止水帷幕对基坑环境效应影响的有限元分析

采用Biot固结理论分析了止水帷幕对基坑工程环境效应的影响,包括止水帷幕不同打设深度的效果,以及两种封闭式止水帷幕发生漏水意外时对地下水位和坑外土体位移的影响等。在有限元编程中,将开挖土体置为空气单元可以简化处理过程。算例分析结果表明,深厚透水地基中增加竖向止水帷幕的深度并不能有效减小对周围环境的影响;漏水部位周围土体的渗流等势线较为密集,渗流速度较大,容易诱发扩大破坏;竖向封闭式止水帷幕漏水引起的坑边土体的沉降和地表土体的侧移相对较大,水位下降迅速等。其结果可供基坑工程漏水事故环境效应的评价和对策研究时参考。

基于非保守体力的大变形固结有限元法

考虑土体固结过程中体力的非保守特点,完善了T.L.描述的大变形固结平衡方程,并以伴生体力代替非保守体力,提出了相应的大变形固结增量有限元列式.当忽略土体体积应变的影响时,改进的大变形固结平衡方程及其有限元法均可退化为基于保守体力的传统形式.采用自主开发的程序对大变形自重固结算例进行分析,结果初步表明:传统方法低估了地基固结度,但高估了地基沉降量和超静孔隙水压力.基于非保守体力的大变形固结分析在理论上能够更合理地预测地基的固结性状.

割线模量法在沉降计算中存在的问题及改进探讨

割线模量法是近几年获得青睐的计算地基沉降的新方法。分析了割线模量法与e—p 曲线法在沉降计算中产生差异的原因,主要在于定义应变的参考构形跟自重应力状态不同,以及压缩应变与压力呈双曲线关系的假定两个因素。提出一修正系数用以改进割线模量法的计算结果。针对8 个试验土样,得到修正系数随埋深逐渐减小的变化规律。结合某工程,探讨了e—p 曲线法、割线模量法和改进法的沉降计算值的差别及原因。对于符合双曲线模型的地基土体,改进的割线模量法不仅便于电算,还能提高计算精度,值得推广。

压缩试验本构关系的大变形表述法

基于连续介质力学有限变形理论,采用完全拉格朗日描述法导出压缩试验本构关系的大变形法表述形式。首先根据压缩试验特点建立大、小变形法应力张量和应变张量之间的转换式,得到一般意义上的大变形法压缩本构关系。然后在小变形法双曲线模型基础上,得到其对应的大变形法本构方程,并提出简化形式的大变形法双曲线模型。工程实例和参数分析的结果均表明,大变形法双曲线模型可较好地模拟土体的大变形压缩试验本构关系。大、小变形法的双曲线参数在定义和数值上均不相同,但两者服从一定的变化规律。

考虑变质量的路基沉降应力变形协调分析法

针对传统分层总和法存在小变形假定和无法考虑地基排水引起的质量变化等缺点,在不同参考构形等概念的基础上,重新解释了应变和压缩模量等度量的内涵,结合分层总和法和有限变形理论的基本思想,提出考虑变质量的应力变形协调分析法,用于计算最终沉降和固结沉降。对于排水和不排水路基的沉降问题,分析了最终沉降量的协调解与两种传统解的计算差别及其相对误差的变化规律,探讨了新方法在预测路基固结沉降中的应用。结果表明:最终沉降量的协调解和两种传统解均随着压缩层厚度的增加近似按双曲线规律增加,随着荷载的增加近似按线性规律递增;常用的不考虑应变历史修正的传统解计算结果偏小;协调分析法能提高预估路基固结沉降的精度等。用新方法可以更准确地计算路基的最终沉降和固结沉降。

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．提出饱和上的连续介质模型，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．

真空-堆载联合预压加固地基简化非线性分析

针对真空-堆载联合预压加固地基的沉降性状,提出一种新的简化非线性分析方法。该方法考虑加固过程中地基模量变化的影响,将砂井地基在渗透性上等效为均质地基,通过常规压缩试验成果和割线模量法来反映地基模量的变化.基于Biot固结理论,推导了相应的简化非线性有限元分析方法,并给出具有快速收敛性的余量迭代算法.工程实例结果表明,由该方法得到的计算结果具有较高精度,该方法降低了传统分析的复杂性,具有一定的适用性和普遍性,可用于指导工程设计.

大变形流固耦合理论中Darcy定律的表述方法

研究流固耦合理论中渗流本构方程在不同参考构形下的大变形表述方法。采用坐标和应变张量变换方法以及客观性假设,分别导出Darcy定律在空间和物质描述两种情况下的合理形式,同时还推导变形耦合情况下大变形法渗透系数的表达式。算例分析和试验结果均表明,不同描述方法渗透系数之间的差异随着变形发展而增大,在大应变情况下忽略参考构形的影响将引起较大误差。考虑变形耦合的大变形法渗透系数受到材料和几何双非线性的影响,其在数学上的单调性质要比小变形情况复杂。

Biot固结有限元方程组的病态规律分析

针对Biot固结有限元方程组的病态问题,采用正交试验和量纲分析法探讨病态性的变化规律及其影响因素。主要考虑单元平均尺寸、时间步长、压缩性和渗透性等4个因素的影响。分别提出2组相互独立的相似准则,在此基础上得到2个新的无量纲量,并将其用于分析Biot固结有限元方程组系数矩阵的条件数的变化规律。结合算例进行参数分析结果表明,对病态程度的敏感性由大到小依次为单元平均尺寸、时间步长、压缩性和渗透性;单元平均尺寸太小会使病态加剧;随着2个无量纲量的增大,病态程度呈现单调增加的趋势。其结果为深化对Biot固结数值分析病态问题的认识提供有益参考。

基于不同客观本构关系的路基大变形固结分析

针对路基大变形固结分析中常用的Jaumann率型本构关系不能考虑邻域变形之影响的缺点,将Truesdell率型本构关系引入到大变形固结理论。采用虚功原理和Galerkin加权残值法,推导了基于不同客观本构关系的大变形固结有限元方程。编制相应的平面应变有限元程序对路基大变形固结性状进行分析,主要讨论了Truesdell率型、Jaumann率型、简化Jaumann率型等3种大变形本构关系对路基固结性状的影响。算例分析结果表明:基于常用的Jaumann率型本构关系的大变形固结分析得到的路基沉降量、侧向位移和孔压等均偏大于基于Truesdell率型本构关系时的相应结果。小变形本构矩阵不能反映客观性要求,将导致计算结果产生较大偏差。对常见问题而言,Jaumann率型和Truesdell率型本构关系对计算结果的影响并不很大,传统分析方法在变形较小时仍具有较高精度。

时间差分格式对路基Biot固结有限元分析的影响

应用虚功原理和线性差分法导出经过时空离散的Biot固结有限元方程,研究了路堤荷载作用下地基变形和孔压发展规律。采用有限元法,分析了基于常见的中心差分、Galerkin差分和全隐式差分等3种格式的结果及其相对偏差在空间和时间域的变化规律。结果表明:3 种格式的数值解答基本一致;中心差分和Galerkin差分计算的路基中心沉降在固结初期偏小,在后期则稍微偏大,而对侧向位移和超静孔压的规律则刚好相反;不同差分格式对超静孔压和坡脚附近的竖向变形影响较明显,尤其是中心差分格式的偏差较大等。可供地基设计和数值仿真时参考。

一维大变形主、次固结耦合新模型

针对传统一维大变形固结理论不能考虑土体次固结变形的缺点,在连续介质力学有限变形理论和土力学固结理论基础上,提出了全新的一维大变形主、次固结耦合模型。该模型采用超静孔压为控制变量,可以分别表述为欧拉坐标、拉格朗日坐标和固相体积坐标等三种形式,其中均可以显式地反映出土体重度变化、固相速度、地表沉降速度、地下水位变化、荷载变化和次固结等6个因素的影响。在不同简化条件下,新模型可以分别退化为以往学者提出的相关模型。当不考虑次固结效应时,新模型与经典的Gibson大变形固结模型完全等价。从便于工程应用的角度而言,新模型中仅考虑次固结和外荷载变化的退化形式更便于求解,可作为一种供参考的实用模型。

MAPLE在土力学与基础工程研究型教学中的应用

结合3个教学实践案例,详细介绍了计算机代数系统MAPLE在土力学与基础工程研究型教学中的具体应用.MAPLE软件有助于发现和求解专业问题背后潜在的更本质的数学与力学模型,可显著提高教师研究型教学和学生研究型学习的水平,培养学生科学质疑和解决更复杂专业问题的创新能力.

地基沉降大变形有限元分析的几何刚度效应

研究了基于完全拉格朗日(Total Lagrangian)描述的大变形有限元法分析地基沉降问题的几何刚度效应。在有限元列式的推导过程中严格考虑了土力学表述习惯的影响。通过算例分析,主要研究了几何刚度效应对荷载-沉降曲线的影响,并对比分析了不同率型大变形分析中的几何刚度效应问题。结果表明,几何刚度效应的存在减小了地基大变形有限元系统的刚度;忽略几何刚度效应将导致沉降计算结果偏小,在地基变形较大的情况下误差更明显,Truesdell率型大变形分析的最终沉降结果与小变形法的结果一致。几何刚度效应在地基大变形有限元分析中具有一定程度的影响,处理不当可能出现结构刚度增大的现象。大变形分析结果的性质偏于刚硬。

大变形固结理论连续性条件的严格表述

基于连续介质力学有限变形理论,提出了欧拉描述情况下,一维大变形固结连续性条件的严格表述形式.其中,控制变量分别选择常用的Almansi应变和孔隙比两种情况.分析结果表明,以往根据简化形式的连续性条件得到的Almansi应变及其物质时间导数的计算值均偏小,容易导致对地基沉降变形的估计不足.传统分析中将Almansi应变的物质导数直接用作土体瞬时体积变化率,这种度量方法理论上应当予以修正.

土水势方程对Biot固结FEM的影响研究

常用的Biot(1941)固结理论中对Darcy定律的使用是不严格的,Biot(1962)引入土水势方程进行修正,但这种改进很少引起工程界的注意.探讨了Biot固结常用形式和改进形式在控制方程和有限元方程方面的主要差别,推导了改进形式基于不同场变量的两种增量有限元方程.改进形式的有限元方程系数矩阵具有非对称性.当土水势增量方程中忽略重力势变化的影响时,改进形式的控制方程和有限元方程即退化为相应的常用形式.通过工程算例分析,结果表明:常用形式的计算结果高估了地基沉降和总土水势,低估了侧向位移.使用改进形式有助于提高分析精度.

渗透力概念的力学分析及广义化探讨

渗透力是土力学中重要而艰深的概念之一。在分析渗透力现有成果基础上,首先辨析提出了相关的水力梯度定义和Darcy定律表述之间的协调性问题,从而明确了传统渗透力表述式中水力梯度的协调性定义方法;然后,基于力学机理较严谨的Biot固结理论并引入体力、广义有效应力原理和总渗流势方程等,分析提出适用于广义多孔介质(含土体)的广义渗透力的一种定义,即广义渗透力在力学上是广义有效应力系数张量与总渗流势梯度的点积,这区别于传统假说。在Terzaghi有效应力方程适用的范围内,广义渗透力可以退化为总渗流势梯度这一常见形式。还探讨了渗透力的其他力学性质,以及考虑渗流速度影响的广义渗透力改进途径。所得结论有助于拓展对渗透力概念的认识。

确定扩展基础基底尺寸的一种解析解法

针对传统的确定扩展基础基底面积的逐次渐进试算法在计算效率等方面的不足,根据极限状态设计原则和中国国家标准《建筑地基基础设计规范》要求,分别提出中心荷载和偏心荷载条件下扩展基础基底面积计算的一种简洁的解析求解新方法。该法将承载力验算公式转换为一元三次不等式和一元四次不等式,从而理论上可分别采用Cardan公式法或Ferrari法进行求解。简便起见,也可借助MAPLE等数学软件,快速和精确地得到满足验算要求的基底面积下限解答。通过算例对比分析,验证了该法的优越性,为基础工程优化设计提供新的参考。

双面排水非线性固结超静孔压的非对称性解析

为了分析一般意义的非线性固结过程中超静孔压的发展规律,基于欧拉描述的基本方程和构形转换关系,提出了非线性固结过程中超静孔压与孔隙比之间的严格函数表达式。在Morris提出的线性有限应变一维固结解析解答基础上,得到双面排水情况下正常固结和自重固结土体的超静孔压解析解。分析和讨论了超静孔压的非对称分布特征及其影响因素。结果表明,无量纲参数N在超静孔压分布形态上起决定作用。在N不接近于0的情况下,按经典Terzaghi固结理论的超静孔压对称性分布假设将不再适用于非线性固结问题。

Gibson地基模型参数的一种实用确定方法

Gibson地基在理论上可以考虑土体模量沿深度的变化,但工程应用中一直存在相关参数难以确定的问题。基于压缩试验成果和魏汝龙割线模量法双曲线模型,探讨提出确定单层和成层Gibson地基参数的实用新方法。该方法对压缩性状服从双曲线模型的土体较为适用。通过对浙江沿海地区若干典型工程的试验结果分析,结果初步表明地表处剪切模量为零的狭义Gibson地基在实际工程中几乎不存在。结合真空堆载联合预压加固软基的工程实例,对比分析了成层Gibson地基模型在沉降分析中的应用。新方法确定的成层Gibson地基模型不仅应用简便,而且可以显著地提高地基沉降预测结果的精度。在地基有效加固深度不是特别深厚的情况下,Gibson地基模型能较好地改进不能考虑模量随埋深变化的传统模型。