饱和土的变渗透系数固结理论及其合理性验证

饱和土体的固结过程伴随着土骨架的压缩和孔隙水的排出,其孔隙比及渗透系数随固结过程不断减小,但当前的Biot和Terzaghi固结理论均没有考虑固结过程中孔隙比及渗透系数的变化。这种处理方法对于压实土地基的固结过程来说,计算结果与实际相差甚微,但对于孔隙比很大的欠固结软黏土层、尾矿堆积层以及淤地坝库区的固结沉降来说,计算结果与实际过程的差异则会很大。首先建立土体固结过程中孔隙比与体应变的关系式,再利用渗透系数与孔隙比的关系式建立了渗透系数与体应变的关系式,最后利用弹性力学的几何方程得到渗透系数与单元位移的关系式。将这一关系式代入Biot固结理论,即得到变渗透系数固结理论,并在COMSOL中实现了求解计算。理论分析和数值计算表明：变渗透系数固结理论能够反应固结过程中因孔隙比减小造成的孔压消散缓慢、沉降速率降低的客观现象;土体初始孔隙比越大,体应变越大时,修正的渗透系数对固结过程的影响越大;渗透系数的减小只影响固结过程,不影响固结计算的最终结果。     

沧州市地下水开采与地面沉降地裂缝模拟预测

为进一步提高地下水开采诱发地面变形模拟的准确性,以比奥固结理论为基础,结合土体非线性流变理论,将比奥固结理论中的本构关系推广到黏弹塑性,并考虑孔隙度、渗透系数、土体的变形参数随有效应力的动态变化关系,建立了地下水开采与地面沉降三维全耦合数学模型,并应用伽辽金有限单元法对模型进行求解,模拟了河北省沧州市地下水开采引起的地下水渗流场、地面沉降、地裂缝发生发展趋势。结果表明:抽水引起地下水位降落漏斗和地面沉降的同时,将导致土体发生总体指向地下水位降落漏斗中心的水平位移,水平位移较大的地区集中分布在地面沉降漏斗的边缘,是地裂缝的高发区。     

干湿循环作用下原状黄土渗透性及其对土-水特征曲线的影响

为评估干湿循环作用对原状黄土水力特性的劣化效应,对甘肃Q₃黄土进行了4组不同干湿循环路径下的饱和渗透试验与土-水特征测试,分析土体饱和渗透系数和土-水特征曲线随干湿循环次数、循环幅度和下限含水率的变化规律。结果表明：原状黄土饱和渗透系数劣化度与干湿循环次数间关系可采用双曲线函数进行描述,6次循环后劣化度变化趋于稳定;土体饱和渗透系数劣化度随循环幅度增大而线性增大,随下限含水率增大而线性减小。V-G模型对干湿循环下黄土的土-水特征曲线拟合效果良好,模型参数θ_s、α、n变化幅度较小,而参数θ_r随循环次数增加呈指数下降趋势。依据试验结果建立了考虑干湿循环3参数的饱和渗透系数劣化模型与土-水特征曲线模型,并对土体非饱和渗透系数进行了预测分析。     

基于HSS模型与MCC模型的深基坑降水开挖变形分析

在施工过程中基础、隧道和基坑周围土体除少数区域发生明显塑性变形外,其他大部分区域土体均处于小应变状态(10-2%~10-1%)。本文采用PLAXIS和ABAQUS有限元软件,土体本构模型分别采用HS-Small模型和MCC模型,模拟基坑降水开挖,对基坑变形结果进行对比分析。结果表明,修正剑桥模型由于未能考虑土体小应变特性,基坑位移变形模拟结果相对HS-Small模型偏大,弯矩模拟结果偏小。在进行敏感环境下的基坑降水开挖问题的数值模拟时,应采用能考虑土体小应变特性的本构模型,如HSS模型。     

沧州市地下水开采与地面沉降地裂缝模拟预测

为进一步提高地下水开采诱发地面变形模拟的准确性，以比奥固结理论为基础，结合土体非线性流变理论，将比奥固结理论中的本构关系推广到黏弹塑性，并考虑孔隙度、渗透系数、土体的变形参数随有效应力的动态变化关系，建立了地下水开采与地面沉降三维全耦合数学模型，并应用伽辽金有限单元法对模型进行求解，模拟预测了河北省沧州市地下水开采引起的地下水渗流场、地面沉降、地裂缝发生发展趋势。结果表明：抽水引起地下水位降落漏斗和地面沉降的同时，将导致土体发生总体指向地下水位降落漏斗中心的水平位移，水平位移较大的地区集中分布在地面沉降漏斗的边缘，是地裂缝的高发区。     

深大坑中坑基坑围护结构离心模型试验研究

圆形地下连续墙作为一种受力合理的围护结构,由于空间"拱效应"的存在,作用在拱圈上的土压力主要在地下连续墙内自身平衡,地下连续墙的水平位移相对较小。基于某深大圆形基坑工程实际,采用离心模拟技术研究基坑开挖过程中基坑围护结构的水平位移和弯矩分布规律。分析表明,基坑地下连续墙最大水平位移为11.6mm,位于上部基坑的中下部,并且随着开挖深度增大,墙体位移逐渐增大且最大位移点不断下移。研究成果可为圆形基坑开挖和支护过程中围护结构的变形规律分析提供参考。     

考虑渗流影响的基坑变形规律与稳定性研究

以湖南常德沅江隧道明挖基坑工程为依托,基于流固耦合数值模拟方法研究土体渗透系数对基坑变形与稳定性的影响规律。结果表明:基坑在考虑渗流作用的数值计算结果与实际的监测变形值基本吻合,随着强渗透地层渗透系数的增大,基坑变形呈增大趋势,基坑底板安全系数呈十分明显的下降趋势,且渗透系数的改变对基坑底板隆起的影响较大,对墙后地表沉降和地连墙水平位移的影响较小;进一步对比分析了考虑与不考虑渗流作用的基坑底板安全系数变化规律,在此基础上建立了考虑渗流作用的安全系数经验公式。     

ＨＳ模型在基坑工程数值模拟中的适用性分析

在基坑开挖数值模拟计算中选择合适的土体本构模型非常重要。土体硬化模型（ＨＳ模型）凭借 其考虑土体剪胀性与基坑开挖过程中土体的加卸载特性等优点,在基坑工程数值分析中得到广泛的应 用。结合参考算例,通过ＰＬＡＸＩＳ2Ｄ数值模拟软件模拟了基坑开挖的过程,其中土体本构模型分别采用 土体硬化模型和摩尔－库仑模型来进行计算分析。结果表明:ＭＣ模型未考虑土体加卸载特性,模拟出 土体的地表沉降和地下连续墙的弯矩偏小,而地下连续墙体水平位移偏大;而ＨＳ模型考虑土体加卸载 特性,模拟得到的地表沉降,地下连续墙的弯矩和水平位移均较为合理。所以在基坑开挖,尤其是在敏 感环境下进行开挖时,数值模拟计算中建议采用土体硬化模型。     

上跨地铁基坑开挖对区间隧道变形影响的 监测与数值分析

以厦门第二西通道Ａ３标段上跨地铁一号线明挖基坑工程为背景，研究基坑开挖过程对地铁区间隧道变形的影响。依据监测数据对不同开挖工序下的隧道结构的竖向位移和水平相对收敛进行分析，建立基坑支护体系与土体的三维有限元模型，并将结构竖向位移的模拟结果同监测数据进行了对比。分析结果表明，地铁区间隧道与基坑中央的距离与其隆起量成负相关，开挖土体与区间隧道的距离与其隆起量成负相关，开挖底层土所引起的相对收敛量大于其余工况，结构的相对收敛变化速率和开挖土体与隧道距离成正相关，模拟结果与监测数据略有差异，但两者变形规律基本一致。     

特殊应力路径下软黏土变形与强度特性试验研究

通过进行软黏土的常规三轴固结排水试验、K0固结轴向加载排水剪切试验及K0固结侧向卸荷排水剪切试验,模拟基坑侧壁土体的实际应力路径,对比分析3种不同应力路径下土体的变形和强度特性。分析结果表明：① 在3种试验应力路径下,软黏土土样破坏时的主应力差值随着固结围压的增加而增加,均呈近似线性变化;② 侧向卸荷应力路径下,软黏土的变形和强度特性较之常规三轴试验结果均有较大差异;③ 相对于各向等压固结,K0固结条件下土体的凝聚力减小,内摩擦角增大。研究结论为基坑设计时采用反映土体实际应力路径的力学参数提供了理论依据。     

粗颗粒土渗透系数及土体渗透变形仪的研制

针对目前还没有合适的室内试验仪器测试巨粒混合土的渗透系数和巨粒混合土发生渗透破坏时的临界水力梯度的现状,研制了粗颗粒土渗透系数及土体渗透变形测试仪。该仪器最大的特点是根据巨粒混合土中含有细粒土致使土体难以饱和的特点,在仪器上设置了密封抽气饱和装置,可以对土样进行抽气饱和。结合工程实践对不同级配的土体进行了渗透及渗透变形试验,试验测得的土体渗透系数和临界水力梯度与理论计算的结果非常接近,部分试验成果已应用于工程实践。     

武汉老黏性土小应变硬化模型参数的试验研究

随着城市建设的迅速发展,基坑环境对变形要求越来越严格。小应变土体硬化模型（ＨＳＳｍａｌｌ） 能考虑在小应变条件下土体刚度呈非线性变化的特征,逐渐成为城市深基坑数值模拟常用的本构 模型之一。推广应用该模型的关键是如何确定不同土体的模型参数。针对武汉地区天然老黏性土,利 用高压固结仪和ＧＣＴＳ动三轴仪进行了固结试验、三轴剪切试验和小幅值动三轴试验研究,分别获得了 压缩指标、强度参数和小应变刚度。在此基础上,应用ＰＬＡＸＩＳ软件模拟了三轴固结不排水剪切试验,通 过与实测曲线对比进一步修正了ＨＳ－Ｓｍａｌｌ模型参数。结果表明,ＨＳ－Ｓｍａｌｌ模型可以较好模拟天然老 黏性土峰前应力应变关系,采用低幅值动三轴试验获得小应变刚度是一种值得推广的实用方法。     

饱和半空间圆形衬砌对稳态剪切波的散射

根据饱和土中Biot波动理论,采用复变函数和多级坐标的方法对半无限饱和土中稳态剪切SV波对地下圆形衬砌周围的散射和动应力集中的问题进行了研究,分析计算了动应力集中系数在随土体孔隙率、渗透系数以及弹性衬砌厚度的变化时在衬砌周边分布情况,为研究半空间饱和土中衬砌结构对稳态剪切波的动力响应提供了一种有效的解析方法。研究结果表明在稳态剪切波作用下,半空间饱和土中圆形衬砌周边的动应力集中系数分布随土体孔隙率的增加有增大的趋势,而渗透系数变化的影响很小,增加弹性衬砌厚度有利于减少动应力集中效应,计算结果对工程实践具有一定的参考意义。     

土钉墙支护基坑对邻近地下管线的影响

为了研究基坑开挖支护过程对邻近地下管线的影响,在分析土钉墙、管线与土的相互作用以及 基坑开挖的数值模拟方法的基础上,建立了三维非线性有限元模型,比较分析了不同的管线与基坑距 离、管线埋深、土钉长度、土钉间距和管线周围土体性质下,地下管线位移的分布与变化规律。结果表 明:在基坑拐角以外１０ｍ～２０ｍ范围内会出现远离基坑向水平位移,此处水平向曲率变化最大;粉土下 水平位移约为砾质黏土下水平位移的４～５倍;随着管线埋深的增大,竖向位移减小,而水平位移增大, 在坑底达到最大值;在坑底位置,粉土水平位移约为砾质黏土的１０倍;竖向位移最大时,粉土约为砾质 黏土的７倍。     

饱和细粒土固结过程中微观结构研究

饱和细粒土物质组成复杂且结构尺度跨度大,受压后微观结构的变化可反映宏观力学行为。借助室内试验（压汞试验、计算机断层扫描技术）及数值模拟方法（数据约束模型）,建立饱和细粒土微观结构三维模型,实现土体物质组分和尺度的初步概化与分类。并尝试从微观结构和微宏观定量联系方面解释固结压力对饱和细粒土微观结构的影响,从而探讨饱和细粒土固结时的微宏观特征,确定固结压力过渡值。目前微纳米级小尺度团聚体的定量信息无法采用其他方法获取,但采用数据约束模型分析方法可以揭示孔隙和矿物团聚体的大小和数量随压力变化的敏感性。固结压力中400 kPa是压力过渡值,显示土体固结过程中孔隙收缩速度变慢,矿物团聚速度显著增加。饱和细粒土承受大于400 kPa以上的压力后,孔隙和矿物连通体的多尺度组合特征变得稳定。结合土体压缩变形特征,推测饱和细粒土蠕变界限在400 kPa左右,对应着土体结构破坏的临界压力。所采用的数据约束模型方法在突破微米级尺度后可实现微纳米尺度分析,可供其他工程材料研究参考。     

深基坑降水与地面沉降变形三维全耦合模型及其数值模拟

针对第四纪松散沉积层地区深基坑降水引起的地面沉降问题，以比奥固结理论为基础，并将其推广应用于非线性问题。考虑到土的渗透性随应力状态的动态变化，将地下水渗流场和土体应力场相耦合，建立水土全耦合模型，并以上海市环球金融中心深基坑降水为例，采用三维有限元数值分析方法，详细模拟分析了降水引起的基坑内外地下水位和地面沉降变形的变化特征，据此获得的基坑中心水位降至-22m时基坑周围的地下水位与地面沉降变形量，经后续工程验证正确、可靠，该模型具有重要的工程实用价值。     

基于微观孔隙通道的饱和/非饱和土渗透系数模型及其应用

从微观角度揭示土体变形对饱和/非饱和渗透系数的影响机理,建立相应的预测方法,对于饱和/非饱和土的渗流分析及水力耦合研究具有重要的科学意义。利用流体力学理论,建立了微观孔隙通道渗透系数与等效孔径的关系,在此基础之上,结合毛细理论建立了饱和/非饱和渗透系数与土-水特征曲线的关系模型,并利用已有试验数据验证了模型的合理性。结合该模型与变形条件下土-水特征曲线预测方法,对变形条件下武汉黏性土饱和/非饱和渗透系数进行预测,结果表明黏性土在压缩变形条件下:饱和渗透系数呈数量级的减小,预测值与实测值均吻合较好;双对数坐标下,非饱和相对渗透系数在进气值之后随基质吸力增加而减小,不同初始孔隙比条件下其斜率近似不变,整体呈现"毛刷型"分布,相同基质吸力条件下,初始孔隙比越小,相对渗透系数越大;非饱和渗透系数,进气值之前近似为饱和渗透系数,进气值之后随基质吸力增大而减小,不同初始孔隙比的变化线近似重合。     

降雨作用下非饱和土边坡水力耦合过程分析

基于渗流理论、弹性理论及VG土-水特征曲线模型,建立了二维非饱和土渗流-变形耦合控制方程组。该控制方程突破了饱和时渗透系数是常数的局限,适用于任意初始条件和降雨条件的土坡稳定性分析。有限元软件COMSOL Multiphysics能根据已建好的非饱和土坡渗流-变形耦合模型开展分析。通过算例分析了非饱和土降雨入渗过程中渗流-变形的耦合效应,并探讨了考虑饱和渗透系数为变量情况以及不同的初始条件对渗流场和应力场的影响。结果表明:在非饱和土坡降雨入渗过程中渗流-变形的耦合效应是非常显著的,且与时间有关。对于湿陷性土,考虑耦合效应的压力水头变化总是慢于非耦合情况。饱和状态时渗透系数是应变的函数,其值的变化对非饱和土边坡渗流场有一定的影响,但对非饱和土边坡变形影响微弱。初始条件对渗流和变形的影响是非常大的。     

干湿循环下膨胀土边坡变形发展过程的数值模拟

利用非饱和土简化固结理论,通过调整土体的排气率和渗透系数来数值模拟干湿循环导致的非饱和膨胀土边坡裂缝的张开闭合以及变形发展过程。结果表明,每次干湿循环后膨胀土边坡均积累了顺坡向的沉降和水平向位移,揭示了干湿循环下膨胀土边坡破坏的浅层性和渐进性。对比离心模型试验结果表明,本文建议的数值模拟方法是可行的。     

基坑开挖位移及土体水平抗力比例系数的反分析

基坑设计土体参数的正确选取直接影响支护结构的位移和内力计算结果,特别是土体水平抗力比例系数m值对支护结构位移的影响最为显著。结合基坑开挖工程实例,通过材料性状与基坑开挖施工过程的平面有限差分法模拟,模拟计算基坑分布开挖过程结构的水平位移;通过分析诸多土体参数对基坑支护结构水平位移的影响程度,确定杨氏模量作为位移反分析所需获取的参数,构建实测位移与模拟计算位移之间的目标函数,反分析给出各层土的杨氏模量;基于弹性地基梁法推导的m值与杨氏模量的关系,给出反映实际侧向变形特性各层土的m值。研究结果为基坑工程设计参数的合理确定提供了一定理论参考依据,对有效控制基坑位移与变形具有重要的实践意义。