水位下降诱发含水层–弱透水层1维黏弹性固结分析

弱透水层黏性土与含水层砂土的蠕变性是造成地面沉降长期发展的重要原因之一。基于广义开尔文黏弹性模型,结合一维固结理论和连续性条件,得到了水位变化下弱透水层-含水层长期变形控制方程和定解条件。利用Laplace变换,基于矩阵传递法和边界转换法,分别推导了双层土体各位置的水头时间关系式,给出了水位变化引起的土体孔压、沉降和固结度发展的计算公式。采用了Stehfest方法实现数值逆变换,编写计算程序,验证了两种求解方法的正确性,并进一步分析了矩阵传递法和边界转换法在计算精度和效率方面的差别。最后,通过数值算例,探讨了土体的黏滞性、渗透性、土层性质的差异以及水头下降速率对水位变化引起土层变形的影响。     

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,土体非线性压缩、渗透特性对固结变形的影响也较为明显.故抽降水引发的弱透水层的固结模型中有必要考虑土体的非线性固结特性,但考虑非线性固结特性后弱透水层固结模型的解析求解存在着困难.本文在分析现有非线性固结模型的基础上,获得了弱透水层非线性固结的近似解析解.具体过程为:引入...     

任意荷载下连续排水边界分数阶黏弹性地基一维固结模型

以基于Caputo分数阶导数的弹壶元件修正Kelvin模型来描述饱和土体一维固结的力学行为,并引入连续排水边界条件,通过Laplace变换,联立求解得到任意荷载下连续排水边界分数阶黏弹性地基有效应力及固结沉降的解析解。采用Laplace逆变换,获得了其时域内的理论解,并分析了梯形循环荷载及施工荷载作用下相关参数对固结沉降的影响。研究结果表明：循环荷载作用下,黏土地基的沉降变化呈振荡增长,且振荡幅值随着边界透水性的增大而增大;分数阶次α增大,使固结前期沉降速率减慢,而在固结后期,α值对沉降的影响正好相反;循环荷载下沉降变化曲线的振荡幅值随着分数阶次α的增大而减小。此外,一维固结沉降的发展还与土体力学参数及荷载参数相关,弹性模量E越大,最终沉降量越小;黏弹性体的延迟时间F越大,固结沉降变化越慢。     

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.     

堆载-电渗联合作用下双层地基一维固结解析解

实际地基处理中,电渗与堆载预压常常联合使用。然而目前综合考虑堆载和电渗作用的成层地基固结解答较为鲜见。针对现有理论的不足,基于Zhao提出的双层地基中水力渗透系数与电渗渗透系数的关系假定,建立考虑堆载和电渗联合作用的双层地基一维固结方程。利用特征函数法获得瞬时堆载和线性堆载下双层地基一维电渗固结解析解。通过与现有解析解和电渗固结试验结果对比,验证了本文解答的可靠性。基于该解答,详细讨论了土层参数及荷载参数对双层地基固结特性的影响。结果表明：当下层土的渗透性高于上层土的渗透性时,由于电渗作用导致地基中间土层在固结初期流入的水量大于流出的水量,造成超静孔隙水压力在固结初期上升及有效应力在固结初期下降的现象;降低下层土的压缩性能够提高双层地基的沉降速率和超静孔隙水压力消散速率;与单纯电渗固结相比,电渗联合堆载作用不仅能提高地基沉降速率,还能提高固结后的地基强度,更有利于减小工后沉降和加快地基处理速率。     

变荷载下半透水边界成层黏弹性地基的一维固结分析

基于Kelvin黏弹性地基模型，研究了半透水边界饱和成层黏弹性地基在循环荷载作用下的一
维固结问题。利用Laplace变换，得到了问题在变换域内的通解。通过数值Laplace逆变换，获得了黏弹性
成层饱水地基在变荷载下的有效应力及固结曲线图。结果表明，在变荷载下黏弹性地基的固结速率慢于弹
性地基，其有效应力呈振荡增长；地基的上部垫层和下卧土层的透水性能对固结速率具有较大的影响。     

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。     

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。     

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。     

堆载–电渗联合作用下双层地基1维固结解析解

实际地基处理中,电渗与堆载预压常常联合使用。为了解决目前综合考虑堆载和电渗作用的成层地基固结解答理论的不足,假定土体中的渗透流速可由水力坡降引起的渗透流速与电势差引起渗透流速的进行叠加,建立考虑堆载和电渗联合作用的双层地基1维固结方程;利用特征函数法获得瞬时堆载和线性堆载下双层地基1维电渗固结解析解;通过与现有解析解和电渗固结试验结果对比,验证了本文解答的可靠性。基于该解答,详细讨论了土层参数及荷载参数对双层地基固结特性的影响。结果表明：当下层土的渗透性高于上层土的渗透性时,由于电渗作用导致地基中间土层在固结初期流入的水量大于流出的水量,造成超静孔隙水压力在固结初期上升及有效应力在固结初期下降的现象;降低下层土的压缩性能够提高双层地基的沉降速率和超静孔隙水压力消散速率;与单纯电渗固结相比,电渗联合堆载作用不仅能提高地基沉降速率,还能提高固结后的地基强度,更有利于减小工后沉降和加快地基处理速率。     

强夯作用下成层地基的一维固结研究

在对强夯作用分析的基础上，建立了双层地基在强夯荷载下的一维固结方程；利用Laplace变换给出了土层内有效应力的解析解，提出了土层固结变形量的计算方法。由所推导出的公式可以看出，有效应力和固结变形量与土层的性质有很大的关联，说明考虑实际地基的分层是必要的。同时，也揭示了强夯法加固成层地基的机理。     

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.     

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。     

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.     

上海某地铁站试降水对周边环境的影响分析

通过上海某地铁站的降水试验(明珠3号线高架轻轨距车站端头井基坑的距离只有11 m,对沉降变形的要求为7 mm),研究了第⑦2层承压水层渗透性能、抽水后降水漏斗的形状分布以及降水对地面沉降影响的敏感性;分析了第⑤3-2层作为弱透水层在降水时,因下覆地层水压下降,引起第⑤3-2层孔隙水流失造成土体产生相对较大的固结沉降原因;在详细分析了降水井水位和流量、孔隙水压力、分层沉降量、地表沉降量等各种监测数据的基础上,得到了降水时地面沉降与明珠3号线高架轻轨双柱桥墩基础变形的内在关系.     

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.     

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。     

流固耦合的多元结构深厚覆盖层透水地基的力学特性

深厚覆盖层多元结构坝基在渗流过程中各土层力学差异明显,分析时关注的具体问题也不尽相同,需要深入研究。基于比奥固结理论,考虑土体的非线性流变以及土体固结变形过程中孔隙度、渗透系数、弹性模量及泊松比的变化;借助ADINA流固耦合模块来模拟西藏达嘎水电站坝基渗流场与应力场耦合过程,分析各层力学特性及相互作用。研究表明,透水性较强的表层土体是渗流主要通道,也是渗流进出区和沉降变形体现区,应在上游采取措施提高其压缩模量,下游区域增设反滤层和排水设施;坝基中的粉细砂层是坝基沉降的主要原因,对坝基沉降起主导作用,同时应注意其液化特性对坝基的不利影响;坝基中的承压含水土层对下游上部结构产生向上顶托力,若位置较深,则破坏性较小;坝基深部土层对整个坝基的渗流破坏影响较小,但对沉降和渗流量的影响不可忽视;表层砂卵砾石层和粉细砂层的渗透系数相差较小时,土层间不会发生接触冲刷。此外,还发现坝基孔隙水压力在快速衰减阶段被消散,期间土体固结较快。垂直防渗墙能有效降低渗透坡降和渗流量,将坝基沉降变形控制在防渗墙上游区域,但上游坝基变形对防渗墙产生较大的水平推力,应加大防渗墙尺寸或者采用辅助渗控措施。     

补给边界群孔放水试验的含水层参数计算

针对稳定流"大井"法或者直接利用Theis公式求解含水层水文地质参数时,未考虑边界条件、放水孔流量变化及放水孔间相互影响的情况,在Theis公式和阶梯流量理论的基础上,根据叠加原理和镜像原理,提出了补给边界条件下群孔阶梯流量放水试验的承压含水层渗透系数计算公式,并在桃园煤矿北八采区放水试验中进行了应用.利用所提公式计算的太原组灰岩含水层渗透系数平均值为1.68m/d,并用所求渗透系数对各观测孔的水位稳定降深进行了计算.结果表明:各观测孔水位降深计算值与实测值基本一致,误差率在0.07%~1.50%之间,验证了公式的可行性.