变荷载下变孔压排水边界修正土体一维固结解

排水边界是影响土体固结快慢的重要因素之一。针对目前透水和不透水这两种理想化的边界条件对实际工程的局限性,提出了严格满足初始条件的变孔压排水边界条件,建立了变孔压排水边界下一维非线性固结理论。采用分离变量法求出该边界条件下的土体超孔隙水压力、土体有效应力,并进一步推导得到按沉降定义的平均固结度U_s和平均孔隙水压力定义的平均固结度U_p以及边界处排水速度v,通过改变边界条件中的参数α,结合具体算例与已有的修正非线性固结理论解的结果进行对比分析。结果表明:提出的变孔压边界条件能更好地反映实际工程工况。     

恒荷载作用下复合地基非线性分析

从桩周土体径竖向渗流方程出发,采用土体e–logσ和e–logk半对数模型,对于排水桩桩体仅考虑竖向渗流并考虑涂抹区影响,建立恒荷载作用下复合地基非线性固结方程。通过与已有解的对比,证明此解析解的正确性。根据对复合地基非线性固结分析发现:复合地基固结速率随土体非线性参数Cc/Ck和荷载增量σ0/σsi的增大而减小,但相比Cc/Ck,荷载增量σ0/σsi对固结速率影响很小;随着桩土模量比增大,复合地基固结速率加快,且非线性参数Cc/Ck对固结速率的影响程度减小;排水桩复合地基固结速率受kh/kc即桩体渗透性影响很大。     

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。     

多元不排水长短桩复合地基固结解析解

多元复合地基是一种新型的复合地基技术。推导出瞬时加荷条件下多元不排水长短桩复合地基桩间土的固结方程,基于双层地基一维固结理论建立了相应的固结解析解。通过与有限元解的比较验证了解析解的正确性。利用建立的固结解析解进行参数分析,研究了多元不排水桩长短桩复合地基的固结特性。计算结果表明,多元不排水长短桩复合地基的固结速率随长桩压缩模量和置换率的增加而增大。短桩压缩模量和置换的变化对复合地基固结速率的影响很小。短桩较短时,短桩长度的变化对复合地基固结速率几乎没有影响,短桩较长时,复合地基固结速率随短桩长度的增加而增大。此外,多元不排水长短桩复合地基的固结速率随短桩以下土体压缩模量的增加而增大。     

饱和土体固结变形特征的一种非线性描述

基于非线性假定的固结方程及其标准化形式,给出一个描述饱和土体非线性固结变形特征的实用的理论模型.在假定孔隙比与有效应力关系的基础上,研究土层固结度随时间因素的演化过程,进而分析饱和土体固结变形的内在规律性,指出其与经典Terzaghi渗透固结变形理论的差异.其中,定义了一个表征土体非线性特征的重要参量(,分析该参数的大小以及土层厚度的影响,从而较好地解释和描述不同厚度土层(或不同的排水条件)固结形态的差异性.利用理论分析结果,对一些典型试验结果进行对照分析,说明上述理论的合理性.     

循环荷载作用下地基一维非线性固结解析解

将孔隙比e与有效应力σ关系（e-lgσ）引入循环荷载作用下单层地基的一维非线性固结问题的研究之中，通过假定土体中的初始有效应力沿深度均匀分布和固结过程中土体渗透性的降低与压缩性的减小成正比，建立了低频循环荷载作用下单层地基的一维非线性固结问题的固结方程。由ω-σ变换得出了低频梯形循环荷载作用下单层地基的一维非线性固结问题的解析解，采用Fortran语言编制了相应的计算程序，并通过将其特例情况下的解分别与目前已有的解析解和半解析解进行对比的方法对文中解作了验证。现有单层地基的一维非线性固结解析解均为文中解的特例。     

连续排水边界下一维固结不排水对称面的有限元分析

连续排水边界可以修正边界透水与不透水这两种极端理想化的边界问题.在Terzaghi一维固结理论的基础上,结合连续排水边界给出了连续排水边界下不排水对称面一维固结的解析解答.基于ABAQUS有限元软件开发了一维连续排水边界条件的子程序,对不排水对称面位置变化的影响因素包括边界透水性能,排水时间和渗透系数进行研究,得到了不排水对称面的变化规律.最后将该数值分析方法引入饱和软黏土中不同深度设置排水砂层进行比较,结果表明在不排水对称面位置处设置排水砂层时土体的固结速度是最快的.连续排水边界的引入有利于确定不排水对称面的位置,所得的结论和文中的有限元分析过程对促进固结理论的发展具有重要的实际价值和意义.     

低频循环荷载作用下一维非线性固结的有限体积解法

为解决基于Davis假定的低频循环荷载作用下一维固结微分方程因具有非线性特点而难以求得解析解的问题,开展该问题的数值计算方法研究,首先利用变量代换将低频循环荷载作用下一维固结微分方程转换为扩散方程,再在控制体积上先做积分后做差分建立隐式有限体积法格式,最后与半解析解进行对比验证。研究结果表明:该有限体积格式计算结果与半解析解计算结果吻合,能够较好求解低频循环荷载作用下一维非线性固结问题。     

外荷载随时间变化下考虑起始电势梯度的一维电渗固结解析解

将起始电势梯度的概念引入电渗固结理论，基于相关假定建立了外荷载随时间变化下考虑有效电势衰减的一维电渗固结控制方程，利用变量代换和分离变量法获得了电渗固结通解，并给出了常见加荷形式下解析解的表达式。将退化解与已有解析解进行比较，并将所提解与有限差分解展开对比，验证了所提解答正确性。基于所提解析解，分析了相关参数对软土地基电渗固结特性的影响。结果表明：起始电势梯度的存在降低了超孔隙水压力绝对值和沉降量；水力渗透系数的减小有利电渗排水固结过程的进行，且电渗透系数与水力渗透系数比值越大，沉降量越大、电渗排水固结效果越好；当采用电渗联合堆载预压法加固时，电渗作用可降低因外荷载引起的正超孔隙水压力的最大值，提高固结排水时土体的稳定性。     

双层非饱和土地基一维固结半解析解

基于Fredlund和Hasan的非饱和土一维固结理论,将非饱和地基假定为双层,引入层间渗流连续条件,得到双层非饱和土地基一维固结控制方程。采用Laplace变换将偏微分方程组转化为常微分方程组,求解得到双层非饱和土地基在单面、双面渗透边界条件下超孔隙压力和沉降在Laplace域内的解;并利用Crump数值方法实现Laplace逆变换,最终得到时间域内双层非饱和土地基一维固结的半解析解。通过与已有文献和有限差分解的结果比较,验证了所得半解析解的有效性。基于得到的解答,结合算例考察了不同层间渗透系数比下,双层非饱和土地基中超孔隙压力的分布规律;并通过参数分析讨论了土层厚度比和层间渗透系数比对双层非饱和土地基沉降的影响。     

复杂条件下复合地基固结解析理论研究

与砂井地基相比,复合地基具有桩体压缩模量较大、直径较大、受荷后应力向桩体集中以及桩体发生侧向膨胀等特点,因此,复合地基固结虽然类似于砂井地基固结但又与之不同.针对现有复合地基固结理论不能合理充分地考虑复合地基这些特点的不足,基于复合地基桩、土共同承担外部荷载的原则,提出一个新的关于复合地基固结初始条件,并对复合地基施工扰动引起的土体渗透系数变化、附加应力随深度和时间变化、桩体固结压缩、土体非线性以及桩、土发生侧向变形等复杂情况下的复合地基固结问题进行了较详细深入的研究,主要的工作和创新成果如下:(1) 给出能同时考虑扰动区土体渗透系数变化、附加应力既随时间变化又随深度变化的复合地基固结普遍解,以及荷载单级施加、附加应力沿深度线性变化时超静孔压和平均固结度的具体表达式,并对地基的固结性状和桩-土应力比的发展规律进行了分析.(2) 鉴于传统桩周流量连续的假定与等应变条件矛盾,对现行桩周流量连续假定进行了修正,建立新的能够考虑桩体压缩的复合地基固结控制方程,给出瞬时加荷和附加应力沿深度均匀分布情况下复合地基超静孔压和平均固结度的表达式,将其与以往解答进行了对比,分析复合地基的固结性状.研究结果表明:采用修正的桩周流量连续条件给出的地基平均固结度小于传统桩周连续假定给出的平均固结度,而且,随着井径比的减小,两者之间的差值变大.(3) 为考虑由于桩径较大而实际存在于桩体内的径向渗流,建立能考虑桩体内的径、竖向组合渗流的复合地基固结控制方程,引入2个新的边界条件,并给出相应解析解.对比分析结果表明:所给出的解答可以合理地退化到5种简单情况下的地基固结解答;不考虑桩体内径向渗流将高估复合地基固结度速率,而且,井径比越小,高估值越大.(4) 通过引入广为认同的土体孔隙比和有效应力以及孔隙比和渗透系数的对数关系,考虑土体固结过程中压缩模量非线性增长和渗透系数非线性减小的特征,给出一种复合地基非线性固结解析解,并对复合地基的非线性固结性状进行了分析.分析结果表明:考虑非线性时按应力和按变形定义的2种固结度不相等,并且按变形定义的固结度一般大于按应力定义的固结度;当压缩指数小于渗透指数时,不考虑土体的非线性特征会低估地基的固结度;而当压缩指数大于渗透指数时,不考虑土体的非线性则会高估地基的固结度.对于按应力定义的固结度来说,当压缩指数小于渗透指数时,随着附加应力的增大,地基固结速度加快,而当压缩指数大于渗透指数时,附加应力增大,地基固结减慢;对于按变形定义的固结度而言,不论压缩指数大于还是小于渗透指数,复合地基固结速度总是随着附加应力增大而加快.(5) 在竖向变形相等的条件下,给出能考虑桩体和土体在固结过程中发生侧向变形的复合地基固结解析解,并对该解和不考虑桩、土侧向变形的现有解答进行比较.结果表明:考虑桩体的侧向变形会降低地基的固结速率.最后分析桩体和土体的变形模量和泊松比对地基固结的影响以及桩-土应力比随时间的发展规律,结果表明:桩、土的泊松比越小,地基固结越快;桩、土的弹性模量之比越大,变形模量之比越大,则复合地基固结越快;考虑桩、土的侧向变形后,复合地基的桩-土应力比虽然随固结逐渐增大,但与现有理论预测的不同,该应力比不会增长到桩-土模量比的值.     

结构性软土地基的非线性一维固结半解析解

结合结构性软土压缩特性研究,通过运用多层地基一维固结解析解和迭代法,建立了能考虑土体结构性和土体自重的非线性一维固结问题的半解析方法,通过编程计算,得到了结构性软土的固结度随时间变化曲线,揭示了结构性软土地基的一维固结规律.     

结构性软土地基的非线性一维固结半解析解

结合结构性软土压缩特性研究,通过运用多层地基一维固结解析解和迭代法,建立了能考虑土体结构性和土体自重的非线性一维固结问题的半解析方法,通过编程计算,得到了结构性软土的固结度随时间变化曲线,揭示了结构性软土地基的一维固结规律.     

基于椭圆柱等效的排水板非线性径向固结理论

通过引入土体的e-lgσ'和e-lgk_h非线性模型,在椭圆柱等效模型的基础上,结合真空负压沿排水板深度的线性分布模式,分别采用差分算法和线性简化的方法推导得出径向固结的数值解和简化解析解。基于所得解,分别对比分析数值解与简化解、孔压定义的固结度U_p与变形定义的固结度U_s之间的差异,以及压缩指数与渗透指数的比值c(Cc/Ck)和真空荷载对固结性状的影响,最后将解答与试验结果进行对比,验证解答对固结度预测的适用性。结果表明:当c=1时数值解与简化解基本一致,当c1或c1时两者具有一定差距;在不同的c值下,同一时刻对应的U_s总比U_p大,随着c值的增大,土体固结变慢;对于由孔压消散描述的固结过程,当c1时,真空荷载越大,土体固结越快,当c=1时,真空荷载的变化对固结快慢无影响,而当c1时,真空荷载越大,土体固结越慢。     

含砂垫层地基二维固结自由应变解

为分析含水平向排水砂垫层地基的固结问题,针对平面应变条件下的二维自由应变固结微分方程,分别考虑待固结土体顶底双面和顶面单面含有砂垫层的工况,采用分离变量法,推求得到了超静孔压和整体平均固结度的显式解析解答,并与有限元法的计算结果对比,验证了其正确性。同时,分析了待固结土体不同渗透系数、土层宽度和厚度条件下,砂垫层渗透系数和厚度对其固结的影响。结果表明:砂垫层渗透系数与待固结土层渗透系数的比值是砂垫层设计中的关键参数。要使砂垫层接近或达到完全透水边界条件,该比值应介于104~105之间,待固结土层越宽、渗透系数越小,所要求的比值越大。     

变荷载下考虑非达西渗流的一维固结半解析解

 基于非达西渗流定律,运用成层地基线性固结解析解与数值离散相结合的半解析方法,得到变荷载作用下一维固结问题的半解析解。将半解析解与达西渗流下的解析解和非达西渗流下的差分解进行对比,验证半解析解的可靠性。进而对不同参数下的固结性状进行分析。结果表明：非达西渗流模型中的参数对一维固结性状有重要影响,指数越大、临界水力坡降越大,则土层的固结速率越慢;同时,荷载的大小与土层厚度对土层固结性状有重要影响,作用于土层的荷载越大,则固结速率越快;土层越厚,则固结速率越慢。在非达西渗流下,传统固结理论中固结时间与土层厚度平方成正比的相似关系不再满足。荷载的加荷速率越快,则土层的固结速率越快。最后,讨论了达西渗流定律在一维固结计算中的适用范围。     

考虑饱和黏土埋深影响的一维非线性固结

 由于饱和黏土层的埋深对初始有效应力影响较大，因此也会对其非线性固结特性产生影响。假定孔隙比与有效应力对数和渗透系数对数之间分别存在线性关系，那么可将考虑初始有效应力沿深度变化的饱和黏土一维非线性固结方程推广至考虑土层埋深的情况，因此，采用有限体积法对该方程进行数值求解。与E. H. Davis和G. P. Raymond非线性固结理论解析解的对比，证明该方法的有效性。在此基础上，探讨土层埋深、压缩指数与渗透指数的比值、地面均布荷载强度等参数对固结过程的影响。数值分析结果表明，当上述3个参数分别增大时，黏土层的沉降速率都将减小，而埋深对孔压消散速率的影响规律则要受压缩指数与渗透指数比值的制约。     

考虑起始水力坡降的超固结土一维非线性固结分析

考虑超固结黏性土中渗流存在的起始水力坡降及变荷载作用,建立超固结土一维非线性固结模型。利用连续条件建立固结模型的控制方程,并采用有限差分法求取该模型的数值解。在此基础上,当回弹再压缩指数ce等于压缩指数cc时,将该文差分解与考虑起始水力坡降的正常固结土非线性固结半解析解对比以验证该文解的可靠性。最后,分析起始水力坡降和超固结应力状态对黏性土固结性状的影响。结果表明:起始水力坡降导致土中超静孔压不能完全消散;当外荷载稳定值qu与起始水力坡降i0、水的重度γw及土层厚度H之积的比值小于1时,单面排水条件下渗流前锋不能至土层底面;起始水力坡降i0越大,土层沉降值越小,按孔压定义的土层平均固结度也越小;相同起始水力坡降下,超固结土层超静孔压的消散速率比正常固结土层快,超固结土层的最终沉降值小于正常固结土层,且前期固结压力越大则最终沉降量越小。     

软黏土一维非线性大应变固结解析理论

给出了软黏土一维大应变固结中土体总应力、有效应力、孔隙水压力、孔隙比和沉降等一般相互关系,通过对土体压缩性和渗透性的假定得到了拉格朗日坐标下以超静孔压为变量的一维非线性大应变固结方程及其解析解。利用此解分析了土体一维非线性大应变固结性状,并与传统的小应变固结理论作了比较。此解也可用于对大应变固结问题的各种数值解法的验证。     

基于非Darcy渗流的饱和黏土一维非线性固结分析

在考虑土体变形非线性的基础上,引入描述非Darcy渗流的Hansbo方程,修正饱和黏土一维固结方程,并采用有限差分法对该方程进行求解。通过与Davis和Raymond一维非线性固结理论解析解的对比,证明本文数值方法的有效性。在此基础上,探讨土体非Darcy渗流参数、压缩指数以及地面荷载值对固结过程的影响。计算结果表明,非Darcy渗流延缓饱和黏土中孔隙水压的消散速率和地基沉降速率,且随着压缩指数与渗透指数之比c或非Darcy渗流参数m和i1的增大,孔压消散速率和地基沉降速率都变慢,即不考虑渗流非Darcy特性的固结分析将会高估孔压消散速率和地基沉降速率,而地面荷载对固结进程的影响则与固结时间和压缩指数与渗透指数的比值有关。