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。     

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。     

LARGE-STRAIN CONSOLIDATION OF FOUNDATION WITH SAND DRAINS BASED ON HANSBO'S FLOW 1)

基于Gibson大变形固结理论，通过引入Hansbo渗流模型和软黏土非线性变形特性，同时考虑土层的沉积效应，分别建立了以孔隙比$e$和超孔压$u$表示的砂井地基大变形固结方程。通过与已有研究成果的对比，验证了本文方法的可靠性和砂井地基大变形固结方程两种描述方式的等效性。通过FlexPDE得到方程的数值解，在此基础上，研究了砂井地基大、小应变固结理论与Barron固结解的差异性，探讨了Hansbo渗流参数$m$和$I_1$对砂井地基固结的影响，最后对比分析了砂井地基轴对称固结、径向固结和竖向一维固结的关系。研究结果表明：考虑Hansbo渗流的砂井地基非线性大变形固结模型的固结速率最慢，且在固结后期，Hansbo渗流时大、小应变固结与Barron固结的平均固结度基本趋近；随着Hansbo渗流参数$m$和$I_1$的逐渐增大，砂井地基的固结速率逐渐降低；随着砂井影响半径的增大，砂井地基轴对称固结与径向固结的差异性也越来越大，且在固结早期会出现一维竖向固结速率高于轴对称固结和径向固结的现象。     

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。     

考虑Hansbo渗流的砂井地基大变形固结问题

基于Gibson大变形固结理论,通过引入Hansbo渗流模型和软黏土非线性变形特性,同时考虑土层的沉积效应,分别建立了以孔隙比e和超孔压u表示的砂井地基大变形固结方程。通过与已有研究成果的对比,验证了本文方法的可靠性和砂井地基大变形固结方程两种描述方式的等效性。通过FlexPDE得到方程的数值解,在此基础上,研究了砂井地基大、小应变固结理论与Barron固结解的差异性,探讨了Hansbo渗流参数m和I1对砂井地基固结的影响,最后对比分析了砂井地基轴对称固结、径向固结和竖向一维固结的关系。研究结果表明:考虑Hansbo渗流的砂井地基非线性大变形固结模型的固结速率最慢,且在固结后期,Hansbo渗流时大、小应变固结与Barron固结的平均固结度基本趋近;随着Hansbo渗流参数m和I1的逐渐增大,砂井地基的固结速率逐渐降低;随着砂井影响半径的增大,砂井地基轴对称固结与径向固结的差异性也越来越大,且在固结早期会出现一维竖向固结速率高于轴对称固结和径向固结的现象。     

欧拉描述的大变形固结理论

以往大变形固结理论主要基于一般的固体力学模型，其控制方程忽视了固结过程中排水引起 的质量变化. 提出饱和土的连续介质模型，并基于连续介质力学的公理体系推导了反映质量 变化的欧拉描述的大变形固结控制方程. 发现传统固结理论中：(1)忽视了渗流速度对土体平衡条件的影响；(2)决定土体平衡的总应力张量只有在土体变形速度和渗流速度方向相同时才具有对称性等. 在忽略变质量效应等条件下，传统理论成为本文理论的特例. 通过算例 的有限元分析，比较了欧拉描述与两种物质描述方法的差别，得到初步结论：(1)欧拉描述 方法计算的地基沉降量要小于物质描述方法的结果；(2)欧拉描述方法计算的侧向位移偏大 于两种物质描述结果.     

正常固结饱和地基土的总应力强度指标

地基极限承载力与土体稳定分析的总应力分析法需要用土的总应力强度指标。三种常规室内三轴试验的固结应力状态、剪切时的应力路径和排水条件与地基土原位受荷破坏时不尽相同。本文首先建立三种典型排水条件下模拟地基土实际受力的总应力强度指标理论式 ,分析了其变化规律 ;与常规三轴试验结果进行了比较 ;分析了固结不排水条件下的强度计算途径和对应的指标 ;最后建立了两种部分排水条件下的总应力强度指标的计算式 ,分析了它们随固结的变化。     

组合单元法在砂井地基有限元分析中的应用

针对砂井地基的平面应变有限元分析，本文首次将组合单元法引入到砂井地基的分析中，提出砂墙组合单元。该单元对常规等参元进行改进，在单元内部同时考虑砂井的涂抹作用和井阻作用，从而克服了常规有限元法在计算砂井地基时单元数和节点数过多的缺点。将砂墙组合单元加入USAP有限元计算软件，工程算例分析结果表明：与已有的各砂井地基的平面应变解答和荷兰的基础工程有限元分析软件PLAXIS相比，解答合理并有效地考虑砂井的涂抹作用和井阻作用；与常规有限元法相比，在保证计算精度的前提下，减少了可观的单元数和节点数，降低了计算的工作量。     

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。     

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。     

动力排水固结模型试验装置的研制

为了实现大尺度室内模拟动力排水固结法来加固吹填粘性土,本文特设计了室内试验装置。该装置由模型槽、动力装置、夯锤以及监测和数据采集系统等4部分组成,其主要特点有：(1)可同时实现半模和全模试验,可模拟单点夯和全夯,弥补了目前只有半模或1/4模和单点夯等小尺度模型试验的缺陷;(2)可实现实时观察立面裂隙、特征点的变化,对孔压、位移、动应力等进行实时监测和采集;(3)可实现自动起吊和自动脱锤,可以很好地模拟现场施工工况;(4)可实现以下加固工况的模拟实验：不同的夯击参数、不同的加固土层厚度、不同的排水方式等,从而达到不同加固方案的对比,优化加固方案;(5)拆装方便,还可用于模拟边坡、路基、挡墙、滑坡等,适用性较广。目前利用该模型装置已进行了两组不同排水系统的模型夯击试验,试验设备运行良好,可满足试验要求。     

A discrete element model for simulating saturated granular soil

A numerical model is developed to simulate saturated granular soil, based on the discrete element method. Soil particles are represented by Lagrangian discrete elements, and pore fluid, by appropriate discrete elements which represent alternately Lagrangian mass of water and Eulerian volume of space. Macro-scale behavior of the model is verified by simulating undrained biaxial compression tests. Micro-scale behavior is compared to previous literature through pore pressure pattern visualization during shear tests. It is demonstrated that dynamic pore pressure patterns are generated by superposed stress waves. These pore-pressure patterns travel much faster than average drainage rate of the pore fluid and may initiate soil fabric change, ultimately leading to liquefaction in loose sands. Thus, this work demonstrates a tool to roughly link dynamic stress wave patterns to initiation of liquefaction phenomena.     

A method to discretize non‐planar fractures for 3D subsurface flow and transport simulations

A method is presented to discretize inclined non‐planar 2D fractures within a 3D finite element grid for subsurface flow and transport simulations. Each 2D fracture is represented as a triangulated surface. Each triangle is then discretized by 2D fracture elements that can be horizontal, vertical or inclined and that can be triangular or rectangular. The 3D grid representing a porous rock formation consists of hexahedra and can be irregular to allow grid refinement. An inclined fracture was discretized by (a) inclined triangles and (b) orthogonal rectangles and flow/transport simulations were run to compare the results. The comparison showed that (i) inclined fracture elements must be used to simulate 2D transient flow, (ii) results of 2D/3D steady‐state and 3D transient flow simulations are identical for both discretization methods, (iii) inclined fracture elements must be used to simulate 2D/3D transport because orthogonal fracture elements significantly underestimate concentrations, and (iv) orthogonal elements can be used to simulate 2D/3D transport if fracture permeability is corrected and multiplied by the ratio of fracture surface areas (orthogonal to inclined). Groundwater flow at a potential site for long‐term disposal of spent nuclear fuel was simulated where a complex 3D fracture network was discretized with this technique. The large‐scale simulation demonstrates that the proposed discretization procedure offers new possibilities to simulate flow and transport in complex 3D fracture networks. The new procedure has the further advantage that the same grid can be used for different realizations of a fracture network model with no need to regenerate the grid. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

无单元法（EFGM）——在岩土工程上有限元法的有力补充

作为一种新的岩土工程数值计算方法，无网格伽辽金法具有局部化技术的无单元特性。该法与传统FEM相比，在精度和后处理等方面有着明显的计算优势。本文全面介绍了EFGM，并结合岩土工程领域中的土体固结变形问题，推导了EFGM的一维、二维固结问题的离散方程；同时对算例进行计算，将其结果与精确解和传统FEM解进行比较后，得出结论：精度是较高的，处理边界是准确的。尤其当与FEM联合使用时，既能发挥FEM的经验优质，又能体现EFGM的无网格特点，计算效果十分显著，因此，EFGM是FEM的有力补充。     

纳米压痕过程的三维有限元数值试验研究

采用有限元方法模拟了纳米压痕仪的加、卸载过程，三维有限元模型考虑了纳米压痕仪的标准Berkovich压头．介绍了有限元模型的几何参数、边界条件、材料特性与加载方式，讨论了摩擦、滑动机制、试件模型的大小对计算结果的影响，进行了计算结果与标准试样实验结果的比较，证实了模拟的可靠性．在此基础上，重点研究了压头尖端曲率半径对纳米压痕实验数据的影响．对比分析了尖端曲率半径r＝0与r＝100nm两种压头的材料压痕载荷—位移曲线．结果表明，当压头尖端曲率半径r≠0时，基于经典的均匀连续介质力学本构理论、传统的实验手段与数据处理方法，压痕硬度值会随着压痕深度的减小而升高．     

模拟火炮后坐运动的非线性弹簧－阻尼单元

根据非线性有限元法的基本理论，建立了火炮发射动力学的有限元运动方程，推导出单元耗散为向量和单元阻尼矩阵的计算公式。提出采用非线性弹簧－阻尼单元来模拟反后坐装置对炮身后坐的阻尼作用，并给出了该单元的刚度矩阵和阻尼矩阵。根据炮身的后坐过程的三个阶段，提出采用分段拟合的方法确定非线性单元的参数以模拟火炮后坐阻力－位移曲线。采用非线性有限元单元模拟后坐装置，能够较准确地描述炮身部分的后坐运动，同时在大简化了全炮模型的建立，为全炮的动力学仿真提出了一条新的思路。     

三维自适应FE-SPH耦合算法在多层间隔金属靶侵彻问题中的应用

鉴于有限元算法不能有效地模拟侵彻过程所产生的金属碎片, 本文中基于三维自适应FE-SPH耦合算法的基本理论, 自主开发了模拟多层间隔金属靶侵彻问题的三维FE-SPH耦合计算程序。该程序采用四面体单元对多层间隔金属靶侵彻模型进行初始离散, 计算过程中, 当四面体单元等效塑性应变超过某一设定值时, 单元自动转化为SPH粒子, 并引入有限单元-粒子接触算法和耦合算法, 实现大变形和破碎区域采用SPH方法计算, 克服有限元法单元畸变存在的问题。多层间隔靶侵彻算例分析表明, 三维FE-SPH耦合计算程序采用等效塑性应变作为转化判据计算结果较稳定, 并且能够有效地再现侵彻过程中所产生的碎片, 能够模拟侵彻碎片对后层靶的毁伤效应。     

沉管隧道结构的空间受力性态分析

目前沉管隧道的结构设计计算大我和一维弹性地基梁模型,或在此基础上再取若干个横截面进行平面分析。本文以甬江水底沉管隧道为工程背景,采用墙单元和板壳单元建立沉和结构的三维有限元分析模型,用水土分算原理确定沉管结构的水土荷载,对沉管隧道结构水土荷载的空间分布及沉管结构的空间受力性态进行了数值计算与分析,探讨了水位对沉管结构水土荷载值的影响以及沉管板底与基础的部分脱空和沉管顶部覆土厚度等因素对沉管结构内力     

Semi-analytical solutions to one-dimensional consolidation for unsaturated soils with semi-permeable drainage boundary

The semi-analytical solutions to Fredlund and Hasan's one-dimensional(1 D)consolidation for unsaturated soils with a semi-permeable drainage boundary are presented. Two variables are introduced to transform the two coupled governing equations of pore-water and pore-air pressures into an equivalent set of partial differential equations(PDFs), which are easily solved by the Laplace transform method. Then, the pore-water pressure, pore-air pressure, and soil settlement are obtained in the Laplace domain. The Crump method is adopted to perform the inverse Laplace transform in order to obtain the semi-analytical solutions in the time domain. It is shown that the proposed solutions are more applicable to various types of boundary conditions and agree well with the existing solutions from the literature. Several numerical examples are provided to investigate the consolidation behavior of an unsaturated single-layer soil with single, double, mixed, and semi-permeable drainage boundaries. The changes in the pore-air and pore-water pressures and the soil settlement with the time factor at different values of the semi-permeable drainage boundary parameters are illustrated. In addition, parametric studies are conducted on the pore-air and pore-water pressures at different ratios(the air permeability coefficient to the water permeability coefficient) and depths.     

层状分数阶黏弹性饱和地基与梁共同作用的时效研究

饱和地基与梁共同作用问题的研究在力学领域及工程界都具有重要意义. 采用分数阶Merchant模型研究饱和地基的流变固结, 该模型比常用整数阶黏弹性模型更能精确反映地基的时变特征. 基于层状正交各向异性黏弹性饱和地基的固结解答, 采用有限元法与边界元法耦合的方法, 研究梁与分数阶黏弹性饱和地基的共同作用问题. 依据Timoshenko梁理论将梁离散为若干单元, 进而得到梁的总刚度矩阵方程; 将黏弹性地基固结问题的精细积分解答作为边界积分的核函数, 采用边界元法建立地基柔度矩阵方程; 结合梁与地基接触面的位移协调条件以及力的平衡条件, 通过有限元法与边界元法的耦合, 最终求得层状分数阶黏弹性饱和地基与Timoshenko梁共同作用的解答. 将本文地基退化为Kelvin地基进行计算, 并与已有文献中的算例进行对比, 二者具有很好的一致性. 在此基础上, 探讨分数阶次和地基成层性对梁与黏弹性饱和地基共同作用的影响. 结果表明: 分数阶次高的黏弹性饱和地基的固结速率明显更快; 对于层状地基, 加固表层土体能有效控制地基整体沉降, 并减小差异沉降. 实际工程中, 应充分考虑饱和地基流变及土体分层性的影响, 以准确分析梁与地基的共同作用过程.