基于连续排水边界条件的砂井地基固结解析解

为弥补瞬时恒定荷载下传统砂井固结理论中边界条件存在的缺陷,首先,通过引入连续排水边界条件,采用特征函数法对砂井地基3维固结方程进行解答,得到考虑涂抹及井阻效应的解析解。然后,通过对解析解的退化,与既有的研究结果对比,验证所得解的正确性。最后,根据所得解析解对砂井地基在连续排水边界条件下的超孔隙水压力及平均固结度进行分析。分析结果表明:连续排水边界条件可以通过改变界面参数b值的大小,实现从完全不排水到完全排水整个过程的表达,从而对传统砂井固结理论进行补充。在超孔隙水压力方面,随着b值的减小,地基表面排水能力降低,在地基顶面处,也逐渐出现一定的超孔隙水压力,且b越小,顶面处的超孔隙水压力越大;在同一水平面处,距离砂井越远,孔压越大。在固结度方面,随着b的减小,地基平均固结度显著降低,故传统固结理论中的顶面完全排水条件,可能会高估地基的实际固结速度。涂抹区以及砂井中渗透系数的降低均会显著降低地基固结速度,所以,施工中应减小对井壁土体的扰动,增加竖井的渗流能力,以减弱涂抹和井阻效应。尽管砂井地基以径向渗流为主,但竖向渗流对地基的固结也有较大影响,忽略其作用可能会导致地基的固结沉降预测速度被低估。     

考虑涂抹区渗透系数变化的砂井地基固结解

针对砂井打设对井周土产生的不同程度扰动,推导基于等应变假设的考虑水平渗透系数沿径向变化的固结控制方程,得到一般解.根据实际工程中可能出现的情况建立5种渗透系数变化模式,在一般解的基础上得到了相应固结解,在现有等应变条件下的砂井地基固结解是本文解特例.计算分析表明,涂抹区渗透系数变化及具体变化模式对砂井地基固结性状均有重要的影响,在相同的可比条件下,模式2对应的固结最快,模式4对应的固结最慢.     

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。     

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.     

变荷载下基于指数渗流一维固结半解析解

考虑实际工程中的变荷载,对基于指数形式渗流定律的一维固结问题进行计算分析.通过采用数值离散与成层地基线性固结解析解相结合的半解析方法得到一系列的固结曲线.分析仅在某一参数发生变化时的一维固结性状.结果表明：固结速率在固结初期随渗流指数的增加而增加,在固结后期随渗流指数的增加而减少;当指数<1时,作用在地基上的荷载越大则固结速率越小;当指数>1时,荷载越大固结速率越大;无论渗流指数为何值,在相同的固结时间下,地基平均固结度都会随着地基土层厚度的增加而减小;固结速率随着加荷速率的增加而变快.     

井阻对砂井地基固结作用的影响

针对不同渗透系数、不同深度及不同半径砂井的地基,分别进行了砂井地基有限元固结计算,将考虑井阻作用的砂井地基固结有限元模拟结果与巴隆理想井固结解进行对比,分析井阻作用对砂井地基固结的影响程度,论证了砂井或排水板地基设计时适当考虑井阻或排水能力的必要性。研究表明:(1)砂井的渗透系数越小,相同时间条件下砂井地基所达到的平均固结度越小;同样,相同固结度条件下所需的固结时间越长,即井阻作用越明显;砂井处理的土层深度越大,井阻作用的影响也更为显著;(2)井阻作用对地基固结度及固结时间的影响不可忽视,在有限元模拟参数条件下,对应相同固结时间,当理想井固结度达到80%时,考虑井阻情况的固结度为13%～67%,相对于理想井固结度的相对误差16%～83%;对应相同固结度,当固结度达到80%时,考虑井阻情况相对于理想井的固结时间相对误差均大于50%。     

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。     

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.     

考虑自重影响的饱和土体一维复杂非线性固结研究

根据宁波软土室内压缩试验数据,得到渗透系数及有效应力与孔隙比的非线性关系.考虑土体自重影响,采用以孔隙比为控制变量的一维大变形固结方程,应用偏微分有限元软件FLEXPDE,研究了不同压缩指数与渗透指数比值下土体有效应力和超静孔压在固结过程中沿深度的分布规律.试验结果和数值分析表明：考虑土体复杂非线性相对于假定固结系数及其他参数在固结过程中保持不变,计算结果更符合实际.在压缩指数与渗透指数比值不等于1的情况下,两种方法计算结果差别明显.为了真实反映土体固结过程中有效应力和超静孔压的分布,应考虑土体渗透性及压缩性的非线性变化.     

特殊条件下考虑起始比降的一维固结解析解

针对考虑起始比降的一维固结问题,假定初始孔压降不小于起始比降,分析了考虑起始比降后土体的一维固结特性.采用分离变量法,获得了该条件下考虑起始比降的一维固结精确解并对其进行分析.结果表明：由于起始比降的存在,固结结束时,土中的孔隙水压力不会完全消散,考虑起始比降后,均质地基平均固结度按沉降定义和按平均孔压定义是不同的.起始比降越大,按孔压定义的地基平均固结度越小,当初始孔压呈梯形分布时,按沉降定义的地基平均固结度越大;当初始孔压呈正三角形分布时,按沉降定义的地基平均固结度并不会随着起始比降变化.初始孔压降越小,无论是按沉降定义还是按孔压定义,平均固结度都越大.