非饱和土渗流变形耦合的数值分析

基于一维非饱和土的渗流-变形控制方程,采用Flex PDE（Partial differential equation）软件对该耦合方程组进行求解分析。该方法突破了解析法对非饱和土导水系数函数的特殊限定,适用于任意的土-水特征曲线表达式;还可考虑到饱和时的渗透系数以及孔隙率是变量。与解析解相比,该数值解表现较高的精度,具有解决非饱和土耦合问题的可行性。计算分析表明,非饱和土渗流-变形耦合作用对暂态孔隙水压力分布产生重要的影响,在降雨入渗过程中需考虑土体渗流-变形耦合的影响。降雨初期,位移随着时间明显增大,地表出现下沉,考虑耦合效应的孔隙水压力慢于非耦合情况,原因是H值为正的。随着降雨持续时间的增大,地表下沉的速度减缓,到最后变形开始稳定。位移的变化快慢与孔隙水压力变化规律相同。地表沉降量还与初始孔隙水压力分布以及H值密切相关。饱和时的渗透系数以及孔隙率对非饱和土降雨入渗以及稳态流的分布产生影响,但对其地表变形产生的影响微弱。     

桩-黄土-结构体系地震动力相互作用的数值分析

引入饱和黄土的结构性动力本构模型,结合通用有限元程序建立了桩-土-结构体系的有限元-无限元耦合模型,分别考察了水平地震作用下土体结构性和超孔隙水压力对桩身截面剪应力、水平位移、水平加速度分布的影响。研究表明:结构性、超孔压没有改变桩身各曲线的分布形态,但对其大小有一定的影响。具体表现为:随着土体结构性系数的增大,桩身截面剪应力及桩顶水平位移均先增后降,存在一个峰值点;考虑超孔压时,桩身水平位移最大值、桩截面剪应力最大值和桩身水平加速度最大值都有所增大,其中后两者的分布具有反相关性;不考虑超孔压力的影响总体上是偏于不安全的。     

H型护岸桩沉桩产生的超孔压及水平位移计算

H型桩由于特殊的截面形式,打桩过程引起的挤土效应特征不能简单地采用管桩的挤土规律代替。因此基于湖嘉申二期工程现场试验数据,研究其沉桩引起的超孔隙水压力和土体位移规律,通过修正的圆孔扩张模型考虑H型桩在扩孔时的特殊性,推导出适合H型桩的矩形孔扩张的计算公式。用该公式对沉桩产生的超孔压及土体位移进行计算,并与其他方法进行对比。结果表明,修正后的扩孔模型在计算H型桩的超孔压和土体位移方面充分考虑到孔隙水压力沿深度线性变化的特点,结果更加接近实测数据。     

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.     

浅埋隧道渗流量及孔压分布规律——以富水地区为例

目的 分析不同渗流情况下隧道的渗流量及孔压分布规律,为进一步研究管片的内力和盾构隧道的长期固结沉降打下基础.方法 对于富水地区的浅埋盾构隧道采用等效渗流的处理方式,基于复变函数的映射变换,推导了稳定渗流情况下隧道的渗流量及隧道周围土体孔压的解析公式,并与国内外的研究成果对比,证明了推导公式的可行性.由于隧道渗流特性多样,以上海盾构隧道为工程实例,重点分析了土体与衬砌的相对渗透系数、隧道埋深与渗流量、孔压分布的关系.结果 处于不同土层中的渗流场相差很大;土体与衬砌的相对渗透系数对渗流量有重要的影响且对隧道周围的孔压分布起决定作用:土体与衬砌的相对渗透系数越大,孔压越接近静水压力,衬砌承担的水头就越大.结论 适合于深埋隧道渗流量公式并不一定适用于浅埋隧道;在渗流推导中若简化衬砌的阻水作用,则不能准确反映隧道周围的孔压分布.     

饱和紧密砂土在扩孔压力下超孔隙水压力估算

本文是文献［１］研究的继续。文中给出了饱和紧密砂土内球形孔扩张压力下超孔隙水压力及其分布的解答，据此可分析超孔隙水压力对该土类中静力触探或打（压）桩初期贯入阻力的影响。     

饱和黏土中静压桩桩周土体强度时效性分析

天然饱和黏土中静压桩在沉桩过程中对土体造成巨大的挤压,致使桩周土体产生较高的超孔隙水压力,沉桩结束后随着桩周土体的逐渐固结,土体强度表现出明显的时效性.为研究饱和黏土中静压桩沉桩后桩周土体强度的变化规律,基于K0-MCC模型并考虑了土体初始各向异性与诱发各向异性对桩周土体强度的影响,推导出柱孔不排水扩张后桩周土体应力及超孔压的解答,并根据轴对称固结理论推导了静压桩桩周孔压消散的理论解答.在此基础上,考虑桩周土体在固结过程中的松弛效应,对沉桩结束后桩周土体强度的时变效应进行了解析,并通过离心机模型试验验证了该解答的合理性.结果表明,该解答能够较为合理地预测沉桩结束后桩周土体强度与超孔压的变化规律,而土体超固结比、静止侧压力系数和土体有效内摩擦角等因素对桩周土体强度变化存在一定的影响.饱和黏土中静压桩的承载力具有时效性,静压桩周土体强度时变规律的解答能够为静压桩时变承载力的计算提供理论依据,具有重要的现实与科学意义.     

基于非线性渗流的大变形固结有限元分析

为了研究土体在非线性渗流下的固结效应,基于大变形固结理论,考虑非线性渗流(耦合非Darcy渗流与变渗透系数)作用,建立了二维固结控制方程与有限元方程。采用自编程序对某一黏性土体的固结过程进行了计算。通过大量变动参数的计算与分析,探讨了非Darcy渗流与渗透系数随固结变化的影响。计算结果表明:与Darcy渗流相比,非Darcy渗流下的沉降小,超孔压消散缓慢,具有延迟效应。其中,非Darcy渗流试验常数m影响较大,线性渗流起始水力梯度iL影响较小。渗透系数变化对固结的影响与非Darcy渗流相似,压缩指数与渗透系数指数比值αc的影响较大。在非Darcy渗流与渗透系数随固结变化的耦合作用下,沉降显著减小,超孔压消散趋于缓慢,延迟效应更为明显。     

饱和紧密砂土在扩孔压力下超孔隙水压力估算

本文是文献［１］研究的继续。文中给出了饱和紧密砂土内球形孔扩张压力下超孔隙水压力大小及其分布的解答，据此可分析赵孔隙水压力对该土类中静力项深或打（压）桩初期贯入阻力的影响。     

考虑土体结构性损伤的静压桩承载力及时效性研究

考虑静压桩沉桩施工引起的桩侧土体结构性损伤,对Tresca屈服准则进行修正,并利用球孔扩张理论,得到考虑深度效应的极限扩孔压力的理论解。根据静压桩桩侧土体超孔隙水压力消散规律,结合Henkel理论,建立了考虑桩侧土体结构性损伤和深度效应的超孔隙水压力消散公式,并进一步得到土体地基中静压桩承载力与时间关系的计算公式。将按本方法计算的理论值与其他方法的计算结果以及实测值进行对比,验证了本方法的可靠性。在此基础上,进一步研究结构损伤系数和复压间隔时间等因素对静压桩桩侧超孔隙水压力的影响。结果表明:复压间隔时间越短,离桩中心距离越近,静压桩桩侧土中超孔隙水压力的消散速度越快,静压桩承载力越高;当径向损伤系数β_1已知,相同埋深处超孔隙水压力随着深度损伤系数β_2的增大而降低,且桩侧土体深度越深,β_2取值大小对孔隙水压力的影响越明显,从而进一步说明同时考虑土体径向和深度方向结构性损伤的必要性。     

高速铁路无砟轨道路基翻浆模型试验

针对高速铁路无砟轨道出现的路基翻浆病害,构建了足尺的轨道路基翻浆模型试验系统,量测了路基翻浆发生过程中路基的含水率、基质吸力和超孔隙水压力,分析了高速列车动荷载作用下路基动水压力的变化规律,并探讨了高速铁路无砟轨道路基翻浆的机理和影响因素.结果表明:无砟轨道基床表层在雨水入渗条件下基本处于饱和状态,在列车动荷载的长期作用下,易发生翻浆病害;超孔隙水压力的显著增大导致路基发生翻浆,翻浆区域内超孔隙水压力的增量沿基床表层深度方向上保持不变;饱和状态下,底座板两侧路基的超孔隙水压力较路基中心线下更高,更易发生翻浆.降低路基含水率或孔隙水压力可有效地防止和抑制路基翻浆的发生.     

Behaviour of large post-liquefaction deformation in saturated sand-gravel composites

The laboratory tests on the post-liquefaction deformation of saturated sand-gravel composites were performed to investigate the characteristics of stress-strain relation and the dissipation of pore water pressure by the hollow cylinder apparatus. It is found that the stress-strain response and the dissipation process of pore water pressure are composed of three stages, including the low intensive strength stage, the superlinear strength recovery stage and the sublinear strength recovery stage, and the demarcation points of the curve of pore water pressure are lag behind those of the stress-strain response. The comparison results of the behaviour of large post-liquefaction deformation between saturated sand-gravel composites and Nanjing fine sand show that the low intensive strength stage and the superlinear strength recovery stage of saturated sand-gravel composites are shorter while the sublinear strength recovery stage is longer. A stress-strain model and a dissipation model of excess pore water pressure of liquefied sand-gravel composites are established, in which the initial confining pressure and the relative density can be considered synthetically. And it is found that the predicted results by the two models are in good agreement with experimental data.     

A relative permeability model for deformable soils and its impact on coupled unsaturated flow and elasto-plastic deformation processes.

Relative permeability is an indispensable property for characterizing the unsaturated flow and induced deformation in soils. The widely used Mualem model is inadequate for deformable soils because of its assumption of a rigid pore structure and the resultant unique dependence of the tortuosity factor on the volumetric water content. In this study, a unified relationship between the relative permeability and the effective degree of saturation was proposed for deformable soils by incorporating our newly developed water retention curve model into the original Mualem model, in which a new tortuosity factor was defined using the fractal dimension of flow paths and the mean radius of water-filled pores for representing the effect of pore structure variation. The modified deformation-dependent relative permeability model was verified using test data on five types of soils; the verification revealed a much better performance of the proposed model than the original model, which commonly overestimates the relative permeability of deformable soils. Finally, the proposed model was implemented in a coupled numerical model for examining the unsaturated flow and elastoplastic deformation processes in a soil slope induced by rain infiltration. The numerical results showed that the deformation-dependent nature of relative permeability has a remarkable effect on the elastoplastic deformation in the slope and that neglect of the deformation-dependent behavior of relative permeability causes overestimation of the depth of failure.     

透水管桩的群桩沉桩室内模型试验研究

本文基于室内模型试验,通过透水管桩和普通管桩沉桩模型试验对比,探究群桩情况下,透水管桩加速桩周土超静孔隙水压力消散的效果和规律。通过试验表明透水管桩更有利于桩周土超静孔压消散,其促进作用沿深度方向递增,沿水平方向递减。透水管桩阻碍了沉桩完成后桩周土超静孔隙水压力的上升,从超静孔隙水压力产生的角度出发,降低了桩周土超静孔隙水压力的峰值,控制了整个桩周土超静孔隙水压力的水平,有利于超静孔隙水压力后期的消散。表明沉桩施工中,透水管桩提高了施工进度,降低了对周围环境的影响。     

细粒含量对饱和砂土动孔压演化特性的影响

利用GDS循环三轴仪,对不同细粒含量砂土进行了不排水动三轴液化试验,并基于Seed孔压应力模型,研究了细粒含量对液化进程中动孔压演化特性的影响。研究结果表明：细粒含量对砂土孔压发展影响较大,其影响主要体现在孔压发展模式参数θ的不同。含细粒砂土中细粒含量与孔压参数θ的关系不是呈单调的线性关系。参数θ先随着细粒含量的增加而减小,并在细粒含量为30%时达到最小值,之后随着细粒含量的增加又逐渐增加,不同的是参数θ在细粒含量超过30%后,其增加的趋势相对平缓。通过对不同细粒含量砂土动孔压演化特性试验研究,更进一步证明了临界含量的存在,试验所用的含细粒砂土,临界细粒含量在30%左右。     

晋城无烟煤煤中CH4和CO2运移规律研究

基于三轴应力条件下,煤岩有效应力、吸附膨胀量和渗透率的一体测试,研究了晋城无烟煤吸附甲烷和二氧化碳后,渗透性随有效应力改变和煤岩吸附膨胀效应的变化规律.认为煤岩吸附膨胀量和孔隙压力的关系可用兰氏方程描述;煤岩渗透性同有效应力、吸附膨胀量均呈负指数函数关系,同时结果表明:甲烷和二氧化碳在晋城无烟煤中的扩散方式不同,煤岩对甲烷的吸附膨胀符合单孔气体扩散模型,而对二氧化碳的吸附膨胀符合双孔气体扩散模型,且甲烷的吸附膨胀速率小于二氧化碳的吸附膨胀速率;煤岩饱和吸附后,各孔隙压力条件下的初始渗透率与孔隙压力呈幂函数关系减小.针对晋城无烟煤,同等条件下煤岩吸附甲烷后的渗透率为吸附二氧化碳后渗透率的1.14～1.51倍,大部分在1.30倍左右.     

An improved apparent permeability model considering full pore pressure range,variable intrinsic permeability and slippage coefficient

Although the slippage effect has been extensively studied, most of the previous studies focused on the impact of the slippage effect on apparent permeability within a low pore pressure range, resulting in the inability of matching the evolution of permeability in the remaining pressure range. In this paper, a new apparent permeability model that reveals the evolution of permeability under the combined action of effective stress and slippage in the full pore pressure range was proposed. In this model, both intrinsic permeability and slippage coefficient are stress dependent. Three experimental tests with pore pressure lower than 2 MPa and a test with pore pressure at about 10 MPa using cores from the same origin under constant confining stress and constant effective stress are conducted. By comparing experimental data and another apparent permeability model, we proved the fidelity of our newly developed model. Furthermore, the contribution factor of the slippage effect R_slip is used to determine the low pore pressure limit with significant slippage effect. Our results show that both narrow initial pore size and high effective stress increase the critical pore pressure. Finally, the evolutions of the slippage coefficient and the intrinsic permeability under different boundary conditions were analyzed.     

考虑非线性流变的一维修正UH模型

考虑到饱和黏性土流变的非线性特点,假定次固结系数是时间对数的双曲线函数,提出一种修正的次固结计算式,并基于这种思想修正统一硬化(UH)本构模型. 为验证修正UH本构模型的有效性,以河南某地重塑黏性土为例,进行一维单面排水流变固结试验. 结果表明,在按Cassagrande方法确定的主固结完成时,土样中仍有一定的孔隙水压力有待消散. 应用修正UH本构模型对不同荷载等级下试验结果进行的模拟表明,该模型能够较好地拟合试验结果. 最后,为进一步验证修正UH模型的适用性,又对文献中的一些固结试验结果进行模拟.     

冲击作用下饱和土性状的试验研究

在三轴条件下,对饱和土(砂土和黏土)进行排水与不排水条件下的冲击试验及冲击后再固结试验,对比研究了不同渗透性土在不同排水条件下的冲击动力响应和冲击后再固结性状。结果表明:饱和黏土不排水冲击时的孔隙水压力随冲击击数增加而升高并逐渐稳定,排水冲击时的孔隙水压力则是先达到峰值然后有所下降; 砂土不排水冲击时的冲击能量对孔隙水压力影响最明显; 饱和砂土不排水冲击时的轴向应变与冲击击数呈近似线性关系,饱和黏土冲击及饱和砂土排水冲击则呈近二次曲线关系; 饱和砂土不排水冲击后再固结阶段的孔隙水压力立即消散为0,同时体变迅速增大到一定值; 饱和黏土在冲击后再固结阶段的孔隙水压力在一定时间内逐渐消散完毕,同时体变逐渐增大; 饱和黏土排水冲击时,冲击阶段产生的体变占冲击引起总体变的39%～49%,冲击后再固结阶段产生的体变占51%～61%; 砂土和黏土的总体变均表现为排水冲击明显大于不排水冲击,改善冲击时的排水条件有利于提高加固效果。