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.     

衰变热源作用下饱和多孔介质热固结问题的扩展精细积分法

热源作用下饱和多孔介质热固结效应是土木及能源工程领域的一个重要课题.由于问题的复杂性,已有的研究大多将介质假定为均匀各向同性,且将热源假定为恒定强度.实际工程中,天然饱和多孔介质常表现出明显的分层特性,热源强度也存在衰变性,为此本工作采用扩展精细积分法对衰变热源作用下层状饱和多孔介质的热固结问题进行研究.借助于积分变换,将饱和多孔介质热固结问题的偏微分方程转化为变换域内的常微分方程;然后对饱和多孔介质微层元进行合并消元,并结合边界条件,推导出衰变热源作用下层状饱和多孔介质热固结问题在积分变换域内的扩展精细积分解;对所得解答进行相应的数值积分逆变换,可获得所求温度、超静孔压及竖向位移在物理域内的解答.基于上述求解过程,编制相应的计算程序进行数值计算,通过与已有文献对比,验证本文扩展精细积分法在求解层状饱和多孔介质热固结问题中的适应性和正确性;最后通过几组算例,分析热源衰变周期、热源埋深及介质的成层性对热固结效应的影响.结果表明:热源衰变周期对温度和超静孔压的峰值、以及达到峰值的时间均有明显影响,衰变周期越长,二者峰值均越大,且达到峰值所需时间越长;热源埋深对超静孔压及竖向位移变化影响显著,深埋热源作用时热源两侧竖向位移呈对称分布,而浅埋热源两侧则无此现象;饱和多孔介质的分层特性对热固结效应影响明显.     

ANALYTICAL SOLUTION OF THERMAL CONSOLIDATION OF SATURATED SOILS WITH TWO PARALLEL CYLINDRICAL HEAT SOURCES1）

基于应力平衡条件、渗流连续方程、能量守恒方程,考虑土颗粒和孔隙水热膨胀系数的不同,建立考虑热水力耦合的饱和土体三维热固结控制方程。利用傅里叶变换和拉普拉斯变换导出变换域上的控制方程,解得点热源在变换域和实数域上的解析解,再利用区域积分给出两平行圆柱形热源热固结土体温度、孔压、位移的解析解,并对其进行分析,发现径距比增大会导致两热源温度相互影响程度减弱,热固结系数减小会导致孔压和位移的峰值增大。     

两平行圆柱热源作用下饱和土体热固结解析解

基于应力平衡条件、渗流连续方程、能量守恒方程,考虑土颗粒和孔隙水热膨胀系数的不同,建立考虑热水力耦合的饱和土体三维热固结控制方程。利用傅里叶变换和拉普拉斯变换导出变换域上的控制方程,解得点热源在变换域和实数域上的解析解,再利用区域积分给出两平行圆柱形热源热固结土体温度、孔压、位移的解析解,并对其进行分析,发现径距比增大会导致两热源温度相互影响程度减弱,热固结系数减小会导致孔压和位移的峰值增大。     

存在定流量汇项的分数阶导数黏弹性饱和土体一维固结解析

采用半解析方法对外部荷载和内部汇项共同作用所诱发的分数阶导数黏弹性饱和土一维固结特性进行了研究。首先,将分数阶微积分理论引入Kelvin-Voigt黏弹性模型以表征饱和黏土的流变性;然后利用Laplace积分变换,解析求解了Laplace变换域内存在外部荷载和内部汇项的分数阶导数Kelvin-Voigt黏弹性饱和土体一维固结微分方程;并采用Crump数值解法实现Laplace数值逆变换,从而得到了物理空间一维固结问题的半解析解。将所得半解析解与经典弹性饱和土体一维固结的解析解及均布荷载(无内部汇项)所诱发的分数阶导数黏弹性饱和土一维固结的解析解进行了对比,验证了本文半解析解的有效性。最后开展了参数研究,讨论了分数阶导数阶次、固结系数和汇项强度对饱和黏土固结行为的影响。结果表明:分数阶导数阶次主要影响固结发展速率,分数阶导数阶次越大,饱和黏土达到固结稳定所需的时间越短;固结系数对存在内部汇项诱发的固结问题的影响与传统由荷载诱发的固结问题的影响不同。固结系数、汇项强度和汇项位置均主要影响饱和黏土的最终沉降量,固结系数越大,最终沉降量越小;汇项强度越大或汇项位置离透水边界越远,固结沉降量越大。且存在汇项后,双面排水条件下的最终沉降量小于单面排水条件下的最终沉降量。     

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．     

岩土介质非稳态热固结耦合问题的热源函数法

考虑耦合效应的饱和土体热固结问题控制方程,利用Fourier变换、Laplace变换给出其在变换域上的解,将初始温度场分布视为虚拟的热源或者将热源等价为特定的初始温度分布,利用热源函数法给出瞬时线热源非稳态温度场、应力场和位移场的解析求解方法,通过在时间域和空间域上进行积分,给出有初始温度场分布以及有分布内热源存在且热源强度随时间变化条件下的热固结问题计算方法。对一无限大物体内存在有平面矩形域热源情况下周围介质的温度、孔隙水压力以及位移等的变化特征进行分析。研究表明,热源函数法可有效地求解一系列复杂情况下的热固结问题。     

热局部非平衡下一维半无限长饱和多孔柱体的温度场分析

对于端部受温度载荷的一维半无限长多孔介质柱体,给出了热局部非平衡下固相和流相温度场在Laplace变换域中的解析表达式.对于冲击温度载荷的情况,获得了温度场在短时间内的Laplace逆变换渐近解析解.数值分析了流、固两相热扩散系数之比以及热交换系数对固相和流相温度场的影响,比较了热局部非平衡下加权温度与热局部平衡下温度之间的差别.     

饱和多孔介质的热固结理论

本文严格地从混合物理论出发,详细地推导出了描述饱和多孔介质在热合固结耦合作用下性状的方程.作研究的混合物为温度单一和可混溶体,固液两相均为热弹性线性状态,且没有化学因索鑫与.本文的结果为研究热固结问题提供了理性基础和实用性方程.本文还对耦合效应、组分的可压缩性以及有效应力等概念进行了讨论,得出了一些有意义的结论.做为应用实例,本文还指出热固结问题的一般解法,并给出球对称加热情形的解析解答.     

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。     

半空间饱和土内置点载荷作用下的热弹性波动

基于Biot波动理论及热弹性动力理论,利用已建立的饱和多孔弹性介质热流固耦合控制方程,研究半无限地基在内置点热力源作用下的动力响应问题. 求解过程引用Hankel变换技术,得到了热力源作用下土体中温度增量、应力、位移和孔隙水压力的积分形式解答.利用Hankel数值逆变换得到计算结果,分析了热流固耦合条件下激振频率对竖向位移和孔隙水压力响应的影响. 对热流固耦合、热弹性和多孔弹性模型计算结果进行了比较.      

饱和土与衬砌动力相互作用的圆柱形孔洞内源问题解答

考虑饱和土与衬砌结构的动力相互作用,该文研究了内源荷载作用下圆柱形孔洞的动力响应问题.将饱和土体和衬砌结构分别视为流固耦合介质和弹性均匀介质,通过引入势函数将位移控制方程化为二维轴对称波动方程.采用拉普拉斯变换,得到饱和土体位移应力的表达式及衬砌的位移应力的表达式.利用土体与衬砌结构之间的连续性条件和衬砌结构内边界上的边界条件,确定表达式的未知系数.采用逆拉普拉斯变换的数值方法,给出了问题的数值解.分析了饱和土中圆形衬砌结构随土体和衬砌结构参数变化的动力响应规律.     

超固结饱和黏性土的弹塑性本构模型及三轴试验模拟

针对饱和超固结黏性土现有的下加载面修正剑桥模型破坏应力比为定值,不能反映土体在不同应力状态下强度特性存在差异这一问题,为了更好地反映应力状态变化对破坏应力比的影响,基于三剪统一强度准则确定超固结土的破坏应力比。在此基础上得到了超固结土的弹塑性本构模型,该模型的特点是能够描述土体受力时的中间主应力效应、应力区间效应、拉压差影响。基于该本构模型作了常规三轴压缩条件下超固结饱和黏性土的模拟结果与试验结果对比,结果表明:该模型能够反映不同超固结比下土的变形、剪胀、孔隙水压力变化特性和规律。利用该本构模型模拟了排水和不排水条件下的真三轴压缩试验,得到了相应的应力-应变特性曲线。     

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。     

基于多孔介质理论的饱和土体中圆形隧道洞稳态响应分析

基于饱和多孔介质理论,将土体视为液固饱和两相介质,研究分析了粘弹性饱和土体中圆形隧道洞的稳态响应问题,得到了隧道洞边界作用轴对称荷载时的径向位移幅值、径向应力幅值和孔隙水压力幅值的稳态响应解,研究了渗透系数、阻尼系数对圆形隧道洞稳态响应的影响.     

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。     

横观各向同性饱和地基上无限板的稳态振动

研究了横观各向同性饱和土地基上无限板的稳态振动问题. 基于直角坐标系下横观各向同性饱和介质Biot波动方程的一般解，采用双重Fourier积分变换技术，建立了饱和地基与无限矩形板相互作用的动力方程，利用数值方法求解该方程，得到任意谐振荷载作用下饱和半空间体上无限板稳态响应的一般解. 数值结果表明，横观各向同性饱和地基上无限板的振动与各向同性饱和地基上的无限板的振动特性存在明显差异.     

A CONSOLIDATION MODEL OF GROUP WELLS ON COMPOSITE FOUNDATION1)

针对复合地基固结问题,考虑井阻和土体径竖向渗流的影响,建立 以"桩-土-桩"为单元的复合地基群井计算模型,采用解析解法,推导出瞬时载荷作用下复合地基群井固结解析解,讨论了复合地基固结特点和孔压等的变化规律。研究表明,复合地基群井固结模型为复合地基固结理论的研究提供了一种新思路,在井径比大于5 时,基于中心桩、边桩流量相等假设,复合地基群井固结理论所求固结度和传统固结理论所求固结度相差很小,可忽略不计;桩体渗透系数、内外扰动区土体径向渗透系数、土体竖向渗透系数越大,复合地基固结速率越快;堆载越大,最终达到稳定时的沉降量和竖向应变越大;地基表层土体的孔压消散速率和竖向应变速率大于地基深部土体。     

考虑温度影响的软黏土流变固结模型及解析解

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.     

复合地基群井固结模型理论研究

针对复合地基固结问题,考虑井阻和土体径竖向渗流的影响,建立以"桩–土–桩"为单元的复合地基群井计算模型,采用解析解法,推导出瞬时载荷作用下复合地基群井固结解析解,讨论了复合地基固结特点和孔压等的变化规律。研究表明,复合地基群井固结模型为复合地基固结理论的研究提供了一种新思路,在井径比大于5时,基于中心桩、边桩流量相等假设,复合地基群井固结理论所求固结度和传统固结理论所求固结度相差很小,可忽略不计;桩体渗透系数、内外扰动区土体径向渗透系数、土体竖向渗透系数越大,复合地基固结速率越快;堆载越大,最终达到稳定时的沉降量和竖向应变越大;地基表层土体的孔压消散速率和竖向应变速率大于地基深部土体。