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。     

施工荷载下理想砂井地基弹黏塑性固结分析

为深入研究饱和黏土流变特性及施工荷载对理想砂井地基固结性状的影响,在Barron理想砂井固结理论基本假定的基础上,引入考虑时间效应的统一硬化(UH)本构模型描述饱和黏土的弹黏塑性变形,同时将施工荷载简化为线性加载,重新推导了理想砂井固结方程,并给出了固结方程的隐式差分格式。通过与文献中变荷载下砂井地基非线性固结方程解析解的对比,验证了研究方法的有效性。探讨了施工荷载和UH模型参数等对砂井地基固结进程的影响。结果表明:施工阶段砂井地基内出现的孔压升高现象不仅是施工荷载随时间增加造成的,黏土的黏滞性也是原因之一; 延长工期和增大UH模型参数均会使砂井地基孔隙水压力的整体消散时间延长,从而减小其固结速率; 当工期较长时,按瞬时加载情况计算砂井地基的固结进程将会产生较大误差,而忽略土体的黏滞性将会高估砂井地基的固结速率。     

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。     

基于Hansbo渗流的理想砂井地基径向弹黏塑性固结分析

传统砂井固结理论没有考虑软黏土显著的流变特性以及渗流的非Darcy特性,常常导致计算结果与实际偏差较大。为进一步探究软黏土地区的砂井固结机理,通过引入考虑时间效应的统一硬化(UH)本构模型以及Hansbo渗流模型分别描述土体变形的非线性和渗流的非Darcy特性,在不考虑井阻和涂抹效应的情况下,对Barron自由应变假定下的砂井固结方程进行改进,并给出方程的隐式有限差分求解格式。与Berry的显式数值解的对比表明该算法是有效性的。据此对土体黏滞性以及Hansbo渗流参数对砂井非线性固结过程的影响进行分析。结果表明:软黏土的黏滞性使固结初期砂井影响区外边界附近的孔压升高,且黏滞性越强,这种现象就越明显;同时Hansbo渗流对孔压升高具有增强作用。但在固结的中后期,土体的黏滞性及渗流的非Darcy特性会延缓砂井地基中孔压的整体消散。     

基于非牛顿指数渗流的饱和黏土一维流变固结分析

为了深入探讨黏性土变形的弹黏塑性和渗流的非达西特性对一维固结进程的影响,分别引入考虑时间效应的统一硬化(UH)本构模型和用非牛顿指数描述的非达西渗流模型,考虑随时间变化施工荷载的影响,修正了太沙基一维固结方程,并给出了有限体积法数值求解格式。通过与相关文献的退化算例进行对比,验证了本文算法的有效性。在此基础上,分析了次固结系数、非牛顿指数、施工荷载和施工工期等参数对饱和黏土流变固结的影响。结果表明:竣工初期地基底部不排水面处孔压异常升高的现象是由饱和黏土的黏滞性引起的,且考虑非牛顿指数渗流和减小施工荷载时,这一现象更为明显;增加施工荷载将使得竣工后地基中孔压的整体消散速度加快;相较于瞬时加载,施工工期对地基流变固结的影响主要体现在初期。     

基于非达西渗流的饱和黏土一维流变固结分析

 为进一步深入探讨饱和黏土的固结机制,引入Merchant流变模型描述其流变固结过程,并同时考虑低速渗流曲线段和较高速渗流直线段的Hansbo渗流方程描述固结过程中的非达西(Darcy)渗流,修正Terzaghi饱和黏土一维固结方程,并给出有限体积法数值求解格式。通过对比已有的Darcy渗流条件下流变固结方程解析解,证明本文数值方法是有效的。然后探讨Hansbo渗流参数和Merchant流变参数对流变固结过程的影响。计算结果表明,渗流的非Darcy特性和流变效应都延缓饱和黏土中孔隙水压力的整体消散速率和地基的沉降速率,同时考虑这2种特性比单独考虑其中任一种特性时达到同一固结度需要的时间要长。而且,考虑流变效应时按变形定义的固结度要小于按孔隙水压力定义的固结度。     

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。     

层状粘弹性地基一维固结特性

采用Merchant 流变模型模拟土体的粘弹性,针对层状黏弹性地基一维固结偏微分方程,利用Galerkin加权残值方法推导了该问题有限元矩阵表达式。将求解方法编制成应用程序,通过单层黏弹性地基和双层线弹性一维固结问题解答与解析解答对比,验证了求解方法和程序的有效性。采用程序对三层黏弹地基一维固结问题进行了算例分析,研究了处于不同深度处土层在不同时刻受土体粘滞性影响程度,以及粘弹性参数η 1对土体孔压消散的影响。分析结果表明,黏滞性土体孔压消散慢于线弹性土体,且随着时间的增加和土层距离排水面距离的增加,这种现象更明显,在土层固结度达到80%～90%时两者差异达到最大值。粘弹性参数η 1越大,粘滞性土体与线弹性土体固结度差异越大,且对土体的固结度影响也越提前。     

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。     

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。     

基于起始水力坡降的软土一维大变形固结分析

深厚软黏土的大变形特性以及土中渗流存在的起始水力坡降已分别为人们所认识,但能考虑起始水力坡降的深厚软土大变形固结理论报道甚少。假定土的体积压缩系数保持不变,渗透系数与孔隙比为平方关系,在拉格朗日坐标系中建立以超静孔隙水压力为变量考虑起始水力坡降的软土大变形固结问题的控制方程及求解条件。利用有限差分法解决了由起始水力坡降所引起的动边界问题,将很小起始水力坡降下(10-5)的差分解与达西渗流定律下解析解对比,验证了差分数值计算结果的可靠性,从而为解决移动边界问题提供了一种有效方法。最后着重分析了量纲一变量R对固结性状的影响及在大、小应变不同几何假定下固结性状的区别,结果表明:R值的大小会影响渗流前锋的最终位置及移动速度、超静孔压的消散速率。R值越大,渗流前锋的移动速度越慢,土中超静孔压消散越慢,残留于土中而不能消散的超静孔压越大,进而导致土体发生的最终沉降量就越小。大变形几何假定下土中超静孔压的消散速率要比小变形几何假定下快,且固结完成时残留于土中不能消散的超静孔压值要比小变形几何假定下小,故计算得到的地基最终沉降量要比小变形几何假定下的计算值大。     

理想砂井地基径向弹黏塑性固结分析

饱和黏土变形的非线性和流变特性已被人们所逐渐认识。为进一步探讨该特性对砂井地基固结过程的影响,引入考虑时间效应的统一硬化(UH)本构模型描述土体骨架弹黏塑性变形关系,在Barron砂井固结理论的基础上,重新推导砂井径向固结方程,并给出方程的隐式有限差分格式。通过与Berry基于压缩指数的显式数值解对比,验证本文计算方法的有效性。探讨了UH模型参数和渗透指数对砂井径向固结的影响。数值结果表明:黏性土的粘滞性使得固结前期砂井地基内部出现了孔压升高现象,并延缓了固结中后期砂井地基内孔隙水压力的整体消散。同时,随着初始超固结参数R₀、回弹指数C_s的增大或渗透指数C_k的减小,此现象变得更加明显。     

主应力轴循环旋转下饱和黏土累积孔压显式模型

交通荷载下饱和黏土累积孔压消散是导致交通荷载下路基沉降的重要因素。在详细介绍黏土空心圆柱试样制作过程的基础上,在各向等压条件下,分别对黏土试件在100,150,200 kPa压力下固结,而后进行主应力轴旋转角连续变化范围分别为[-15°,15°]、[-30°,30°]、[-45°,45°]和[-60°,60°]的不排水循环加载试验,循环次数为10 000次。得到了循环累积孔压的变化受静偏应力、初始固结压力及空心圆柱试样主应力轴连续旋转角影响的规律。运用修正动偏应力水平来考虑初始静偏应力和动偏应力对不排水累积孔压的影响,建立了常剪应力循环主应力轴偏转角循环加载下累积孔压模型。通过非各向等压固结循环扭剪试验累积孔压值对所建立的累积孔压模型的正确性进行验证。     

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。     

饱和黏土一维非线性固结与热传导耦合模型

为研究饱和黏土一维非线性固结与热传导耦合问题，在考虑温度变化对黏土物理力学性质影响基础上，推导得到非线性固结和热传导的控制方程，并建立相应耦合模型，该模型可考虑非线性固结过程与热传导过程的相互作用。随后，采用有限差分法对所建耦合模型进行求解，并通过与COMSOL软件和其他解析解计算结果对比，有效验证了模型的合理性。基于所建耦合模型，利用某一算例分析温度增量ΔT、先期固结压力p_cR和线性加荷时间t_a对固结行为影响。结果发现，温度变化会对非线性固结过程产生多方面影响，ΔT的增大整体上加快了超孔压的消散速率，也增大了沉降速率和最终沉降量；饱和黏土中超孔压的消散速率会随p_cR的增大而加快，但沉降量会随p_cR的增大而减小；t_a的增大会降低饱和黏土中产生的最大超孔压值，也会减慢固结速率。此外，在固结过程中，以沉降定义的固结度U_s小于以孔压定义的固结度U_p。     

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。     

基于非Darcy渗流的饱和黏土一维固结理论

 按Terzaghi饱和黏土一维固结理论得到的固结度理论值有时与实际值之间存在较大的误差,其原因之一是忽略了某些饱和黏土中孔隙水的渗流对Darcy定律的偏离。引入可以同时考虑低速渗流曲线段和较高速渗流直线段的非Darcy渗流方程,重新推导饱和黏土一维固结方程,并采用有限体积法对该方程进行数值求解。与Terzaghi饱和黏土一维固结理论解析解的对比,证明该方法的有效性。在此基础上,探讨非Darcy渗流参数对固结过程的影响。计算结果表明,非Darcy渗流延缓了饱和黏土中孔隙水压力的消散速度,故使得地基的固结速度比Terzaghi一维固结理论值要慢。同时,除固结系数外,综合直线渗流起始水力梯度i1、土层厚度H、地面荷载p0等3个参数的指标I1也是表征饱和黏土渗透固结特性的一个重要指标。最后,讨论Terzaghi一维固结理论的适用范围。     

考虑土体三维强度特性的静压桩周超孔压解析及演变

 将饱和黏性土中静压沉桩过程近视看作柱孔不排水扩张问题,在充分考虑土体三维强度特性的条件下采用SMP准则改进的修正剑桥模型,推导得出柱孔扩张引起超孔压的基本解答。在此基础上,考虑桩周土竖向和径向固结,建立空间轴对称固结方程的定解条件,采用分离变量法求得桩周超静孔隙水压力消散的级数解答。分析桩周土体超静孔隙水压力随时间和空间的演变规律,揭示应力历史、径向和竖向固结系数以及剪切模量等因素对初始超孔压的产生和随后的固结速率的影响规律,并通过实例验证本文解答的合理性和适用性。通过与现场实测对比,本文解答较好地反映了静压桩周土体超静孔隙水压力的演变规律。此外,桩周土体的超静孔隙水压力随距桩侧径向距离增大呈对数衰减。剪切模量和竖向固结系数对桩周土体固结速率影响较小,而土体超固结比和径向固结系数对固结速率影响较为显著,表明超孔压消散主要发生在径向。研究成果对静压桩承载力的确定具有一定的指导意义。     

真空预压加固软基土中应力研究

用弹性力学理论证明了真空预压加固软基处理的土体中产生的是各向相等的球应力,土体在球应力下排水固结,有效应力增加,其最大值为施加的大气荷载.用土力学理论推导了真空预压排水固结等效于无穷均布荷载下有限厚度土层排水固结,它们在土体中产生的附加应力均为球应力,从而可以将真空预压简化为无穷均布荷载工况下有限厚度土层排水固结.现场实测数据分析表明,真空预压加固软基土中超静(或称附加)孔隙水应力分布及消散规律符合太沙基一维固结理论.利用砂井地基等效渗透系数简化计算方法及本文等效荷载工况,将会给数值计算及实际工程应用带来极大的方便.     

基于Merchant模型的饱和土体热固结理论研究

为探究热力耦合作用下土体的流变特性,在广义Merchant三元件模型基础上,引入温度膨胀系数和温度影响下的黏滞系数等元件参数,建立饱和土体三元件热流变模型;推导瞬时加载时在单面排水边界条件下的解析解,并进行算例分析。结果表明:固结压力一定时,温度升高会加速土体固结;弹性模量对土体孔压和固结度影响较大,其中Kelvin体弹簧的弹性模量对孔压的影响较独立弹簧的弹性模量大;弹簧的膨胀系数对土体孔压消散不产生影响;温度升高会导致孔压曲线的间距逐渐缩小,说明孔压值的变化不仅与黏滞系数的变化有关,也与温度增长系数有关。