半透水边界砂井地基的真空预压固结解

针对砂井地基顶部存在垫层和底部存在下卧层的现状,采用半透水边界来反映它们对砂井地基固结的影响。假定地基变形符合等应变条件,考虑水平向渗透系数沿半径发生变化,建立了上下边界为半透水边界时真空预压砂井地基的固结理论,通过分离变量法获得固结度和沉降的级数解析解答,分析了底部透水系数、顶部透水系数、井阻、渗透系数沿半径分布特性对砂井地基固结度和沉降的影响规律。研究表明,当底部半透水时,最终负孔压和有效应力呈现出沿地基深度衰减的变化规律。当其它条件相同时,底部透水系数越大的地基固结度越大,但最终沉降和径向固结时间因子相同时的固结沉降却越小。当底部边界不透水时,最终沉降不会随着顶部透水系数改变而改变。但当底部边界半透水或完全透水时,最终沉降随着顶部透水系数增大而增大。顶部透水系数越大的地基固结度越大,径向固结时间因子相同时的固结沉降也越大。均匀井阻的大小不会影响负压最终竖向分布特性,也不会改变最终沉降,但会明显降低砂井地基固结度,延长固结完成时间。渗透系数径向分布模式会对砂井地基的固结度产生影响。工况一计算的固结度最大,工况二计算的固结度最小,工况三计算的固结度介于工况一和工况二之间。半透水边界对真空预压砂井地基固结过程的影响规律与堆载预压砂井地基相比存在明显不同。     

Strength evolution and deformation behaviour of cemented paste backfill at early ages: Effect of curing stress,filling strategy and drainage

In this study, a pressure cell apparatus is developed to investigate the early age evolution of the strength and deformation behaviour of cemented paste backfill(CPB) when subjected to various loading conditions under different curing scenarios. The different curing scenarios that are simulated include:(1)drained and undrained conditions,(2) different filling rates,(3) different filling sequences, and(4) different curing stresses. The findings show that drainage, curing stress, curing time and filling rate influence the mechanical and deformation behaviours of CPB materials. The coupled effects of consolidation, drainage and suction contribute to the strength development of drained CPB subjected to curing stress. On the other hand, particle rearrangement caused by the applied pressure and suction development due to self-desiccation plays a significant role in the strength gain of undrained CPB cured under stress.Furthermore, curing stress induces slightly faster rate of cement hydration, which can contribute to strength acquisition.     

考虑土体自重的不排水对称面有限元分析

在Terzaghi一维固结理论的基础上,结合连续排水边界,推导了连续排水边界下考虑土体自重的一维固结不排水对称面的解析解答.基于ABAQUS有限元软件开发了考虑土体自重的连续排水边界子程序,将计算结果与所推导的解析解进行对比,验证了该计算方法及其边界子程序的正确性.通过分析土体在自重作用下不排水对称面的影响因素,并与未考虑土体自重下的情况进行了对比,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：考虑土体自重情况下在不排水对称面大部分时间移动的区间内设置排水砂层是较为合理的.     

土水特征曲线为直线的非饱和土一维固结计算

基于Bishop有效应力原理,将土水特征曲线与固结方程相结合,提出土水特征曲线为简单直线型的非饱和土一维固结的计算方法.假定土体固结分为2个阶段:第一阶段为不排水、不排气阶段,土体的变形只是因为气体压缩所引起的;第二阶段为排水、排气阶段,土体的变形是因为孔隙水和孔隙气的排出而引起的.在此过程的基础上,建立并求解非饱和土一维固结方程,分析影响非饱和土一维固结的因素.影响非饱和土一维固结速率的最重要因素是孔隙流体的渗流路径.在相同边界条件下,非饱和土固结过程与饱和土固结过程中孔隙流体压力沿深度的分布随时间的变化规律相同.     

变荷载下饱和土一维热固结解析理论

基于渗流理论、热弹性理论和饱和土固结理论,通过建立数学模型,采用解析方法研究了变荷载下饱和土的一维热固结问题.利用偏微分方程理论中的冲量定理,得到土层内部超静孔压、温度增量的解析解,并由此求出地基沉降、平均固结度的表达式.根据所得解编制了计算程序,分析了饱和土的一维热固结性状,并与不考虑温度影响的解进行比较.结果表明,加载时间、温度增量、热传导速率等对土体热固结性状有重要影响;受温度影响,热固结中的超静孔压消散速度加快、地基沉降减小;按沉降定义和按孔压定义的地基平均固结度是不同的.     

Simplified method for predicating consolidation settlement of soft ground improved by floating soil-cement column

A simplified method is presented for predicting consolidation settlement of soft ground improved by floating soil-cement column on the basis of double soil-layer consolidation theory. Combining the axisymmetric consolidation model and equal strain assumption, the governing equation was derived for the consolidation of clayey subsoil reinforced by soil-cement column. By modifying the boundary condition of the interface between the improved layer and underlying layer on seepage and pore-water pressure, the analytical solution of consolidation of soft ground improved by floating soil-cement column was developed under depth-dependent ramp load. The results of the parameter analysis of consolidation behavior show that the consolidation rate is closely related with the depth replacement ratio by the column and the permeability of upper layer. The influence of column-soil constrained modulus ratio and radius ratio of the influence zone to the column on consolidation is also affected by depth replacement ratio. The column-soil total stress ratio increases with time and approaches the final value accompanied with the dissipation of excess pore water pressure.     

冲击作用下饱和土性状的试验研究

在三轴条件下,对饱和土(砂土和黏土)进行排水与不排水条件下的冲击试验及冲击后再固结试验,对比研究了不同渗透性土在不同排水条件下的冲击动力响应和冲击后再固结性状。结果表明:饱和黏土不排水冲击时的孔隙水压力随冲击击数增加而升高并逐渐稳定,排水冲击时的孔隙水压力则是先达到峰值然后有所下降; 砂土不排水冲击时的冲击能量对孔隙水压力影响最明显; 饱和砂土不排水冲击时的轴向应变与冲击击数呈近似线性关系,饱和黏土冲击及饱和砂土排水冲击则呈近二次曲线关系; 饱和砂土不排水冲击后再固结阶段的孔隙水压力立即消散为0,同时体变迅速增大到一定值; 饱和黏土在冲击后再固结阶段的孔隙水压力在一定时间内逐渐消散完毕,同时体变逐渐增大; 饱和黏土排水冲击时,冲击阶段产生的体变占冲击引起总体变的39%～49%,冲击后再固结阶段产生的体变占51%～61%; 砂土和黏土的总体变均表现为排水冲击明显大于不排水冲击,改善冲击时的排水条件有利于提高加固效果。     

Vertical drainage capacity of new electrical drainage board on improvement of super soft clayey ground

As an advanced polymer composites electro-kinetic geosynthetics, the electro-osmotic vertical drainage(EVD) board could drain water quickly and accelerate consolidation process. However, the drainage rate was mainly impacted by the vertical drainage capability. Therefore, vertical drainage capability at the top of EVD board was theoretically analyzed. Basic requirements for drainage at the top of the board were summed up, as well as the formula of anode pore pressure when losing the vertical drainage capability. Meanwhile, a contrast test on the top and bottom drainage capacities was conducted. In use of the advanced EVD board, the voltage potential and pore pressure of anode were measured. Moreover, the derived formulas were verified. The result shows that the decrease of electric force gradient had an observable impact on the drainage capability. There was nearly no difference between the energy consumption for the two drainage methods. Although a little less water was discharged, the top drainage method had more advantages, such as high initial drainage velocity, few soil cracks, low anode water content and high soil strength. All of these show that the super soft soil ground could be consolidated quickly in use of the advanced EVD board through the top drainage. The top drainage method could efficiently improve the drainage effect, decrease the energy consumption and speed up the project proceeding.     

考虑次压缩时分级超载预压时间的确定方法

采用能够同时考虑主固结和次固结沉降的一维弹黏塑性等效时间线模型,近似采用地基处理规范中推荐的固结度计算公式,建立等速分级加载时预压持续时间与固结度和超载量之间的相互关系式,确定当超载量一定时超载预压的卸载时间.理论分析表明,堆载预压的持续时间不但与固结度、超载比和加载计划有关,而且与初始有效应力和黏塑性指数也有关.算例表明,针对特定的加载方案,受软土地基强度增长规律的影响,超载预压存在最短持续时间.对次固结变形显著的软土地基,按纯主固结理论计算的持续时间过小,考虑次固结沉降后无法满足工后沉降的要求;而按有效应力面积比法计算持续时间时有时会出现固结度大于1.0的错误,应全面考虑主固结和次固结的沉降特性才能合理地确定超载预压的持续时间.     

变荷载下半透水边界成层黏弹性地基的一维固结分析

基于Kelvin黏弹性地基模型，研究了半透水边界饱和成层黏弹性地基在循环荷载作用下的一
维固结问题。利用Laplace变换，得到了问题在变换域内的通解。通过数值Laplace逆变换，获得了黏弹性
成层饱水地基在变荷载下的有效应力及固结曲线图。结果表明，在变荷载下黏弹性地基的固结速率慢于弹
性地基，其有效应力呈振荡增长；地基的上部垫层和下卧土层的透水性能对固结速率具有较大的影响。     

轴向循环加载条件下人工制备结构性土力学特性

为探讨结构性土的力学特性和变形机理,对人工制备的弱胶结结构性土样进行了轴向加载—卸载—再加载的三轴压缩试验,分别在围压为25和100 kPa时进行了固结排水和固结不排水压缩试验.结果表明:随着荷载的逐渐增加,结构性土样的结构逐渐弱化,其特性逐渐趋向重塑土的特性;在固结排水条件下,在整个轴向加载—卸载—再加载过程中,结构性土样总体上体积收缩.但在轴向应变较小,颗粒间的胶结保持较完好时,在卸载时会出现局部剪胀或体积收缩不明显,区别与重塑黏土的特性;在固结不排水条件下,产生正的孔压,轴向卸载时,在应变较小的情况下,孔隙压力减小,在应变较大的情况下,孔隙压力增大,且围压大时孔隙压力增加的量值大.     

半透水边界双层复合地基固结解析理论

研究了考虑双面半透水、涂抹效应和应力集中效应的双层散体材料桩复合地基固结解析解及其工程应用.依据应力条件下的平衡方程和连续条件下的固结方程，由假定的无穷级数解推导出特征方程，并基于特征方程讨论了特征根取值的各种情形，进而得到了双面半透水双层复合地基的固结解析解.研究了给出的计算模型转化为求解单、双面透水双层散体材料桩复合地基以及双层天然地基固结理论的可行性，进而证明求得解具有普遍适用性.研究发现，半透水边界对固结的影响不明显；固结速率随桩径比的减小和桩体刚度的增大而增大；桩径比的作用大于桩体刚度的作用.     

黄河放淤固堤工程淤背体排水固结规律分析

采用解析解分析了淤背体在施工完成前后淤背土体固结规律,探讨了淤土速率、淤区土的特性,特别是固结系数、排水边界条件对固结影响。结果表明：设置水平排水层后可以加速固结;相同淤土条件,淤土施工速率对固结度影响较大,当施工速率大于等于1．6m／月后,施工速率对固结度的影响更明显;相同的施工速率下,固结度随着固结系数的增大而增大,当固结系数为10^-6cm2／s量级时,施工速率对固结系数影响较明显;而为10^-5cm^2／s或10^-7cm2／s量级时,施工速率对固结度影响不大。     

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。     

平面应变条件下水土耦合超固结黏土分叉分析

基于Hvorslev面超固结黏土三维弹塑性本构模型,导出在不排水和排水固结条件下饱和黏土的应变局部化分叉条件,分析不同渗透系数、排水路径长度和应变速率对分叉的影响.理论分析表明,在平面应变条件下,土体应变局部化分叉随着孔隙水的流动程度发生显著变化.利用嵌入上述本构模型的有限元软件ABAQUS,在平面应变应力路径下对加载面排水的多单元立方体应变局部化分叉现象进行数值分析.结果表明：当排水路径长度和应变速率一定时,渗透系数越大,应变局部化分叉出现得越早;当渗透系数一定时,排水路径长度和应变速率越大,应变局部化分叉出现得越晚;当时间因数一定时,应变局部化分叉出现时对应的剪应变一定.     

饱和粘土中球孔扩张问题弹塑性解析

为了研究静力触探试验及沉桩扩孔等工程问题,基于修正剑桥模型,推导了不排水条件下球孔扩张问题的半解析解。将扩张球孔周围土体分为临界状态区、塑性区以及弹性区三个区域。弹性区内,利用弹性理论得到应力和孔隙水压力的解答;临界状态区及塑性区内,利用相关联的流动法则、拉格朗日分析法建立了关于应力的一阶非线性常微分方程组,以弹塑性界面处的应力分量作为初值,求解微分方程组可得到应力和孔隙水压力的解答。研究结果表明：各向同性超固结比对扩孔压力、土体应力、超孔隙水压力以及塑性区范围均具有显著影响,且扩孔过程中土体剪切模量并非常量,其随扩孔半径、各向同性超固结比的变化而变化;同时通过与已有解答进行比较,对本文方法的可靠性进行了验证。     

有无侧限条件下公路软基堆载预压对比研究

为降低堆载预压排水固结对周边环境的不利影响,提出了侧限堆载预压控制技术。基于FLAC3D有限元分析软件建立有无侧限堆载预压排水固结模型,将无侧限堆载预压模拟结果与实测结果进行对比,验证了数值模拟模型的合理性与可行性,探讨了有无侧限堆载预压的差异。研究结果表明:侧限控制技术能有效降低软土地基沉降、加快前期固结速率;同时侧限位置离堆载预压区边缘越近,侧限效果越好。     

底水油藏水平井的合理位置多目标优化

底水油藏水平井垂向位置是影响水平井开发效果的重要因素。利用有限Fourier正弦变换和源函数理论求解三维稳态渗流方程,得到了圆柱形底水油藏水平井的产能、临界产量和见水时间公式。以水平井垂向位置为决策变量,建立了以其产量、临界产量和见水时间为目标函数的多目标优化模型。实例计算结果表明,水平井在底水油藏中的合理位置约为油藏厚度的4／5。这为水平井开采底水油藏的优化设计提供了理论基础,对实现水平井的稳产及延长无水开采期具有重要的理论和现实意义。     

赤泥堆场固结排水方案的数值分析

流塑状赤泥含水率高、强度低,通过排水固结处理,可以增大其密度和强度,增强其堆场的稳定性,并减小堆场渗漏污染的可能性.采用固结有限元计算,对比分析分层堆载干赤泥、塑料排水板和真空预压3种方案的固结排水效果.由于流塑状赤泥渗透性低,堆载产生的超孔隙水压力难以消散.分析表明,堆载+塑料排水板联合方案下,赤泥堆场能够及时完成固结,有利于扩大库容.     

原始土层影响下成层介质污染物一维扩散模型

为了准确定义成层衬里系统底端边界条件，提出了考虑原始土层影响的成层介质污染物一维扩散模型.采用两层介质之间污染物质量浓度连续和通量连续条件，处理衬里系统底端边界条件.基于顶部边界污染物浓度恒定及平衡线性吸附假设，建立了该模型.并采用与成层地基固结类似的分离变量解法得到了解析解.结果表明，该模型得到的结果和半解析法吻合得较好.随着原始土层厚度的增大，衬里底端质量浓度呈明显减少趋势；当原始土层厚度达到10 m以后，质量浓度变化不大.单一的土工聚合黏土衬里(GCL)不足以有效防止填埋场渗滤液的扩散.基于该模型计算得到的结果较Foose基于半无限边界法得到结果更偏于安全.