吹填软土一维大变形自重固结的有限差分数值解

吹填软土发生自重固结的物理本质在于超孔隙水压力的消散与有效应力的增长,以往有关土体大变形自重固结问题的求解方法多基于Gibson大变形固结理论,未从物理本质上反映土体的固结过程。文章基于Gibson大变形固结理论的有关假定,推导建立以超孔隙水压力为变量的一维大变形自重固结控制方程,该方程的形式简单,系数的物理意义明确。结合吹填软土自重固结的边界条件及初始条件,采用修正隐式差分格式的有限差分法求解得到方程的有限差分数值解,该数值解能够求解任意e-σ′和e-k函数关系下吹填软土的自重固结过程。通过与Lee和Sills求得的解析解及SWC模型解对比,从超孔隙水压力、孔隙比及沉降3个方面对数值解的正确性进行验证。利用文章所提方法分析初始厚度、初始孔隙比及土粒比重对自重固结性状的影响。分析表明,土体自重固结过程中的沉降固结度始终大于孔压固结度,初始厚度对孔压固结度的影响更大,初始孔隙比及土粒比重对沉降固结度的影响更大。     

固结系数的最小二乘法计算

室内固结试验确定固结系数常用的是时间对数法和平方根法,这两种方法仅利用了试样固结试验中沉降量与时间关系曲线的初始值,利用的数据较少,无法反映固结的全过程。同时由于作图法受到的人为因素影响较大,难以准确确定固结系数,本文采用工程上通用的最小二乘法,通过公式推导,编程得到了固结系数的求解过程,通过计算机运算,从而避免了人为因素的影响,同时也得到了固结的初值和终值。     

泥炭土的固结特性试验研究

沉降量大且沉降持续时间长是修建在泥炭土地基上的工程所面临的主要问题,而目前国内外学者对泥炭土固结特性的研究结果不尽一致。鉴于此,本文以云南某高速公路泥炭土路段为依托,参照一般土体的室内土工试验方法,对不同有机质含量的泥炭土进行了基本性质试验和一维蠕变试验。结果表明:有机质含量越高,泥炭土的次固结变形量越大。强泥炭质土和泥炭在不同压力下主固结完成时间较短,且基本不受固结压力的影响,这与淤泥质土的相应规律有较大差别。此外,先期固结压力对强泥炭质土和泥炭的次固结沉降速率有很大的影响,而且当荷载大于先期固结压力时,按照一般土体的试验方法进行一维固结试验所得强泥炭质土、泥炭的e-lgt曲线未出现反弯点。弱泥炭质土可参照一般软粘土的方法用e-lgt曲线确定次固结系数,其次固结系数随压力的变化规律与一般软土的变化规律一致,即次固结系数随固结压力先增大后减小。     

一维固结理论中固结系数的试验分析

利用长安大学改装的K0固结仪,对原状土样与重塑土样进行了固结渗透试验,根据试验所得到的数据,分别对2种土体的变形与渗透特性进行了分析,并结合太沙基一维固结理论,得到了固结系数的确定方法;在此基础上,对固结系数的变化进行了非线性分析,揭示了固结系数在固结过程中的变化规律及土体结构性对它的影响,这对准确计算地基土体的固结沉降有指导作用.     

黄河口入海泥沙沉积固结过程长期现场观测研究

根据2004年4月至2009年6月在黄河口潮坪进行的长期现场观测试验结果,研究了黄河泥沙沉积后的固结过程。研究发现：入海泥沙沉积后,强度呈线性增长,孔隙水压力消散曲线符合指数模型,5 d内固结基本完成呈现似超固结状态,沿深度方向强度出现分层现象,并逐渐非均匀化。沉积后的泥沙在自重应力和海洋水动力的长期作用下,土体的强度呈现增长-降低-增长的趋势,沿深度非均匀性提高。首次揭示了黄河入海泥沙的快速固结特性及形成的沉积物强度随时间与空间的非均匀性变化规律。     

温州超固结软黏土次固结试验研究

为研究超固结比对软黏土次固结特性的影响,对温州正常固结和超固结软黏土开展长期一维压缩试验,系统性研究先期固结压力、超固结比等因素对次固结变形和次固结系数的影响。试验结果表明:先期固结压力对软黏土固结变形发展曲线有显著影响,固结压力小于先期固结压力时,曲线变化较小,接近直线,此时次固结系数随固结压力增长较快;当固结压力超过先期固结压力后,曲线变化明显,呈三段式发展,次固结系数随固结压力的增大略有减小,最后趋向某一稳定值。软黏土的次固结系数随超固结比的增大而减小,通过试验结果分析得到了次固结系数随超固结比变化的计算式。次固结变形随时间的变化在双对数坐标下近似为直线关系,基于此建立了次固结变形累积方程。     

孔压滞后现象及其对固结系数的影响

从常规固结试验入手,对固结系数进行了相关的研究。利用底部可测孔压的固结仪做了常规固结试验,发现试样底部孔压出现滞后现象。孔压峰值出现的前后,沉降曲线出现第 1 次转折,孔压完全消散后,沉降曲线出现第 2 次转折。因为孔压与位移有着紧密的联系,所以孔压的滞后会影响固结曲线,进而影响固结系数的确定。因此,进行了进一步的分析,指出常规试验中侧壁摩阻力和试样的饱和度会对试样内孔压的分布产生滞后的影响。通过对底部孔压滞后现象的分析,在确定固结系数时考虑了孔压滞后效应的影响。最后对室内测定固结系数的方法进行了讨论。     

海积软土渗透性变化及固结分析

如何提高软土地基固结沉降计算的准确性是当前急需解决的难题之一。海积软土性状特殊,具有固结变形量大,固结过程中压缩性、渗透性发生较大变化的特性。针对海积软土,研究其固结过程中渗透固结性质的变化规律是提高其地基固结沉降计算准确性的关键。本文以深圳前海湾海积软土为例,通过试验和分析,对目前常用的软土渗透性计算公式是否适用于海积软土进行了检验,提出了适合海积软土渗透系数计算的经验公式,在此基础上进行了考虑固结系数变化时的一维固结计算,用试验数据对计算得到的固结曲线的合理性进行了验证,并将计算结果与工程中基于Terzaghi固结理论的分析结果进行了比较。试验结果和计算结果表明,所提出的渗透系数计算公式对海积软土合理,方法实用;海积软土固结过程中固结系数变化较大,应发展考虑固结系数变化时的固结分析方法;工程中进行海积软土固结分析时应根据实用固结压力情况及不同的试验方法合理地取用固结系数。     

浙江近海软黏土次固结系数研究及应用

我国室内固结试验中把次固结沉降曲线作为线性处理,然而,大量的实验数据证明,测定周期的不同次固结曲线呈非线性特征,故次固结系数为变数。通过我国近海典型海相软黏土——浙江平阳港次固结试验为验证实例,提出一种适用于工程的分级加载、延时校正及保持试样结构原状的土工快速测试法。对工程中试验曲线分析及研究表明:我国近海区域软黏土次固结系数与固结压力、压缩指数以及测试时间存在着一定的相关性,次固结系数与固结压力变化呈先增、后降、趋稳的现象,次固结系数峰值与土体深度等有关,C_a/C_c比值为常数。实验中所得到的经验值可作为邻近工程固结沉降量预估,所创方法为填补国家标准规范次固结试验的空白提供有益参考。     

改进的最小二乘法计算固结系数

目前计算固结系数常用的方法是时间对数法和平方根法,这两种方法属于作图法,同时这两种方法仅利用了试样固结试验中沉降量与时间关系曲线中较少的数据,人为因素影响较大,确定固结系数有一定误差,因此,如果利用固结过程中的实测数据直接求出固结系数将会是一种较好的计算方式。针对这种情况,采用工程上通用的最小二乘法,通过公式推导,改进边界条件,得出了实测数据与固结系数的关系公式,并用Matlab编程得到了固结系数的求解过程,由于采用计算机运算,从而避免了对固结初始值的依赖,减少人为因素的影响。计算结果表明,计算公式计算效果良好,有效的减少了计算中的误差。     

One-dimensional consolidation of unsaturated soils considering self-weight: Semi-analytical solutions

For the newly deposited soil, the consolidation will occur under the self-weight and external load jointly if the soil is treated by the stack pre-pressure method. The soil stress caused by self-weight has a significant influence on its consolidation process no matter the soil is either saturated or unsaturated. However, the soil’s self-weight is ignored in the one-dimensional (1D) consolidation theory for unsaturated soils (Fredlund and Hasan, 1979). In this paper, we derived the semi-analytical solutions for excess pressures and normalized settlement in 1D dimensional consolidation of unsaturated soils considering self-weight. The analytical solutions were obtained by Crump’s method (Crump, 1976), through a computing program coupling the calculation of initial excess pore pressures with the inverse Laplace transform of the obtained solutions. Then, the proposed solutions are verified through a degradation case. Several 2D charts are presented to visualize the solutions, and various examples are employed to discuss the key factors that affect one-dimensional consolidation behavior of unsaturated soils when self-weight is considered. It can be found that the relative excess pore pressure will be restrained for the one-dimensional consolidation when considering self-weight.     

天津滨海吹填泥浆的自重沉降固结特性研究

以天津滨海新区吹填泥浆为研究对象,对初始含水率w_0=200%~2000%的泥浆开展长达100 d的自然沉降模型试验,研究吹填泥浆的自重沉降固结规律与形成土的微观结构特性,据此提出吹填工程设计的控制指标,为吹填工程的设计与施工提供可靠的技术支撑。结果表明,天津吹填泥浆的沉降类型主要是沉积沉降和固结沉降,沉积沉降过程分为絮凝阶段、阻碍沉降阶段、自重固结阶段。含水率临界值(或土的形成含水率)w_0*=400%,且w_0*与液限w_L具有较好的线性关系。初始含水率w_0≤w_0*,发生固结沉降,沉降量可以用一维固结理论计算;w_0w_0*,发生沉积沉降,沉降量可以用沉积规律计算。土的形成孔隙比e_0*=10.92;沉降稳定时间Tc可用Tc=159(w_0/w_L)~(-1)计算;稳定孔隙比e_c可由分段公式计算,e_c=0.08+5.4(e_0≥13.65),e_c=0.4+1.03(e_013.65);絮凝屈服应力P_s=0.3 k Pa,界限孔隙比e_s=6.4。研究还表明,泥浆沉降过程其实是絮凝屈服应力与有效应力相互影响的过程,进而产生不同的沉降特征;吹填形成土在平行于沉降方向为絮凝结构,而垂直沉降方向呈堆叠结构。     

室内固结系数的一种推算方法

室内固结试验确定固结系数常采用时间平方根法和时间对数法 ,这两种方法均属作图法。其缺点是在作图过程中人为因素影响较大 ,而且试验初始阶段不可避免的初始压缩以及试验最后阶段的次固结等也对试验结果有较大影响。本文从一维固结理论出发 ,导出了主固结沉降与其速率的关系 ,利用这一关系提出了一种固结系数的推算方法 ,该方法无需固结试验初始阶段和最后阶段的数据 ,从而避免了初始压缩和次固结的影响 ,同时该方法还可以加快固结试验的进程。     

遗传算法在固结系数计算中的应用

建筑物的荷载通过基础传给地基,地基受力后将会产生应力和变形,从而导致建筑物基础产生沉降和倾斜。如果基础的沉降不均匀,将会对于建筑物的安全产生一定的影响,而影响沉降的最主要因素是饱和土体的固结系数,而固结系数的计算还以半对数法为主,人为因素影响较大,而采用遗传算法可有效消除人为因素,而取得较好的计算结果。     

考虑非达西渗流和变荷载影响的软土大变形固结分析

软土中的非达西渗流和大变形特性已为人们所认识,但能考虑土中非达西渗流的软土大变形固结理论还鲜有报道。考虑实际中的变荷载,基于土中的非达西渗流现象在拉格朗日坐标系中建立以超静孔隙水压力为变量的软土一维大变形固结模型。利用有限差分法对所建立的模型进行数值求解,并与特定条件下的解析解对比,以验证数值解的可靠性。最后着重分析非达西渗流模型参数对软土大变形固结性状的影响及大、小应变不同几何假定下非达西渗流固结性状的异同。结果表明非达西渗流模型的参数m及i1值越大,地基的固结速率就越慢;如果小应变固结理论中自重应力的计算也考虑沉积作用,此时尽管软土在大变形几何假定下的固结速率要比小变形假定下快,但大、小应变固结理论计算的地基最终沉降值相等;基于此,鉴于大变形固结理论的复杂性,此种情况下应用小变形代替大变形几何假定所引起的计算误差是可接受的。     

一维固结理论一般解与固结沉降过程简便计算

对代表目前研究水平的几个主要固结理论解析解进行了分析研究,结果表明,线性、非线性、大变形、次固结流变等条件下的固结理论解析解可用一个一般解形式来表示,而一般解的形式与经典Terzaghi固结理论解相同,只需用变量D_v(t)代替Terzaghi常数固结系数C_v。研究表明,不同的D_v(t)形式反映了固结模型中的不同假定,通过拟合试验得到的D_v(t)可以综合反映非线性、大变形与次固结等影响因素。在此基础上,建议了一个简便的固结变形时间过程计算方法。建议方法无须另行复杂的参数试验,方法简单实用,与试验结果吻合很好。     

从长期沉降观测资料分析次固结沉降

对一大面积淤泥软基超载预压加固工程,在不卸载的情况下进行了长达4年多的沉降观测。依据实测资料结合理论计算可知,厚11．3～26．4m的淤泥层在荷载作用下会发生最大达35．2cm的次固结沉降,占软基总沉降量的8．8％,次固结沉降的绝对量值超过了一般建筑物对地基的沉降控制要求,不可忽视。对本工程实测沉降数据次固结段进行了拟合分析,推算出该区淤泥土层次固结系数,该值比同地区一些项目实验室获得的次固结系数稍大,可供该区软基处理设计估算工后沉降量计算参考。