单直线型的非饱和土一维固结的计算方法.假定土体固结分为2个阶段:第一阶段为不排水、不排气阶段,土体的变形只是因为气体压缩所引起的;第二阶段为排水、排气阶段,土体的变形是因为孔隙水和孔隙气的排出而引起的.在此过程的基础上,建立并求解非饱和土一维固结方程,分析影响非饱和土一维固结的因素.影响非饱和土一维固结速率的最重要因素是孔隙流体的渗流路径.在相同边界条件下,非饱和土固结过程与饱和土固结过程中孔隙流体压力沿深度的分布随时间的变化规律相同.     

考虑土体水平渗透系数变化的复合地基固结解

为了体现桩体施工扰动对桩周土体造成的负面影响,考虑了排水影响区土体水平渗透性的3种变化模式,即扰动区渗透系数不变、扰动区渗透系数线性变化和整个影响区渗透系数线性变化.采用由平衡条件和等应变假设得到的新的初始条件,分别给出了在各种模式下桩体和土体中的超静孔压的解.将桩体的固结引入复合地基按应力定义的固结度,并分别给出了复合地基按应力和变形定义的总平均固结度.最后分析了4个参数对地基固结性状的影响,并比较了计算结果和文献结果.结果表明,分别按应力和变形定义的总平均固结度相等;土体的最大与最小水平渗透系数之比越大,固结越慢;扰动区范围越小,固结越快;桩体越硬,固结越快.     

成层Gibson地基半透水边界一维固结解

针对成层Gibson地基模型，研究了半透水边界饱和土层在各种荷载作用下有效应力以及沉降的变化，运用Laplace变换求得了频域内有效应力在任意荷载作用下的解，并结合数值Laplace逆变换，对几种常见的荷载作用下的固结进行了讨论，通过具体算例研究了各土性参数对固结的影响。在实际工程计算中，应根据土层和垫层的具体情况，确定边界条件属于完全透水、半透水或不透水，从而得到更为准确的结果，循环荷载作用下成层Gibson地基固结，其有效应力和变形都呈振荡增长，由于水的存在，两者的变化步调不与荷载同步，这一点与弹性单相介质在循环荷载作用下的规律不同，对于双面排水地基，靠近土层上下表面处应力振荡幅值较大，滞后时间较小；本文计算模型中假设压缩模量只随深度变化，不随时间变化，因此有效应力及变形振荡较大，而实际工程中，由于压缩模量随加载过程的顺延有增长趋势，故可以想像随时间增长，时间有效应力和变形的振荡幅度将减小。     

成层软黏土地基一维电渗固结理论研究

针对成层软黏土地基电渗固结问题研究甚少。在Esrig一维固结理论的基础上,利用分层法结合差分法计算得出曲线模拟方程,并且建立了成层软黏土电渗固结理论,从而获得了孔压解析解,同时将双层软黏土的孔压值与在Esrig的固结理论下的各单层土的形成对比,得出了在距离阴极前半段内,成层土孔压变化趋势与第一层土相比偏慢,在距离阴极后半段内,成层土孔压变化趋势与第二层土相比偏快．最后通过分层法和平均法得出孔压的比较．进而得出了在工程实践中可以采用平均法来替代分层法的结论．