考虑渗透系数变化时土石坝的固结计算

在土石坝的固结过程中，渗透系数将随着固结的过程而减小，土的固结速度将减缓。固结时间将产长，因此，在土石坝的固结计算时应考虑渗透系数变化对固结过程的影响。文中提出一个渗透系数随团结度变化的计算公式，并据此导得单向排水固结的情况下，固结孔隙水压力的计算公式，计算简单，并具有一定的精度。     

土石坝固结计算中渗透系数的取值问题

土石坝坝体和坝基的固结速度及其稳定性，与坝体和坝基土的渗透系数的大小有密切关系。由试验资料的分析可知，在固结过程中土的渗透系数是变化的，其变化幅度可达两个数量级，因此在土石坝的固结计算中必须考虑渗透系数变化对固结的影响，通常的方法是取固结前后渗透系数的平均值作为渗透系数的计算值，也就是认为在土的固结中渗透系数是按直线变化的。但是由试验表明，在土的固结过程中渗透系数的变化并非是线性的，因此这种方法仍然存在较大的误差。较精确的计算方法应该是将固结的计算时间划分为几个时段，在每个时段内渗透系数为一常量，等于前一计算时段末的渗透系数。这种计算方法虽然具有较高的精度，但计算工作量也随之增大。为了使计算工作量不致增大，而同时又使计算结果具有足够的精度，本文提出等效渗透系数法。通过计算比较，按等效渗透系数法计算的结果与按精确方法计算的结果极其接近。     

土石坝固结计算中渗透系数的取值问题

土石坝坝体和坝基的固结速度及其稳定性，与坝体和坝基土的渗透系数的大小有密切关系。由试验资料的分析可知，在固结过程中土的渗透系数是变化的．其变化幅度可达两个数量级，因此在土石坝的固结计算中必须考虑渗透系数变化对固结的影响，通常的方法是取固结前后渗透系数的平均值作为渗透系数的计算值，也就是认为在土的固结中渗透系数是按直线变化的。但是由试验表明，在土的固结过程中渗透系数的变化并非是线性的，因此这种方法仍然存在较大的误差。较精确的计算方法应该是将固结的计算时间划分为几个时段，在每个时段内渗透系数为一常量，等于前一计算时段本的渗透系数。这种计算方法虽然具有较高的精度，但计算工作量也随之增大。为了使计算工作量不致增大，而同时又使计算结果具有足够的精度，本文提出等效渗透系数法。通过计算比较，按等效渗透系数法计算的结果与按精确方法计算的结果极其接近。     

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。     

考虑坝料初始压密特性的土石坝变形计算方法

在土石坝工程中，经高强度反复碾压后的筑坝土石料会达到非常密实的状态，从而表现出明显的超固结特性。在传统未考虑这种特性的土石坝应力变形计算分析中，通常会使低坝的变形计算结果偏大，高坝的变形计算结果偏小。通过设定初始屈服面或初始加载函数的方法，本文发展了一个可考虑坝料初始超固结特性的土石坝变形计算方法，分别结合沈珠江双曲服面模型和邓肯-张EB模型讨论了具体的实现方案。进行了不同坝高、考虑和不考虑坝料初始超固结特性的算例分析，结果表明，所提出的方法可有效解决土石坝变形“低坝算大，高坝算小”的现象。     

土石坝不均匀沉降计算

采用分期固结沉降的计算方法计算土石坝的不均匀沉降 ,可以更准确地反应土石坝坝体的沉降分布。     

轴对称柱坐标系下固结模型的建立及应用

为模拟井点抽水引起的圆形基坑内外土体位移和地下水位的变化,建立了轴对称柱坐标系下的饱和-非饱和土固结模型,不仅考虑了固结过程中地下水流动引起的饱和度和相对渗透系数的变化以及土骨架变形引起的孔隙率和饱和渗透系数的变化,还考虑了地下结构物的变形特性。基于上述模型,通过模拟圆形基坑抽水-水位恢复试验,研究地下连续墙对水头和土体位移的影响;另外,以上海世博500 k V地下输变电站基坑的抽水试验为例,模拟圆形基坑降水过程,将本模型的数值结果与其他计算结果对比,从而验证模型的准确性和实用性。     

考虑坝料初始压密特性的土石坝变形计算方法

在土石坝工程中,经高强度反复碾压后的筑坝土石料会达到非常密实的状态,从而表现出明显的超固结特性,未考虑这种特性的土石坝应力变形计算分析中,通常会使低坝的变形计算结果偏大,高坝的变形计算结果偏小。通过设定初始屈服面或初始加载函数,本文提出一种可考虑坝料初始超固结特性的土石坝变形计算方法,分别结合沈珠江双曲服面模型和邓肯-张EB模型讨论了具体的实现方案,进行了不同坝高、考虑和不考虑坝料初始超固结特性的算例分析,结果表明,所提出的方法可有效解决土石坝变形“低坝算大,高坝算小”的现象。     

土石坝分期固结沉降计算

根据土石坝各土层分期固结的特点 ,依据分层总和法和固结沉降的基本概念 ,提出了分期固结沉降的计算方法。该方法可模拟计算施工期内不同施工年度的沉降分布和竣工以后的沉降分布     

粘土心墙土石坝震后破坏机理的二维有限元分析

土石坝震后破坏机理研究是土石坝抗震研究中的关键问题之一.本文以新疆恰甫海粘土心墙土石坝为例,利用二维三角形常应变动力固结有限元程序,分析了地结束后粘土心墙土石坝坝体内部孔压场的时程变化规律及其对坝体稳定性的影.究表明,在粘土心墙土石坝震后固结过程中,受边界排水影响而产生的坝体内部压重分布以及孔压升高区域在坝体内部的迁移是导致粘土心墙土石坝发生震后坏的根本原因.本文研究结果可以为高地震烈度区粘土心墙土石坝坝体断面的合设计提供参考依据.     

一种修正的软土次固结计算公式

通过室内压缩试验研究了软土次固结系数与压力的关系,结果表明可以分别用幂函数和双曲线函数拟合超固结土和正常固结土的次固结系数-压力关系曲线。在试验研究的基础上,考虑压力大小影响和计算收敛特征,对常规次固结计算公式进行修正,提出了一种次固结计算修正公式。工程实例计算结果表明,修正公式能更好地反映软土的次固结特性,具有一定的工程应用价值。     

均质结构性软土地基的一维固结解析

在软土的结构性试验和工程实践基础上，提出了以结构屈服应力为分段点的Cv-p曲线和k-P曲线的两段式简化模型，建立了均质结构性软土地基的一维固结模型，并给出其分析解和考虑扰动影响的结构性软土地基一维固结计算公式，计算分析了土结构性及扰动对结构性软土地基固结性状的影响，算例表明随着孔隙水压力的消散，地基上部土体出现结构性破坏的固结压密且逐渐向深部发展，对下部土体的固结沉降发展产生较大阻碍作用，软土地基受到扰动会减缓地基沉降的发展，土结构性对地基固结性状影响明显，得到的结论可供工程参考。     

黏质粗颗粒土固结特性及对慢剪速率的影响

黏质粗颗粒土慢剪剪切速率与固结时间相关。为了探索不同固结压力下适用的剪切速率，对泥岩和黄土混合料进行大型压缩试验，以固结度达到90%所对应的时间t₉₀为基准，研究试样固结特性及剪切速率确定方法。试验结果表明：试样固结系数随固结压力增加呈先迅速减小后略有增加的趋势，拐点压力附近渗透系数已趋于稳定，而压缩系数变化显著。剪切速率与固结系数呈线性关系，固结压力小于1 000 kPa时，剪切速率应根据固结系数进行确定，固结压力大于1 000 kPa时，试验可按0.03 mm/min剪切速率进行。     

孔压参数在静力触探试验中的应用研究

孔压静力触探作为一种新型的静探技术,可以量测钻进过程中孔隙水压力的大小。基于目前先进的静探设备,根据孔压值对土性变化较敏感的特性,通过锥尖阻力、孔压值和孔压参数比3个指标综合划分了土的类别,结果与钻孔记录吻合良好。在不同深度处量测记录了土中孔隙水压力的消散过程,分析了砂性土和粘性土不同的消散特征。在消散试验的基础上,计算粘性土的固结系数和渗透系数,并与室内试验值进行了对比分析。     

坝前淤泥土固结-渗透耦合特性试验研究

为研究坝前淤泥土在不同荷载下固结-渗透耦合特性,对分别取自10、50、100 cm深度处的坝前淤泥土样进行固结-渗透耦合试验,研究其孔隙比、渗透系数随固结压力的变化规律以及不同深度处孔隙比与渗透系数之间的关系。结果表明:在同一荷载作用下,随着深度的增加,淤泥土样的变形量逐渐减小,当荷载达到800 kPa时,10 cm深度处的压缩变形量为5.32 mm,50 cm深度处的压缩变形量为4.92 mm,100 cm深度处的压缩变形量为4.54 mm;不同深度处的淤泥土孔隙比随着荷载的增大逐渐减小,e—lg p曲线均表现出直线状态,孔隙比与固结压力之间呈现明显的对数关系;不同深度处的淤泥土渗透系数均随着固结压力的增大而减小,后期降低较缓慢,呈现明显的非线性,且孔隙比与渗透系数关系密切,渗透系数随孔隙比的减小而逐渐减小,利用单指数衰减方程可以较好地表达淤泥土渗透系数与固结压力及孔隙比与渗透系数之间的关系。     

小浪底大坝心墙中高孔隙水压力的研究

土石坝的施工会在大坝心墙和地基中产生超静孔隙水压力。对于高土石坝,施工期心墙防渗体内产生的超静孔隙水压力难以有效消散,因此坝体内部可能会出现较高的孔隙水压力,这对大坝的稳定性和安全性将产生重要影响。黄河小浪底大坝坝高154m,是目前国内已建最高的心墙土石坝。本文利用基于Biot理论和剑桥模型的有限元固结程序对该大坝进行了二维平面应变固结分析,计算施工期及坝体竣工后心墙内的孔隙水压力。计算发现,坝体竣工时心墙中将出现较高的孔隙水压力,最大值为1250kPa,是上覆盖土重的62．5％,长期的观测资料也发现心墙内的孔隙水压力比较高。对比实测数据和有限元计算结果,发现小浪底心墙中出现最大的孔隙水压力可达1400kPa,而且实测消散速度要远小于有限元预测结果。这一结果充分说明高土石坝中可能产生较高的孔隙水压力,对此应予以足够的重视。     

土石坝心墙应力变化对渗透系数的影响研究

试验和现场监测均表明,土石坝心墙的渗透系数并非是一个常数,而是随着其应力状态和密度的变化呈一定的空间分布。一般而言,心墙土在填筑过程中渗透系数的空间变化因自重荷载大小而产生,密度大的下层土渗透系数小于上层土;不同应力状态下,渗透系数也有一定规律。根据某土石坝心墙土料的等向压缩试验确定心墙各高程处的实际密度,基于该土料在不同密度条件下的渗透系数试验成果,确定各高程处心墙的实际渗透系数。考虑上述土料渗透系数的空间变化后,开展心墙孔压、应力状态的有限元数值模拟。将该结果与常规心墙采用单一渗透系数的计算方法对比发现,考虑心墙渗透系数的空间分布,能够更合理地反映心墙的实际孔压分布和应力状态。     

双层超固结软黏土地基一维非线性固结分析

本文通过引入固结土层孔隙比与固结压力和渗透系数之间的非线性经验模型,建立双层超固结饱和软黏土地基非线性固结控制方程,并基于半解析法,编制了相应的计算程序。利用该程序,针对不同排水条件、变荷载、自重应力沿深度实际分布等条件分析双层超固结饱和软黏土地基一维非线性固结性状。计算结果表明,双层超固结软黏土地基比正常固结软黏土地基沉降小、固结发展快。荷载的大小、上下土层先期固结压力、土体压缩性和渗透性的变化等对双层地基的固结性状均有明显影响。     

排水板改善坝前淤泥层固结效果的数值模拟

以雅石沟水库除险加固为例,通过PLAXIS有限元软件模拟计算了单一堆载预压和堆载预压加竖向排水固结两种情况下坝前淤积体的固结速率,讨论了增设竖向排水板对坝基淤积土固结效果的贡献,并通过改变模型中土的渗透系数,探究了不同渗透系数下竖向排水对固结效果的影响。结果表明:1坝前淤泥面加坝过程中,淤积体内最大超静孔隙水压力出现在某一层加坝施工结束时,此时土体有效应力最小,稳定性最差;2布置竖向排水体对促进淤土坝基固结的效果较为显著,理想状况下可缩短约70%的工期;3土体渗透系数越小,布设塑料排水板对加快土体固结速率的贡献越大。     

渗透力作用下黏土的大应变固结理论与试验研究

针对黏土铺盖裂缝的淤填处理问题，对渗透力作用下淤填黏土的固结机理进行了阐述，推导出以超孔隙水压力为控制变量的大应变固结微分方程。在理论模型推导中，考虑了孔隙比与有效应力以及渗透系数与孔隙比之间的非线性关系。通过渗透诱发固结试验确定了微分方程中的待定参数。此类参数为随有效应力和土层深度变化的量，体现了软黏土初始孔隙比、压缩性、渗透性及其沿深度变化等因素的综合影响。应用数值方法求解微分方程，得到超孔隙水压力沿深度的分布规律以及固结度的时空变化。对某水库土坝水平铺盖裂缝处淤填黏土固结过程的数值计算结果通过室内模型试验得到了验证。