软粘土深基坑开挖时间效应的有限元分析

目前对开挖工程一般只作总应力法分析,本文将Ｂｉｏｔ固结有限元用法饱和软粘土地基深基坑性状的研究,通过典型算例分析土体超散负孔压的分布及分步开挖工程的固结效应,阐述了开挖速率的影响。最后对某深开挖工程实例进行了分析,旨在为基坑工程的设计和施工提供参考。     

某软土深基坑工程时间效应有限元分析

软土地区的深基坑因土体的固结作用和流变性而具有了时间效应。本文以Biot固结有限元法为基础,用三元件模型中的第一个线性弹簧模拟固结作用,弹性模量考虑了开挖应力路径和应力历史的影响;另外一部分(KELVIN模型)来模拟土体的流变性,以实际变形的反演来得到两个参数的大致取值,再对基坑的变形情况以及进一步开挖进行分析。假定为正常固结饱和粘土,平面应变问题。通过对某饱和软粘土地基深基坑开挖工程实例的分析,得到的挡墙水平位移曲线与实测曲线很吻合,表明程序较好地反映出基坑的时间效应。     

南京地区土体热导率性质测试与分析

通过对南京地区大量粘土和粉质粘土样品热导率值的测试,分析了土体热导率与其含水量、孔隙比的相关关系。对影响土体导热值的因素作了详细分析,提出了根据土体含水量、孔隙比值计算土体热导率的经验计算公式。     

固结条件下黏性土微观孔隙结构试验研究

土体微观结构状态是控制土体稳定的重要因素,工程土体在宏观上表现出的复杂特性根本上取决于微结构的复杂性和不确定性。本文以德州市沉降区钻孔中黏性土层为研究对象,基于对电镜扫描图像的分析处理,从微观角度对不同深度黏性土的孔隙结构演化机制进行研究,并探讨土体初始结构状态对压缩性的制约关系。微观试验分析表明:固结荷载改变土体微结构类型,随着固结荷载增加,结构单元体由松散状态转变为团聚状态,土体密实度提高,孔隙面积减小。定量分析表明:固结压力将改变土体微结构要素,随着固结荷载增加,平均孔径减小、微小孔隙所占比例增加、孔隙形状不断调整最终趋于圆滑、集团化程度变高、土体定向性增强。上述试验为深入理解土体微观结构非线性问题,以及微观结构与宏观工程特性的相互作用机制提供了依据。     

软粘土卸载特性计算模型研究

本文从三个方面对软粘土的卸载特性进行了理论研究。采用太沙基一维固结理论，编制了内嵌固结计算的修正剑桥模型程序．对软粘土卸载强度进行了分析。推导了基于修正剑桥模型的孔压表达式并编制了相应的程序对软粘土的卸载孔压特性进行了研究，结果显示，在伸长条件下．孔压先由零逐渐发展到负的最大值．然后又逐渐减小至零。突破零位后，发展成为正孔压并最后达到正的最大值。围压越大，产生的负孔压的极值越大，最终的正孔压越小。将传统边界面模型的线弹性卸载过程改进为弹塑性．建立了软粘土的边界面广义弹塑性模型，从而使边界面模型可用于分析软粘土卸载过程中的塑性变形问题。理论分析结果与试验进行了比较验证，证明理论研究方法是可行的。     

饱和超固结黏性土的三剪弹塑性本构模型研究

针对饱和超固结黏性土现有下加载面修正剑桥模型中破坏应力比为定值、土体黏聚力为零,以及不能准确反映不同应力状态下土的强度差异这些问题,基于三剪统一强度准则以及应力坐标平移法得到了扩展破坏应力比,其特点是能更好地反映应力状态变化以及土体黏聚力的影响。在此基础上提出了饱和超固结黏性土的三剪弹塑性本构模型,该模型的特点是能描述土体受力时的中间主应力效应,应力区间效应和拉压差影响,同时也能更好地考虑土体黏聚力的影响。基于该模型对ABAQUS软件进行了二次开发,并利用其模拟了饱和超固结黏性土在排水和不排水条件下的真三轴和常规三轴压缩试验特性。对常规三轴压缩条件下土体力学特性作了模拟和试验结果对比。结果表明所提模型能很好地反映不同超固结比下土体的变形、剪胀、孔隙水压力变化特性。     

考虑热渗效应的有限热源固结近似解1）

通过建立考虑热渗效应和热流固耦合效应的饱和土体固结方程,研究了无限长圆柱热固结问题. 利用Fourier 和Laplace 变换及其逆变换,给出了热固结问题的解析解;然后对空间内无限长圆柱形热源问题进行研究,得到非等温条件下柱体周围饱和土体温度、孔隙水压力的近似解,并总结其规律,分析了热渗系数、固结系数对温度作用下土体固结的影响.     

考虑热渗效应的有限热源固结近似解

通过建立考虑热渗效应和热流固耦合效应的饱和土体固结方程,研究了无限长圆柱热固结问题.利用Fourier和Laplace变换及其逆变换,给出了热固结问题的解析解;然后对空间内无限长圆柱形热源问题进行研究,得到非等温条件下柱体周围饱和土体温度、孔隙水压力的近似解,并总结其规律,分析了热渗系数、固结系数对温度作用下土体固结的影响.     

不同湿化状态下压实红黏土的压缩特征

为模拟路基土体在不同湿度状态下的压缩特征,以湖南长沙－韶山－娄底高速公路的红黏土路基填料为研究对象,开展吸水自由膨胀、吸水限制膨胀和不浸水等三种湿化状态下的压缩实验研究。本文根据实际应力与固结屈服应力的关系提出确定土体压缩系数的改进方法,并与目前规范中推荐的压缩系数(a_1-2)进行了比较,验证了改进方法更加合理。然后,对比分析不同湿化状态下的压缩指标。结果表明：吸湿后的土体压缩性均大于不浸水土的压缩性;但浸水吸湿限制膨胀和浸水吸湿自由膨胀后再压缩,前者的压缩性要大于后者的压缩性。最后,从孔隙结构的细观角度探讨了固结应力对土体孔隙结构的作用模式,发现固结作用主要影响孔径d>10μm范围内的孔隙分布。     

正常固结原状饱和黏性土的本构模型研究

基于扰动状态概念研究了正常固结饱和原状黏性土的本构模型。其中,相对完整状态采用基于原状黏性土的理想非线性弹性本构模型来表征;完全调整状态则是基于临界状态土力学框架,将修正剑桥模型与三剪强度准则相结合而建立的弹塑性本构模型来表征。为了更好地反映黏性土的黏聚力影响,提出了等量代换法和坐标平移法两种处理方法,并作了对比研究。针对基于临界状态土力学框架和扰动状态概念建立的原状土本构模型为平均应力、广义剪应力与体应变、广义剪应变间的关系且无屈服函数显式表达式,提出了一个将其三维化的方法。三维化后的原状黏性土本构模型为空间内6个应力分量和6个应变分量之间的关系,更便于复杂应力状态下的土体变形分析及有限元编程。为验证模型的正确性,对正常固结江西原状饱和红黏土土样作了固结排水和固结不排水条件下的常规三轴压缩试验和K0固结试验,并与模型计算结果作了对比,结果表明:所提模型能够较好地反映江西原状饱和红黏土的力学和变形特性。另外,用所提模型对江西原状饱和红黏土进行了真三轴压缩数值模拟实验,探讨了中间主应力对其力学和变形特性的影响,结果表明:中间主应力及其影响系数对土的变形、孔隙水压力、强度均有影响;固结不排水条件下,在相同剪应力的作用下,土体剪应变随中间主应力影响系数的增大而减小,在相同轴向应变条件下,孔隙水压力随中间主应力影响系数的增大而增大;固结排水条件下,在相同平均正应力作用下,土体体应变随中间主应力影响系数的增大而减小,在相同轴向应变条件下,土体体应变随中主应力影响系数的增大而增大。     

A RHEOLOGICAL CONSOLIDATION MODEL FOR SOFT CLAY WITH CONSIDERATION OF TEMPERATURE AND THE ANALYTICAL

基于四元件流变模型,考虑温度影响,建立了宁波软黏土流变固结模型,并利用拉普拉斯变换得到瞬时加载条件下的考虑温度 影响的饱和软黏土流变固结解析解;利用不同温度下软黏土的流变固结试验结果,拟合获得了四元件流变模型参数,进行编程得到理论值, 并与试验值进行对比. 结果表明：该模型能较好反映宁波软黏土流变固结特性,计算结果与试验结果较为吻合.温度的升高导致渗透系数增大,在相同的时间内孔压消散 越快, 固结 越快.     

ONE-DIMENSIONAL NONLINEAR CONSOLIDATION THEORY FOR SOFT GROUND WITH CONSIDERATION OF SECONDARY CONSOLIDATION1)

将软黏土变形分为有效应力变化引起的变形和次固结引起的变形,推导了软土新型应力应变关系。然后结合Davis固结理论,建立了考虑次固结的一维非线性固结控制方程,并对其进行解析求解。通过与数值方法对比,验证了解析解的可靠性。在此基础上,分析了次固结对软土地基固结沉降的影响。结果表明：考虑次固结的孔压消散速度与固结速度较不考虑次固结的慢;忽略次固结将低估软黏土地基的工后沉降。     

考虑热渗效应的有限长圆柱热固结解

在作者已建立的饱和多孔介质耦合非线性热弹性理论基础上,考虑热渗效应,建立了饱和多孔介质耦合热弹性固结方程,并推导了有限长圆柱热固结问题的解析解,进而以温控三轴试验的试样为例进行了算例分析,同时利用COMSOL软件进行了数值模拟,并将解析结果和数值结果进行对比．结果表明：在不排水条件下,影响试样最终孔压大小的参数是：土的泊松比>弹性模量>水的体膨胀系数,渗透系数对孔压变化影响不大,考虑与不考虑水土压缩性不影响孔压的计算;相对线弹性情况,考虑非线弹性膨胀系数随温度变化时的孔压有所下降,轴向应变变化很小．     

Chemo-Mechanical Consolidation of Clays: Analytical Solutions for a Linearized One-Dimensional Problem

Consolidation (and swelling) of clayey soils caused by change in chemistry of pore fluid is addressed. Such phenomena are caused by changes in the concentration of various species in the solution and result primarily from a stress-independent deformation of individual clusters, and from a mechanical weakening or strengthening of the clay solid matrix in the presence of stress. Second, transport of chemicals that involves concentration gradients induces additional driving forces of osmotic consolidation due to semipermeable membrane nature of clay. In this paper an extension of Terzaghi's model of the mechanical consolidation to incorporate chemical loading of soil is proposed. A linearized model is used to solve analytically two one-dimensional problems of consolidation of a homogeneous layer simulating a landfill liner with drained or undrained boundaries. The numerical results show a strong dependence of distribution of pore pressure on the chemical load and chemically induced settlements of soil to be comparable to the mechanical ones.     

排水固结法加固软基变形简化计算分析

插板和砂井堆载预压是处理软基有效方法之一,现有的沉降变形计算方法大部分采用轴对称理论的解析解和以太 沙基或比奥固结理论为基础的数值解,仍较为复杂。根据软基排水固结机理,采用固结度等效原理,对渗透系数进行调整,把 砂井(插板)地基简化为均质成层地基。运用有限元对某软土路基处理工程进行简化计算,并和监测结果进行对比分析,对简 化计算方法进行验证。发现具有较好的准确性,为实际软基处理工程的沉降变形分析提供了一种简单实用的方法。     

动力排水固结法加固吹填黏性土的模型试验研究

为了研究动力排水固结法加固吹填土地基的效果,研发了大比例尺的室内模拟试验装置并开展了试验。重点对夯沉量、土体内孔隙水压力的瞬时和长期变化进行了监测和分析,得到如下结论:夯击产生的能量以波的形式向土体内部传播,由于波的作用造成土体拉伸形成裂隙,这些裂隙成为初期的排水通道; 孔隙水压力的动态变化具有明显的脉动特性,夯击瞬间出现负增长,然后再累积增长; 不同深度土体的孔隙水压力增幅不一样; 土体表面铺设的砂垫层不仅可以用做排水,还可以作为静力荷载,有助于土体的排水固结。     

BIOT’S CONSOLIDATION ANALYSIS FOR CYLINDRICAL SOIL-SAMPLE BASED ON HANSBO’S FLOW1)

诸多黏性土渗流试验表明,在低水力梯度下渗流会出现明显偏离Darcy定律的现象. 为了分析渗流的非Darcy特性对固结过程 的影响,引入Hansbo渗流方程描述圆柱土样内的渗流,重新推导轴对称条件下的Biot固结方程,并给出方程的Crank--Nicolson有限 差分格式. 通过与Darcy渗流条件下轴对称Biot固结方程解析解的对比,验证计算方法的有效性. 然后分析Hansbo模型参数对圆柱 土样固结过程的影响. 计算结果表明：与Darcy渗流相比,Hansbo渗流会延缓圆柱土样的固结过程. 随着Hansbo渗流参数m或I¹的增大,在固结前期,Mandel--Cryer效应会更加显著,即孔隙水压力峰值将提高,且达到该峰值的时间 会延迟;在固结中后期,孔压消散滞后的现象也更加明显. 不过,Hansbo渗流对位移的影响很小.