论文摘要
围海造陆作为一种经济、环保、节能、高效的造陆方式成为了沿海地区缓解土地资源紧张的一种主要手段,但吹填土的高含水率、高压缩性、低强度、低渗透系数等特性却不容忽视。通过垂直排水井的布置,软土地基的排水距离可由竖向地基厚度缩短为横向的竖井间距的一半,从而大大加快吹填软土地基的固结速度,同时,顶部铺设砂或碎石垫层,也能够增加边界面的透水性及有效施加预压荷载,促进地基的排水固结,因而,竖井固结的研究具有重要的现实意义。竖井固结理论主要包括了竖井固结控制方程和在各种假设条件下建立起来的边界条件和初始条件,而边界条件的选取对固结过程有着重要的影响,例如,将砂土装在塑料袋中,然后往塑料袋中加水,那么无论怎样施加荷载以及延长加载时间,水都是不能排出的。传统的竖井固结理论均认为边界面处是完全排水或完全不排水的极端状态,即边界面处超孔隙水压力为零或渗流速度为零,而实际上,边界面的排水能力可能是介于完全排水或完全不排水之间的,而非极端情况。基于此,本文对连续排水边界条件下的竖井固结理论进行了推导,并对界面参数、井阻、涂抹效应、土体自重、形状效应、土体非线性等因素对固结过程的影响进行了分析研究,同时,基于连续排水边界条件对有限元软件ABAQUS进行了二次开发及算例分析。主要研究成果如下:(1)通过引入连续排水边界条件,建立并解答了顶面连续排水边界的竖井固结理论,得到了相应解析解,并通过退化对比验证了所得解析解的准确性。通过所得结果对该模型下的超孔隙水压力及固结度进行了分析,结果表明:通过改变界面参数b的大小,能够实现边界面从完全排水到不完全排水再到完全不排水的整个连续的过程,弥补了传统理论中只能够表达完全排水或完全不排水的极端状态的不完整,且边界面处的透水能力大小显著影响着固结速率的快慢,透水能力越强,固结越快;连续排水边界条件下竖井地基中的超孔隙水压力不仅与位置及固结时间有关,还受界面参数b的显著影响,离地基顶面、砂井中心越近,孔压消散越快;固结时间越长,孔压越小;b越大超孔隙水压力也消散越快;与传统理论不同的是,连续排水边界条件下,地基顶面处在一定时间内是存在超孔隙水压力的,随着固结时间的增加,顶面超孔隙水压力逐渐消散;通过算例分析,验证了该模型在预测固结速率方面的准确性及可行性。(2)建立并解答了顶、底双面连续排水的竖井固结理论,得到了相应解析解,并通过固结度表达式退化对比及超孔隙水压力曲线对比,验证了所得解析解的正确性。通过对该模型下的超孔隙水压力及固结度分析发现:在连续排水边界条件下,当顶部和底部界面具有不同的界面参数,即不同的排水能力时,最大超孔隙水压力将不再处于地基的中间位置,而是最大超孔隙水压力面向界面参数小(排水能力弱)的边界面移动,这与传统固结理论是不同的;相对于忽略土体自重情况,考虑土体自重时,地基土体中超孔隙水压力更大,同时考虑顶、底面透水能力不同及土体自重条件下,最大孔压将更偏向于地基底面位置,这是附加应力与自重应力叠加的效果,该理论能够为地基水平排水通道的设置位置提供有效参考。此外,土体自重对于固结度计算并无影响,但考虑土体自重时,不同的自重条件下,地基土体沉降量具有显著差异,这是自重应力转化为附加应力的结果。通过比较单排水和双排水条件的固结曲线发现:即使双面排水时边界面的透水能力低于单面排水,其最终的固结速率依然要比单面排水快,因此,在实际的计算中底部边界处的排水能力不应忽视。对于工期要求高的吹填软土地基加固工程,吹填之前在底部铺设水平排水管通道(如砂垫层或水平排水板)可以显著加速固结过程。(3)对连续排水边界条件下的土体非线性排水板固结理论进行推导,得到了相应解析解,通过与既有理论对比分析,验证了所得模型的正确性。同时,通过具体工程算例,绘制固结度变化曲线,研究了不同的参数对该模型固结过程的影响,并验证了该模型的实用性。通过对比不同等效方法的固结度发现,现有的排水板等效计算方法下所得结果差异较大,周长等效方法相对于面积等效法与本文椭圆形影响区域的计算结果更加接近。土体压缩过程中,孔隙比会逐渐减小,压缩模量逐渐增大,因此,土体线弹性的假设将会对土体的固结沉降计算产生一定误差,且通过与第二章算例对比发现,土体非线性的固结理论模型的沉降计算结果与实验结果相近,进一步验证了考虑土体非线性固结计算的准确性。(4)基于有限元软件ABAQUS对建立的连续排水边界条件下的竖井固结理论模型进行了二次开发,将有限元软件实用性强、考虑全面的优点与连续排水边界条件结合起来。并利用该子程序对实际工程进行了仿真分析,将分析结果与现场监测数据对比,验证了该程序的实用性。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 张驿
导师: 段隆臣,吴文兵
关键词: 连续排水边界条件,竖井固结,排水板,土体非线性,孔压
来源: 中国地质大学
年度: 2019
分类: 基础科学
专业: 海洋学
单位: 中国地质大学
分类号: P756.8
DOI: 10.27492/d.cnki.gzdzu.2019.000284
总页数: 114
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标签：连续排水边界条件论文; 竖井固结论文; 排水板论文; 土体非线性论文; 孔压论文;