改进Biot固结理论移动网格有限元分析

为了提高饱和土固结数值分析结果的精度，提出了一种基于改进Biot固结理论的移动网格有限元分
析方法（FEM）.该方法在传统Biot固结控制方程组中引入土水势方程（SWP）和移动网格算法，根据虚功
原理和加权残值法推导了相应的增量有限元方程.通过算例分析研究了土水势方程和网格算法的影响.结果
表明： 改进理论的地基沉降和总土水势小于传统理论，而侧向位移大于传统理论.移动网格算法的各场变
量值小于固定网格算法.提出的方法在小变形理论范畴内能更好地模似地基固结性状.     

基于混合物理论的饱和介质体应变本构模型

为了解决饱和多孔介质的建模问题,采用工程混合物理论建立了饱和多孔介质体积本构理论框架。首先,假定多孔固相与流相基质体积变形功相互独立,采用Terzaghi有效球应力、孔压和流体基质压力作为本构模型的应力状态变量,获得了固相、固相基质和流相基质体应变的余能表达式。其次,根据Lade和De Boer模型试验加卸载测试数据,建立了加卸载阶段饱和多孔白塞木立方体流固两相体积本构方程,推导了固相体积切线模量、Biot切线系数和流相Biot切线模量等力学参数计算公式。分析了加载阶段固相体积切线模量,Biot切线系数,流相Biot切线模量等力学参数随Terzaghi有效球应力和孔压变化规律。最后,根据本文体积本构模型和静力平衡方程建立了饱和多孔介质的一维固结方程,数值分析了饱和多孔白塞木立方体的固结特性,获得了固结度和沉降随时间变化曲线。研究表明,固相体积切线模量随Terzaghi有效球应力的增大而增大,随孔压 的增大而减小。Biot切线系数介于0.42~0.95之间,随Terzaghi有效球应力和孔压的增大而减小。流体Biot切线模量随Terzaghi有效球应力增大而先减小后增大,随孔压增大而减小。孔压切线系数在大多数情况下小于1.0。考虑固相基质变形时饱和多孔介质的初始孔压不等于外荷载,因此饱和多孔介质在外荷载作用下存在瞬时沉降。本文提出的建模方法可用于非线性饱和多孔介质的建模和数值分析工作。     

土壤的固结效应及精细积分数值求解

基于广义Biot固结理论，利用有限元离散方法，得到土层固结效应的u-p形式的基本方程，进而通过引入基本方程中原变量的对偶变量，在Hamilton体系下建立了土层固结效应的微分方程。在具体计算过程中，利用时程精细积分方法，对固结问题进行了计算，并通过数值算例说明了中方法的有效性。     

动力固结问题的弱形式求积元分析

弱形式求积元法是一种新型的高阶方法,已经在岩土及结构分析中取得了成功的应用,本文对该方法进行进一步的发展和完善,将其应用于饱和土动力固结分析.首先基于Biot饱和土波动理论框架,以孔隙水压力和土体骨架位移为基本控制变量,建立饱和土波动问题控制方程弱形式描述,然后应用Lobatto积分和微分求积法进行数值积分和数值微分并采用Newmark方法进行时域逐步积分,建立饱和土波动问题求积元法求解列式.通过数值算例验证了本文方法的正确性,显示了方法的计算效率.     

固结和流变的饱和土—筏板—单桩共同作用分析

根据Biot固结理论,采用Laplace和Hankel变换方法得到了半空间饱和土表面和土体内受垂直环形载荷作用下的变换域内基本解.再根据虚拟桩法,得出了土-筏板-桩的第二类Fredholm积分方程.求解积分方程并进行相应的数值逆变换可得单桩的变形、轴力、孔压以及筏板与土的接触正应力随时间的变化情况.数值结果表明:随着土体的逐步固结与流变,筏板与土的接触正应力将减小,而桩所分担的荷载比例增加;同时桩周孔压逐步消散;桩身位移随着时间的推移会增大.     

移动荷载作用下饱和土地基无限板的动力响应

利用Biot波动理论、无限大板的弹性理论,研究了移动荷载作用下饱和土地基上覆弹性板的动力响应问题.首先引入两类势函数解耦Biot波动方程,由所引入势函数及二维Fourier变换,得出了土体位移、应力及孔压在变换域内的通解.再根据无限大板的弹性理论求解变换域内饱和土的波动系数及板的内力表达式.最后利用IFFT算法得出时间-空间域内的解析解.通过具体算例,分析了荷载移动速度、土层剪切模量对板内力、土体的动力响应的影响.     

流变对饱和黏土一维非达西渗流固结的影响

引入修正的孔隙比变化值和时间对数的线性关系式来描述正常固结饱和黏土固结过程中的流变现象,并采用Hanso渗流方程代替达西定律,推导了一维流变固结方程,然后引入有限体积法进行了数值计算,探讨了考虑流变效应时此类土固结的规律.计算结果表明,和非达西渗流影响类似,流变效应延缓了黏土层中孔压的整体消散速度;而且考虑流变效应时,出现了类似曼德尔效应的现象,即在固结的初期,在远离排水面的地方,超孔压有所升高.计算结果还表明,荷载大小也会影响到流变固结进程.     

高饱和度土的一维连续方程及其固结分析

为了解决高饱和度土的连续性条件表述的复杂性并由此建立相应的固结方程,从质量守恒的角度,避免了非饱和土中气相体积难以确定的困难,建立了土体的一维连续方程。假设Terzaghi有效应力原理依然适用于高饱和度土,推导了一维固结方程。在Terzaghi一维固结的假设基础上,再假设固结过程中饱和度为常数,求解了解析解。然后分析了高饱和度土的固结特性。结果表明：1）高饱和度固结方程与Terzaghi的一维固结方程形式完全一致,但是固结系数不同;2）因初始瞬时变形,初期固结度与饱和土的差别较大,随后差值减小;当时间因子等于1时,高饱和度土的固结度与饱和土基本相同;3）高饱和度土的固结完成时间与相应饱和土相比较,要延长;饱和度越小,土体的压缩性越小,其固结完成时间比越大。     

饱和半空间圆形衬砌对稳态剪切波的散射

根据饱和土中Biot波动理论,采用复变函数和多级坐标的方法对半无限饱和土中稳态剪切SV波对地下圆形衬砌周围的散射和动应力集中的问题进行了研究,分析计算了动应力集中系数在随土体孔隙率、渗透系数以及弹性衬砌厚度的变化时在衬砌周边分布情况,为研究半空间饱和土中衬砌结构对稳态剪切波的动力响应提供了一种有效的解析方法。研究结果表明在稳态剪切波作用下,半空间饱和土中圆形衬砌周边的动应力集中系数分布随土体孔隙率的增加有增大的趋势,而渗透系数变化的影响很小,增加弹性衬砌厚度有利于减少动应力集中效应,计算结果对工程实践具有一定的参考意义。     

双层饱和弹性土中埋置弹性桩的扭转振动

为研究双层饱和地基中埋置弹性圆桩的扭转振动响应.考虑低频荷载下弹性桩符合一维弹性模型,而饱和土体符合Biot三维饱和弹性介质理论.基于虚拟桩模型,桩-土体系被离散为一连续的饱和半空间双层地基及一虚拟桩模型.土体的控制方程在Hankel变换域内进行求解.虚拟桩的动力方程结合桩土间应力及位移协调条件,得到关于虚拟桩内力的第二类Fredholm积分方程,离散积分方程求解得到虚拟桩内力的数值解.通过进一步计算可得到原弹性桩的内力及位移.数值计算部分考虑了土体各参数对于问题的影响.     

盲沟排水对碎石桩加固软土路基的影响分析

排水系统的合理设置对加速土体固结、提高饱和软土地基承载力有重要作用。为探讨盲沟排水对路基下碎石桩加固的软土地基的工程特性的影响,进行了路基试验段的对比试验,并在路堤填筑施工中进行了孔隙水压力和地基沉降测试。试验和工程测试结果表明,渗水盲沟的合理设置可加速地基的固结,提高地基土体的承载力,有效地降低地基中的孔隙水压力,加速路堤填筑的速率。     

重塑饱和黄土应变-加载速率-时间计算模型

基于GDS静三轴仪,对西安重塑饱和黄土进行了不同加载速率的连续加载K0固结试验,研究分析了K0固结过程中加载和孔压消散两个阶段土体的变形特性。通过总结分析相关的经验模型,利用参数变异法推导出重塑饱和黄土在K0固结过程中两个阶段的应变-加载速率-时间关系计算模型,模型中参数均可由室内GDS静三轴试验得到。研究结果表明,加载速率对变形有一定的影响,引入加载速率的模型计算结果与试验测得结果相吻合,为研究K0固结过程饱和土的变形特性提供了一种新方法。     

真空降水联合强夯法加固粉土路基的研究

结合绍兴滨海新城新东线道路的软基处理工程,进行了真空井点降水联合强夯法的现场试验研究。试验过程中对每遍处理过程中的孔隙水压力、地下水位、施工沉降进行了实时监测和分析,并对加固后的路基进行静力触探检测和地基承载力检测。结果表明:真空井点降水联合强夯法可有效加固深厚饱和粉土路基,能加快孔隙水压力消散,缩短工期;并使加固后土体的Ps值和地基承载力显著提高,有效加固深度达8 m,处理效果显著。     

珠三角饱和软土固结过程中微观孔隙结构的演化规律

结合室内土工试验和某高速公路软基加固试验段工程,采用真空冷冻升华技术与SEM电镜扫描以及图像处理方法,获得了珠江三角洲饱和软土的孔隙度、孔隙总面积、孔隙总个数、平均孔隙周长、孔隙平均直径及孔洞复杂度等微观指标。通过对软土微观结构图像研究,得到了饱和软土受压固结过程中微结构的演化规律：珠江三角洲的饱和软粘土是一种孔隙体积占整体体积最高达66.7%的空架结构土,孔隙中充满水体,在外载荷的作用下,大孔隙首先破碎,周边折断,土体内部结构从空架式逐渐向多面体片架结构发展;伴随着孔隙直径减小,孔隙体积缩小,土粒间靠近,水体被排出的同时,土体被压缩而逐渐固结。     

细粒含量对饱和砂土动孔压演化特性的影响

利用GDS循环三轴仪,对不同细粒含量砂土进行了不排水动三轴液化试验,并基于Seed孔压应力模型,研究了细粒含量对液化进程中动孔压演化特性的影响。研究结果表明：细粒含量对砂土孔压发展影响较大,其影响主要体现在孔压发展模式参数θ的不同。含细粒砂土中细粒含量与孔压参数θ的关系不是呈单调的线性关系。参数θ先随着细粒含量的增加而减小,并在细粒含量为30%时达到最小值,之后随着细粒含量的增加又逐渐增加,不同的是参数θ在细粒含量超过30%后,其增加的趋势相对平缓。通过对不同细粒含量砂土动孔压演化特性试验研究,更进一步证明了临界含量的存在,试验所用的含细粒砂土,临界细粒含量在30%左右。     

地下水位波动对地基土变形特性的影响

地下水位波动直接影响土层有效应力与孔隙水压力的相互转化.水位上升,孔隙水压力增大,有效应力减小,对地基土工程性质影响较大.结合工程实践,通过对比天然状态及饱和状态下固结试验成果,评价地下水位波动对变形参数的影响程度.结果表明,地下水位波动对黏性土变形参数影响较为明显,对粗粒土影响较小,同时对不同基础形式下水位上升产生的附加沉降变形进行了计算分析.结果可为地下水位波动区工程建设中地基处理参数的选取提供参考.     

饱和软黏土不同固结程度下的抗剪强度特性研究

为了研究饱和软黏土在不同固结度下的抗剪强度特性,利用应力应变控制式三轴剪切渗透试验仪开展饱和软黏土不同固结程度下的三轴剪切试验研究,对不同围压下不同固结度对土体孔压增量和抗剪强度的影响进行了分析。结果表明:在部分固结不排水剪切试验中,试样的剪前固结程度越低、剪前孔压越大,则剪切引起的孔压增量越小,但总孔压却是越大,不排水强度低。通过归一化,得到了孔压增量和固结度之间的相关关系。     

饱和土体中衬砌隧道在移动荷载下的动力响应

为了研究移动点荷载作用下饱和土体全空间中圆形衬砌隧道的三维动力响应,采用解析方法进行求解.用无限长圆柱壳模拟衬砌,用Biot饱和多孔介质模型模拟土体.引入两类势函数表示土骨架和孔隙水的位移,在不同环向模态下利用修正Bessel方程求解各势函数.结合边界条件,得到频率-波数域内衬砌和土骨架位移、孔隙水压力的解答.对各模态下的解答求和,并进行双重Fourier逆变换得到时间-空间域内的动力响应.通过算例分析荷载速度、土体渗透性等对位移及土体孔压的影响.结果表明：饱和土体中衬砌隧道系统存在临界速度,该速度与土体剪切波波速很接近;位移场和孔压场分布受荷载速度、土体渗透性影响较大;随着土体渗透性增大,土体孔压减小;高速荷载时的位移响应频谱与低速荷载时的差别很大．     

不排水桩准饱和复合地基的固结特性

自然界广泛分布准饱和天然地基,研究不排水桩准饱和复合地基的固结特性具有理论意义和工程应用价值。假定桩土之间满足等应变条件,并考虑孔隙流体压缩性,建立了不排水桩准饱和复合地基的固结控制方程。根据荷载施加瞬间比流量等于零的性质确定了孔压初始条件,利用分离变量法和叠加法得到了总应力随深度不变时瞬时加载、单级线性加载和随时间任意变化加载下的孔压解析解答。推导了固结度和即时沉降的计算公式。考虑孔隙流体压缩性时复合地基既产生即时孔压也产生即时沉降。含气率越大,初始孔压和按固结沉降定义的固结度越小;含气率和桩的压缩模量越大,即时沉降越大。即使含气率只有0.2%,预应力管桩复合地基的即时沉降占总沉降的比率也高达97.3%。上述研究表明,由于地基经桩体加固后等效压缩模量大幅增加和孔隙水的体积模量随含气量大幅减小,因此在不排水桩准饱和复合地基固结分析中必须考虑孔隙水的压缩性,否则会造成较大的理论偏差。     

饱和黏土中静压桩桩周土体强度时效性分析

天然饱和黏土中静压桩在沉桩过程中对土体造成巨大的挤压,致使桩周土体产生较高的超孔隙水压力,沉桩结束后随着桩周土体的逐渐固结,土体强度表现出明显的时效性.为研究饱和黏土中静压桩沉桩后桩周土体强度的变化规律,基于K0-MCC模型并考虑了土体初始各向异性与诱发各向异性对桩周土体强度的影响,推导出柱孔不排水扩张后桩周土体应力及超孔压的解答,并根据轴对称固结理论推导了静压桩桩周孔压消散的理论解答.在此基础上,考虑桩周土体在固结过程中的松弛效应,对沉桩结束后桩周土体强度的时变效应进行了解析,并通过离心机模型试验验证了该解答的合理性.结果表明,该解答能够较为合理地预测沉桩结束后桩周土体强度与超孔压的变化规律,而土体超固结比、静止侧压力系数和土体有效内摩擦角等因素对桩周土体强度变化存在一定的影响.饱和黏土中静压桩的承载力具有时效性,静压桩周土体强度时变规律的解答能够为静压桩时变承载力的计算提供理论依据,具有重要的现实与科学意义.