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。     

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。     

考虑低速非Darcy渗流的饱和黏性土一维固结分析

介绍并分析了非Darcy渗流模型,修正了Terzaghi一维固结模型并进行了数值计算,分析了固结过程以及超静孔压消散的规律,认为超静孔压的缓慢消散是导致次固结现象的原因之一。讨论了起始水力梯度、临界水力梯度、瞬时荷载以及土层厚度对固结过程的影响,提出了确定非Darcy渗流适用范围的公式。     

考虑初始孔压非均布及起始坡降的黏土流变固结解

外荷载引起的土中初始超静孔压往往沿深度非均匀分布。软黏土的流变特性以及黏性土中渗流存在起始坡降的现象也已被认识。但能同时考虑起始坡降及初始孔压非均布的软黏土流变固结解还鲜见报道。采用Merchant三元件模型描述黏土的流变特性,在初始孔压沿深度非均布条件下建立考虑起始坡降的软黏土一维流变固结控制方程及求解条件,采用拉普拉斯变换方法获得其解析解答。在验证解可靠性的基础上,开展大量的分析计算。结果表明:起始坡降(i_0)越大,渗流移动边界移动速度越慢,土层平均固结度和最终沉降量越小。土层顶面处初始超静孔压(q_T)和底面处初始超静孔压(q_B)的比值(λ)越大,移动边界下移速度越慢,土层固结速率越快,平均固结度最终稳定值越小,土层最终沉降量越大。流变模型中Kelvin体弹簧的弹性模量(E_1)和独立弹簧弹性模量(E_0)的比值(a)在固结前期对固结性状影响很小;固结后期,a值越大,土层固结速率越快,最终沉降量也越大。固结前期,黏滞系数(η_1)的变化对固结性状影响不大;固结后期,η_1值越大,土层固结速率和沉降速率越快,但η_1值的变化并不影响土层的最终沉降量。     

基于Hansbo渗流的理想砂井地基固结分析

室内试验和现场观测表明,许多饱和黏性土中的渗流在小水力梯度时不能用Darcy定律描述,这应该是导致基于Darcy渗流的传统砂井固结理论有时不能很好地解释某些砂井地基固结特性的原因。引入同时考虑低速渗流幂函数曲线段和较高速渗流直线段的Hansbo渗流方程描述非Darcy渗流,在自由竖向应变假定下修正了Barron的理想砂井地基固结方程,并给出了有限差分法数值求解格式。据此探讨了Hansbo渗流参数、地基厚度等对砂井地基固结进程的影响。计算结果表明:和Darcy渗流相比,Hansbo渗流延缓了砂井地基内的孔压消散速度,导致固结速度变慢,并且径向排水对孔压消散的作用会更显著。如将Hansbo渗流方程简化为幂函数形式,则往往会高估砂井地基的固结程度,特别是在固结的初期。最后对比了自由竖向应变假定和等竖向应变假定对计算结果的影响。     

初始孔压非均布考虑起始比降的一维固结解

研究了考虑起始比降的一维固结问题,获得了初始孔压非均布条件下考虑起始比降的一维固结解答,并与已有文献解答进行了对比,讨论了考虑起始比降后土体的一维固结特性。计算分析表明,当初始孔压降小于起始比降时,渗流并不会在整个土层中瞬间发生,而是逐渐向下发展的,起始比降越大,渗流边界移动速度越慢;固结结束时,土体中的孔隙水压力并不会完全消散,且起始比降越大,残余孔隙水压力越大。与不考虑起始比降不同,均质地基平均固结度按沉降定义和按孔压定义是不同的,随着起始比降的增大,按沉降定义的固结度随之增大,而按孔压定义的固结度则随之减小。     

淮河干流香浮段疏浚泥固结度室内试验研究

针对淮河干流香庙—浮山段高含水率疏浚泥进行了能够测试底部孔压的一维固结试验,研究了土样变形和底部孔压随固结时间的变化规律,探讨了基于太沙基固结理论建立的变形时间曲线法(Casagrande法)和超静孔压消散法得到的两种固结度的差异性状。结果表明:Casagrande法判断主固结完成时,超静孔压消散没有完成,残余超静孔压约为荷载增量的10%～20%;随着竖向荷载的增加,利用两种方法确定的主固结沉降的差异程度随外加荷载呈半对数线性变化;以真空排水工法为例,分析了基于Casagrande法和超静孔压消散法得到的主固结沉降差异程度。     

考虑自重应力和Hansbo渗流的饱和黏土一维弹黏塑性固结分析

考虑地基土沿深度方向变化的自重应力,引入考虑时间效应的统一硬化(UH)本构模型描述饱和黏土固结过程中的弹黏塑性变形,同时采用Hansbo渗流方程描述固结过程中的非Darcy渗流,对太沙基饱和黏土一维固结方程进行修正,并给出有限体积法数值求解格式。通过与固结试验结果对比,验证了UH模型的适用性。然后探讨了土体自重应力、黏滞性、Hansbo渗流参数、土层厚度及外荷载大小等因素对弹黏塑性固结过程的影响。结果表明:在加载初期,土体的黏滞效应在地基不排水面附近引起了超静孔压升高的现象,且土体自重应力和Hansbo渗流对此均有增强作用,但是随外荷载的增大,这一现象有所减弱;同时,考虑土体自重应力将延缓加载初期饱和黏土地基中超静孔压的整体消散速率,但加快加载中后期饱和黏土地基的固结速率;并且,随着次固结指数、土层厚度及Hansbo渗流参数的增大,饱和黏土地基中超静孔压整体消散滞后,但增大外荷载却加快了饱和黏土地基的固结速率。     

动力排水固结法加固饱和软粘土地基试验研究

针对强夯法加固饱和软粘土地基时超静孔压消散难和易出现"橡皮土"现象,提出强夯和排水固结二者结合的动力排水固结法,利用立体排水系统来加速夯后超静孔压的消散和软土固结,并结合某港口仓库软基加固工程进行了现场试验研究,对动力排水固结法的加固效应、加固效果及工艺特点等进行了分析和讨论。     

考虑有效电压衰减的二维真空预压联合电渗排水固结解析解

以指数函数描述电渗过程中有效电压随时间衰减,建立考虑水平向和竖向的二维真空预压联合电渗排水固结理论,推导超静孔隙水压力的解析解,给出平均固结度的计算公式,并采用数值解进行对比验证。在此基础上,设真空度随地基深度线性减小,分析有效电压衰减速率、残余有效电压及真空度衰减率对地基固结性状的影响。研究表明:电压衰减越慢或残余有效电压越大,地基中的孔压消散越快,最终加固效果越好,但固结速度反而越慢,其中有效电压衰减速率对固结度的影响大于残余有效电压;真空度沿深度的衰减率越大,孔压消散越慢,形成的负超静孔压最大值越小,但对固结度几乎没有影响。     

重塑超固结饱和黏土蠕变试验与蠕变模型

采取杭州地区黏土制备重塑超固结土样（OCR=1.00,1.25,1.67,2.00,3.00）进行三轴剪切蠕变试验,研究超固结饱和黏土的时间变形特性和蠕变模型,对模型参数取值进行了分析。结果表明,重塑超固结饱和黏土的应力应变曲线具有应变硬化特征,在恒定偏应力下土样的时间变形曲线具有双曲线特征;超固结比越大,施加偏应力初始阶段试样中产生的超静孔压越小,试样变形进入蠕变阶段的时间越早,且在一定时间内试样的蠕变量发展越小。基于“孔压消散法”确定了超固结土的蠕变起始时间,采用双曲线蠕变模型可以高度拟合超固结饱和黏土剪切蠕变发展规律,曲线拟合分析表明：在相同的偏应力下,不同超固结比试样的最终蠕变量大致相等,但是超固结比越大时,土样蠕变发展越缓慢,表现为双曲线蠕变模型参数As在超固结比变化时几乎保持为常量,参数Bs则随超固结比的增大近似呈线性增长。     

粘性土初始水力坡度试验研究

粘性土中可能存在的初始水力坡度现象会影响其固结特性。通过GDS高级固结仪系统开展了不同塑性指数的粘性土和粉土在不同总固结压力和孔压条件时的孔压消散试验,研究结果表明:粘性土中存在初始水力坡度现象,土的塑性指数越高初始水力坡度也越大;孔压对初始水力坡度值有显著影响,孔压越小初始水力坡度越大;孔压相同时初始水力坡度随有效应力的增大无明显变化。     

桩周黏弹性土体固结分析

沉桩过程中桩周土体产生超静孔隙水压力,桩承载力的提高很大程度上依赖于超静孔隙水压力的消散。采用Merchant流变模型模拟土体黏弹性,考虑土体径、竖向耦合固结,研究沉桩后土体的再固结问题。假定沉桩后产生的超静孔压满足圆孔扩张理论,根据连续性条件,获得研究问题的控制方程。采用分离变量法、结合Laplace变换求得其级数解答。将该解答编制成应用程序,对一算例进行了分析。算例分析表明,深度在5.0m范围内土体的孔压消散受竖向固结影响较为明显;土体黏弹性减慢固结速度主要表现在中期接近后期阶段。     

考虑自重应力和Hansbo渗流的饱和黏土一维弹黏塑性固结分析

考虑地基土沿深度方向变化的自重应力,引入考虑时间效应的统一硬化(UH)本构模型描述饱和黏土固结过程中的弹黏塑性变形,同时采用Hansbo渗流方程描述固结过程中的非Darcy渗流,对太沙基饱和黏土一维固结方程进行修正,并给出有限体积法数值求解格式。通过与固结试验结果对比,验证了UH模型的适用性。然后探讨了土体自重应力、黏滞性、Hansbo渗流参数、土层厚度及外荷载大小等因素对弹黏塑性固结过程的影响。结果表明:在加载初期,土体的黏滞效应在地基不排水面附近引起了超静孔压升高的现象,且土体自重应力和Hansbo渗流对此均有增强作用,但是随外荷载的增大,这一现象有所减弱;同时,考虑土体自重应力将延缓加载初期饱和黏土地基中超静孔压的整体消散速率,但加快加载中后期饱和黏土地基的固结速率;并且,随着次固结指数、土层厚度及Hansbo渗流参数的增大,饱和黏土地基中超静孔压整体消散滞后,但增大外荷载却加快了饱和黏土地基的固结速率。     

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。     

高含水率疏浚泥轴对称大应变固结模型

高含水率疏浚泥在外加荷载作用下通常产生大应变固结变形,不适用于传统的Barron轴对称小应变固结理论。为此,基于Gibson一维大应变固结理论和Hansbo径向固结理论,摒弃小应变假定,考虑高含水率疏浚泥的材料和几何非线性、径竖向渗流等因素,建立了等应变条件下以孔隙比为变量的轴对称大应变固结模型ALSC,Gibson、Hansbo、Kjellman等建立的固结方程是该模型的特例。基于有限差分法,编制了计算程序,进行了ALSC模型与小应变模型的数值模拟,验证了ALSC的有效性。研究结果表明:土体变形较小时,ALSC模型与Barron模型计算的固结度和超静孔压数值基本吻合;土体变形较大时,ALSC模型与"Barron+Terzaghi"理论计算的最终沉降量和固结速率取决于土体的固结参数;当C_c/C_k=1时,ALSC模型的最终沉降量小于"Barron+Terzaghi"理论,但二者固结速率相当;当压缩系数av保持不变,ALSC模型(C_k=1)与"Barron+Terzaghi"相比,最终沉降量大,固结速率慢。     

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。     

逐级加荷下考虑施工扰动的复合地基固结解

在线性加载的情况下,考虑了扰动区土体水平渗透系数抛物线变化以及桩周土体的径、竖向组合渗流,给出了该问题的控制方程以及解答。在超静孔压解的基础上,给出了复合地基的固结度的表达式。最后对复合地基的固结性状进行了分析并与以往解做了比较,结果表明:加荷历时越久,地基固结越慢;桩体施工对周边土体的扰动越大,地基固结越慢;所给出的地基固结度较考虑扰动区土体水平渗透系数直线变化或者保持不变的解给出的固结度要快。     

真空联合堆载预压加固覆盖层深厚软土地基研究

根据现场监测资料和检测数据,研究真空联合堆载预压处理大面积覆盖层下深厚淤泥质软土地基的表面沉降、超静孔压、深层沉降、侧向位移等固结变形特性和加固效果,结果表明:由于覆盖层的应力扩散和"顶托"作用,地表沉降曲线比较顺滑,高填土堆载过程中无明显"坡降"段;地基土体压缩变形主要发生在覆盖层下部的深厚淤泥质软土层,覆盖层较厚时不利于消除下卧层土体压缩量。孔隙水压的增长和消散受真空负压和填土堆载共同作用,与覆盖层厚度有一定的关系,覆盖层较薄时,孔隙水压响应较快,堆载引起的超静孔隙水压值较大;覆盖层较厚时,孔隙水压响应较滞后,孔隙水压曲线较平缓,堆载引起的超静孔隙水压值较小。厚覆盖层的存在不利于软土的排水加固,方案设计和施工时应予以重视。     

一维软土地基非达西流固结分析

水在土体中的渗流规律以及边界的排水情况对土体中孔压消散的快慢有较大影响。采用Hansbo提出的可同时考虑低速渗流曲线段和较高速渗流直线段的非达西流公式模拟土中水的渗透规律,利用Galerkin加权残值方法推导了半透水边界一维非达西流固结问题的有限元方程表达式,并将其编制为应用程序。利用已有的基于达西流的双面半透水边界一维固结解析解答验证了求解方法的合理性和程序编制的正确性。在此基础上对半透水边界一维非达西流的固结特性进行了分析。分析表明, R _t =200时,半透水边界相当于完全透水边界,达西流情况孔压消散快于非达西流情况。同一时刻,半透水边界条件下达西流与非达西流固结存在一个深度分界点。分界点以上,非达西流情况孔压消散快于达西流情况;分界点以下,达西流情况孔压消散快于非达西流情况。且分界点随着 m 的增加而变深,但随着 i ₁ 的增加而变浅。