错误的“两相非连续介质固结理论”——与徐日庆先生等商榷《两相非连续介质固结理论》一文

该文认为徐日庆等人《两相非连续介质固结理论》一文得出的固结模型不正确,并作了阐述分析。     

Ko固结饱和土沉桩引起的超静孔隙水压力

根据饱和粘土中沉桩特点,用柱孔扩张理论模拟其贯入过程,将扩张后周围土体分为塑性区和弹性区,由柱孔扩张基本平衡方程和边界条件,采用能够考虑天然状态土体实际固结性状的K_o固结土体本构模型的屈服面方程为屈服准则,以对数应变考虑桩周土体发生的大变形,结合Henkel孔压公式,推导出沉桩后桩周超静孔隙水压力的理论表达式。通过算例分析了土体剪切模量、临界状态应力比、超固结比和静止侧压力系数对超静孔隙水压力的影响。同时,与基于修正剑桥模型解答和工程实例进行对比分析,理论计算值和现场实测值吻合较好,表明理论结果的合理性与实用性。     

非饱和半空间受埋置集中力作用初值解

基坑开挖和盾构掘进引起的环境效应是城市岩土工程中的重点,现有研究较少考虑土体的非饱和性。基于连续介质力学建立三维非饱和固结方程,假定初始时段体变为0,孔压和气压不随时间变化,引入McNamee和Schiffman位移函数,将固结方程的初解问题解耦为一组调和方程,通过Hankel变换将偏微分方程组转换为常微分方程组,利用边界条件和连续条件给出变换域内的位移和应力初值解答,最后通过Hankel逆变换给出原非饱和半空间域的解析解答,通过退化算例验证文中方法的正确性。算例分析表明,埋置集中力作用下,随着饱和度减小,位移逐渐减小,超静孔压则呈现先增加后减小的趋势。文中解答可以作为基本解,用于基坑开挖和盾构掘进等工程施工引起的非饱和地层位移场和应力场分析以及对邻近构筑物影响研究。     

天然饱和黏土中新、旧桩荷载–沉降关系研究

天然饱和黏土中静压桩沉桩结束后其桩周土体逐渐固结,由于旧桩周围土体已完全固结,其桩周土体的力学特性与新桩有显著差异,承载特性亦有较大区别。针对新、旧桩单桩的荷载–沉降特性,在考虑土体初始各向异性、沉桩效应的基础上,基于柱孔不排水扩张后桩周土体应力与孔压基本解答,研究新、旧桩周土体力学特性的差异。在此基础上,根据新、旧桩周土体的力学特性和桩侧土体在加载过程中的力学特性,提出分别适用于新桩与旧桩的荷载传递模型,并通过与现场试验结果对比进行验证。研究结果表明,该荷载传递模型能较好地预测新、旧桩的荷载–沉降关系,对新、旧桩混合桩基承载机制的深化认识及其优化设计理论的完善都具有重要意义。     

天然饱和黏土中新、旧桩荷载–沉降关系研究EI北大核心CSCD

天然饱和黏土中静压桩沉桩结束后其桩周土体逐渐固结,由于旧桩周围土体已完全固结,其桩周土体的力学特性与新桩有显著差异,承载特性亦有较大区别。针对新、旧桩单桩的荷载–沉降特性,在考虑土体初始各向异性、沉桩效应的基础上,基于柱孔不排水扩张后桩周土体应力与孔压基本解答,研究新、旧桩周土体力学特性的差异。在此基础上,根据新、旧桩周土体的力学特性和桩侧土体在加载过程中的力学特性,提出分别适用于新桩与旧桩的荷载传递模型,并通过与现场试验结果对比进行验证。研究结果表明,该荷载传递模型能较好地预测新、旧桩的荷载–沉降关系,对新、旧桩混合桩基承载机制的深化认识及其优化设计理论的完善都具有重要意义。     

饱水软粘土主固结理论研究(续)——主固结过程软粘土含水量与时间的关系

本篇论文的前文(饱水粘性土主固结理论)已从理论上导出粘性土"主固结比(η)"、"极限主固结量(S_η)"及其主固结度U_η的计算方法,它们取决于粘性土的初始含水量和液限(W_t、W_L)而与固结应力p无关。作为前文的续篇,主要是探求一维主固结过程含水量和时间(t)的变化关系(W_t=f(t,z))。根据一维固结物理模型及假设条件建立的含水量为因变量的主固结二阶偏微分方程并通过特定的边界条件和初始条件,利用分离变量法和三角函数正交原理解得主固结过程含水量和时间的关系式,并获得主固结系数(?)及其时间因数△的新表达式,它们在形式上与太沙基固结方程相似,但实质内容上不一致,前者是探索粘性土含水量变化,后者是超静孔压u的变化,利用新的一维主固结方程进一步导出主固结量(S_t),平均主固结度(U_l)及主固结剩余量(△S)等新一组表达式,利用工程实际数据分别计算表明新的主固结系数(?)所含的相关物理量除含水量外,其他的物理量如渗透系数(k),超静孔压水头高度(h_l),粘性土比重(G_s)等都不具实质的影响。     

不同本构模型预测饱和土孔压生成的研究

本文用本构模型研究了孔压系数。导出清华弹塑性模型、修正的拉德模型和修正剑桥模型的孔压系数表达式;用上面三种模型及邓肯EB模型和线弹性完全塑性KG1模型对具有剪缩性的白河堡击实粘性土和具有明显剪胀性的承德中密砂固结不排水试验作了预测比较。得到一些有意义的结论。     

岩石的非线性弹性-塑性硬化帽盖模型

本文用连续介质力学的理论分析了岩石屈服前的性状,导出了岩石介质的非线性弹性的本构方程并与试验资料进行了比较,结果令人满意。进而用非线性弹性取代一般帽盖模型中关于弹性区的线弹性假设,给山了一个新的非线性弹性-塑性硬化帽盖模型。     

强夯地基中的超静孔压消散方程及其应用

详述了太沙基一维固结理论中的孔压消散方程,对方程的特点和在强夯工程中的实际应用作了较深入的讨论。认为方程与现场孔压量测关系密切。指出现场孔压量测确定土层消散系数Cv是太沙基固结方程发挥作用的较优途径。     

两种Lagrangian大变形比奥固结有限元法及其与小变形法的比较

从非线性连续介质力学出发,采用Jaumann应力率和Biot平面固结理论,用同一程序结构和土性参数计算比较了饱和土体大变形Lagrangian法(TL和UL法)与小变形法的沉降和孔压差异。计算结果表明,当应变较小时,三种方法计算的变形和孔压值相同;当应变很大时,大变形法和小变形法计算的沉降和孔压差异很大。因此,大小变形法分析结果的比较应采用总应力法。文中还指出,大变形分析地基最终沉降小于小变形法,而且时间步长对计算沉降值有严重影响     

岩体流-固耦合的Taylor展开随机有限元模拟

采用等效连续介质模型,引入介质渗透系数张量与介质体积应变之间的函数关系式,建立能反映介质中孔隙压力与骨架变形非线性耦合作用的数学模型。视模型中的参数为随机变量,采用Taylor展开随机有限元法对该模型进行数值模拟,研究参数具有随机性情况下耦合场中孔隙压力、有效应力、位移等场变量的随机分布特征及孔隙压力、位移等场变量对参数的灵敏度。数值算例可检验所提出方法的有效性。     

深基坑降水流固耦合数值模拟及敏感性分析

基于比奥固结理论,对武汉长江隧道基坑明挖段JB02节基坑降水工程进行了三维流固耦合数值模拟计算.综合分析了存在止水帷幕情况下的地下水渗流场规律,阐述了粘土层的释水固结特征.在合理的数值模拟计算的基础上,采用正交试验的方法,重点对渗透系数、变形模量、抽水量、井点深度、帷幕深度和井点布置等6大影响地面沉降的因素进行了敏感性...     

法向应力和水压力作用下岩石单裂隙水力耦合模型

 为突出孔隙水压力对裂隙变形及其水力传导性能的影响,以经典的Biot孔隙弹性模型为基础,通过把裂隙视为一系列空隙的联合体,将广义的Biot有效应力系数扩展到岩石裂隙上。模型通过有效应力系数的引进,建立饱和裂隙在法向应力和孔隙水压力共同作用下的非线性本构方程,同时通过裂隙渗流的“立方定理”得到渗流流速与裂隙变形的关系以及裂隙法向应力作用下的水力耦合模型。模型中包含的4个参数均有其物理意义,并且可以通过裂隙力学压缩试验和渗流试验结果确定。与经典的太沙基有效应力原理不同,该模型中Biot有效应力系数是裂隙位移的函数,强调了不同位移状态下水压力作用效果的不同,突出了孔隙水压力与裂隙变形之间的相互影响。最后,针对不同孔隙水压力下裂隙渗流流速随法向应力变化的试验数据,用该模型对试验结果进行预测,初步证实该模型的准确性和适用性。     

桩竖向振动引起的饱和土体孔压积累效应分析

 采用一种非耦合分析方法模拟桩竖向振动过程中桩周产生孔压积累现象。首先基于比奥饱和多孔介质理论,考虑桩土间的非完全黏结条件,得到饱和土中弹性支承桩竖向耦合振动稳态孔压振动的解析解,通过卷积方法和数值积分逆变换得到任意次正弦激励作用下的瞬时孔压振荡半解析解。然后利用土动三轴试验得到饱和粉质黏土的残余孔压积累经验公式,以桩侧土剪应变和振次为参数建立桩周残余应变和瞬时孔压时域响应之间的联系,实现桩竖向振动作用下桩周土中孔压积累的模拟。数值计算结果表明,桩土非完全黏结条件下稳态孔压分布和桩周孔压积累均小于完全黏结情况,且受桩土接触刚度和桩底支承刚度的影响显著,此外桩周稳态孔压分布与渗透系数密切相关。     

饱和地基二维动力Biot固结分析

根据Biot平面动力固结方程,运用积分变换的方法,建立了周期荷载作用下单层地基的二维Biot动力固结的函数表达式。根据下边界为不透水基岩的边界条件,获得了地基表面作用周期荷载时地基内任意点应力(包括孔压)、位移(包括流体流量)的一般积分形式解。根据算例,研究了在周期荷载作用下,地基中的超静孔隙水压力、位移的幅值随动力渗透系数变化的一般规律。     

流固耦合的多元结构深厚覆盖层透水地基的力学特性

深厚覆盖层多元结构坝基在渗流过程中各土层力学差异明显,分析时关注的具体问题也不尽相同,需要深入研究。基于比奥固结理论,考虑土体的非线性流变以及土体固结变形过程中孔隙度、渗透系数、弹性模量及泊松比的变化;借助ADINA流固耦合模块来模拟西藏达嘎水电站坝基渗流场与应力场耦合过程,分析各层力学特性及相互作用。研究表明,透水性较强的表层土体是渗流主要通道,也是渗流进出区和沉降变形体现区,应在上游采取措施提高其压缩模量,下游区域增设反滤层和排水设施;坝基中的粉细砂层是坝基沉降的主要原因,对坝基沉降起主导作用,同时应注意其液化特性对坝基的不利影响;坝基中的承压含水土层对下游上部结构产生向上顶托力,若位置较深,则破坏性较小;坝基深部土层对整个坝基的渗流破坏影响较小,但对沉降和渗流量的影响不可忽视;表层砂卵砾石层和粉细砂层的渗透系数相差较小时,土层间不会发生接触冲刷。此外,还发现坝基孔隙水压力在快速衰减阶段被消散,期间土体固结较快。垂直防渗墙能有效降低渗透坡降和渗流量,将坝基沉降变形控制在防渗墙上游区域,但上游坝基变形对防渗墙产生较大的水平推力,应加大防渗墙尺寸或者采用辅助渗控措施。     

考虑半渗透边界的隧道周围超孔隙水压力消散解

通过引入衬砌半渗透边界条件,将Terzaghi-Rendulic固结理论和Burgers黏弹性模型相结合建立土体固结-流变耦合模型,采用复变函数解法推导出求解黏弹性介质中半透水隧道周围超孔隙水压力的消散表达式,并以上海地铁二号线某区间隧道为工程背景分析了不同衬砌透水程度对隧道周围超孔隙水压力消散与分布的影响规律。研究发现,随着衬砌与土体相对渗透系数的增大,隧道外壁处超孔隙水压力的消散速度不断增快;隧道周围土体距离衬砌外壁越远,其初始超孔隙水压力越小,土体的超孔隙水压力消散速度也越慢。     

考虑损伤的软土路基变形分析

在连续损伤力学理论的基础上,提出了损伤孔隙介质的有效应力原理,推导了损伤孔隙介质完备有效的渗流连续性方程,对传统的Drucker Prager准则以及Biot固结理论的基本方程进行修正,并据此编制岩土介质流-固耦合的损伤变量有限元程序。然后,利用自主编制的损伤有限元程序对一简化的软土路基问题进行分析和研究,以典型节点为例,计算了软土路基模型的沉降值、孔压值和损伤变量等,并与解析解进行对比验证。结果表明文中自主编制的损伤有限元程序是合理的和有效的。     

真空预压法加固软基三维有限元计算

为预测广州南沙港区某真空预压加固工程的效果与影响范围,针对真空预压加固大面积软基的变形特点,提出将单井涂抹效应对涂抹区内土体渗透性的弱化作用转化为减小单井影响区内土体水平向渗透系数的方法,既可减少三维有限元计算的前处理工作量,又可考虑砂井地基的涂抹效应,讨论了网格尺寸对固结度的影响。并视土体为多孔介质,采用比奥固结理论,结合依托工程,建立了较大规模的三维模型并进行有限元计算分析,计算结果与现场监测数据吻合得较好。     

Non-axisymmetric Biot consolidation analysis of multi-layered saturated poroelastic materials with anisotropic permeability

To start with, an analytical layer-element (i.e., a symmetric stiffness matrix), which describes the relationship between the generalized displacements and the stress levels of a layer subjected to non-axisymmetric loading, is exactly derived in the transformed domain by the application of a Laplace–Hankel transform with respect to variables t and r, a Fourier expansion with respect to variable θ, and a Laplace transform and its inversion with respect to variable z, based on the governing equations of Biot’s consolidation of multi-layered saturated poroelastic materials with anisotropic permeability. The analytical layer-element experiences considerable improvement in computation efficiency and stability, since it only contains negative exponential functions in its elements. In addition, a global stiffness matrix for multi-layered saturated poroelastic media is obtained by assembling the interrelated layer-elements based on the continuity conditions between adjacent layers. By introducing the boundary conditions and solving the global stiffness matrix, the solutions in the Laplace–Hankel transformed domain are obtained, and the final solutions can be recovered by a numerical inversion of the Laplace–Hankel transform. Finally, numerical examples are presented to verify the theory and to study the effect of the property of anisotropic permeability on vertical displacements and excess pore pressure. The calculation results show that the property of anisotropic permeability has a great influence on the process of consolidation.