宁波地铁5号线联络通道人工冻结法应用研究

随着人工冷冻技术的发展,人工冻结法(AGFM)已在地下空间建设中推广采用,依托宁波市轨道交通5号线隧道联络通道冻结法施工工程,通过室内试验分别对土体起始冻结温度、导热系数、比热容系数、土层冻胀率及融沉率等进行试验研究,得出主要土层的导热系数与温度、比热容系数与温度、土层冻胀率与附加应力之间的线性拟合计算式,提出并建立人工冻结过程中考虑热物理参数随温度变化的热-力耦合的三维数值计算方法,并结合现场温度场、位移场等监测资料,得到宁波市轨道交通5号线联络段主要控制土层粉质黏土层的最小冻结壁厚度为1.79m~2.38m,冻结壁平均温度-12.13℃~-20.3℃,满足设计要求;现场四个监测断面点的位移收敛值均相对较小,最大位移收敛值不超过4 mm,整体表明冻结法施工过程中冻胀力对隧道的影响较小,理论计算成果基本与现场实测规律吻合。

基于Runge-Kutta法和外推法的水库调洪演算

为了解决数值解析法步长对水库调洪演算成果精度的影响问题,提出了R-K外推法,即采用精度更高的Runge-Kutta英格兰法与外推法相结合的方法,使计算精度达到甚至优于其他数值解法的精度,并采用拉格朗日插值法解决了实际最高水位一般不落在离散解上的问题,得出精度更高的调洪演算成果。调洪演算实例表明该法可以满足工程实践的要求。

矩形断面恒定非均匀流水面线计算解析

针对无压泄洪隧洞在运行过程中水流流态较复杂的问题,依托青山水库泄洪隧洞改造工程,对无压泄洪隧洞中矩形断面恒定渐变流水面线计算解析进行了数学推导,给出了流程S与始、末端水深之间的解析解;比规范推荐分段试算法更简单便捷,进而通过青山水库泄洪隧洞改造工程1∶30水工模型试验成果对比分析,认为推求的沿程水面线计算解析解合理可靠,为确保泄洪渠及下游河道行洪安全提供了依据,可供类似工程参考应用。

考虑漏气及井阻非线性的真空预压地基固结解析解

基于径向固结理论和等应变假设,考虑真空预压过程中真空泵故障、漏气等不利影响以及排水体井阻时空非线性影响,推导了以排水体中超静孔隙水压uw为函数的3阶拟线性偏微分方程,并将膜下真空度随时间的变化曲线作为边界条件,考虑吹填土的自重固结影响,分别给出了真空预压地基考虑漏气影响且排水体渗透系数随深度线性衰减及时间指数衰减时的固结解析解。最后通过与现有多个固结解的对比分析,认为它们一般为新解的特例,并通过算例计算比较分析,认为井阻随时间影响参数A_2对固结度的影响比随深度影响参数A_1更敏感。当参数A_2足够大时,则认为排水体很快就淤堵以至于不具备排水能力,参数A1则可等效反映真空度随深度的衰减影响,且真空预压过程中漏气对地基固结度具有直接影响,漏气越严重则固结排水越慢,需延长真空预压时间,以保证真空预压效果。

考虑复杂荷载及井阻非线性时竖井地基固结解析解研究

根据浙江沿海地区滩涂围垦中的淤泥基础海堤工程设计经验,认为软土工程中竖井地基固结计算需考虑井阻随时间的影响,基于竖井渗透系数随时间指数衰减关系假定,利用竖井地基径向固结理论和等应变假设,并考虑多级线性加载及循环荷载等复杂荷载作用,重新推导了考虑井阻非线性影响下竖井地基固结解析解,通过与TANG X W等(2000)、Zhu G等(2004)恒定井阻地基固结理论的对比,验证了本文理论的正确性。根据本文理论,通过对比分析,认为线性加载时间越长,竖井地基前期固结速率越慢,与骤加恒载工况差异越显著。在循环荷载作用下,地基固结速率一般介于荷载最大值和荷载最小值的恒载情况之间;且固结度随外荷载的波动而相应地滞后性震荡,竖井渗透系数衰减越快,其震荡越明显,最终趋向于稳定震荡。

成层软土地基预固结处理后桩基水平承载力估算方法

目前通过对软土地基预加固处理来提高桩基水平承载力已被工程界认可,但如何在工程前期设计过程中估算软土地基预处理后桩基水平承载力提高值仍是技术难点。基于此,参考Bowles[1]的地基土水平抗力计算式,同时考虑成层软土地基预排水固结处理影响,通过数学推导,推求出根据原状软土室内土工试验抗剪强度指标及预加固处理时间,估算软土地基预处理后桩基水平承载力提高值的实用计算方法。考虑桩侧土弹塑性屈服影响,推导出成层软土中水平受荷桩弹塑性解析解及塑性区深度的计算式,给出了桩顶水平位移、桩身最大弯矩的无量纲计算式及相关计算源代码。依托于浙江省某水闸桩基工程案例,根据提出的计算方法对桩基水平承载力、桩顶水平位移及桩身最大弯矩等性状进行预估计算,并与地基预处理前、后现场试桩检测值进行验证对比,认为桩基水平承载力、桩顶水平位移及桩身最大弯矩等预估计算成果与工程现场试桩的检测值较接近,对类似工程设计具有较好的参考价值。

梯形断面消力池扩散型消能计算

针对目前NB/T 35023—2014《水闸设计规范》只涉及矩形断面消力池,未涉及梯形断面消力池消能计算的问题,基于水力学基本理论和数值分析理论对梯形断面消力池消能计算进行研究,推导了梯形断面收缩水深的解析计算式以及梯形断面消力池扩散型消能跃后共轭水深基本方程,并利用高次方程求解理论分别给出棱柱体梯形断面跃后共轭水深的解析计算式和扩散型消能跃后共轭水深的简易迭代求解公式,并根据消能计算方程,给出梯形断面消力池扩散型消力池池深、池长的计算式。工程实例计算结果表明,所提出计算式精度可靠。

塑料排水板处理地基非线性固结计算研究

针对目前国内外竖井地基非线性固结计算大多均采用近似等效法求解的不足,根据软土固结理论及数学理论推导,基于塑料排水板椭圆柱假定,推导了考虑地基土水平渗透系数、压缩模量随固结过程非线性变化影响下的排水板处理地基非线性固结控制方程,并利用数学中非线性微分方程理论,给出了非线性固结解析解。通过与Indraratna等非线性固结近似解对比分析,认为理想井下预压荷载越大(Nu越大),则Indraratna等近似法成果误差越大;且在Cc/Ck=1.8、Nu=5时Indraratna等近似解与该理想井非线性固结精确解析解误差高达16%,而解析解与精确数值解基本一致。最后通过Indraratna等典型工程案例验证分析,认为所得理论更符合工程实际,具有较好的工程应用价值。

塑料排水板处理地基固结特性研究

目前塑料排水板(Prefabricated Vertical Drains,PVD)处理地基的固结计算均采用传统的砂井等效法,其等效直径可通过较多计算式得到,如周长等效法、周长折减0.75倍等效法(《海堤工程设计规范》(GB/T 51015—2014))等,但目前还没有形成统一的认识。基于等应变假设,类比于砂井地基固结理论,重新推导了排水板地基固结解析解,并通过ADINA有限元软件验证其合理性。然后采用有限元法对排水板地基固结的二维(2D)模型(即排水板渗透系数kw→+∞时)进行研究,认为在2D固结模型下Long和Covo(1994)的砂井等效法与有限元计算成果较接近,但仍存在一定偏差。最后,给出了2D固结模型下精度更高的等效直径计算式。该研究对排水板处理地基固结有参考作用。

线性加载下塑料排水板地基固结理论探讨

针对目前国内外塑料排水地基固结计算均近似采用砂井等效模型的不足,本文将塑料排水板等效为形状极为接近的扁椭圆柱体,根据同焦椭圆柱理论及等应变假设,推导了线性加载下塑料排水板地基的固结解析解;根据ADINA有限元计算及现有学者数值计算成果对比验证了本文理论的正确性。通过与目前不同砂井等效模型对比分析,认为在理想竖井的二维平面固结理论下,本文理论与Long&Covo等效法"dw=0.5b+0.7δ"较为接近,说明扁矩形截面的排水"形状效应"比等面积圆形截面更优;对于考虑井阻影响时,我国《海堤工程设计规范》(GB/T 51015-2014)以及《真空预压加固软土地基技术规程》(JTS147-2-2009)中建议的等效法均具有一定误差,建议采用本文理论计算。此外,地基荷载线性加载时间越长,地基前期固结速率越慢,与骤加恒载情况差异越显著。

梯形渠道恒定渐变流水面线计算的新解析法

对棱柱体明渠梯形断面下的恒定非均匀流沿程水面线进行深入研究,基于恒定渐变流基本微分方程,通过对该微分方程无量纲化,采用数值分析理论,得到由简单双曲函数组成的新等效恒定渐变流基本微分方程;通过变量分离,直接积分得到流程S与始、末段水深h1,h2的解析函数;通过该解析函数可直接计算出沿程水面线。该方法比《溢洪道设计规范》中推荐的分段求和试算法更简单、便捷,特别对水深较敏感段,规范推荐试算法误差较大,并且逐段试算推求水深将导致末端断面水深误差逐步累积,导致误差增大,精度下降。最后通过工程实例计算比较得出:新解析法计算成果与规范推荐法(程序)计算成果基本一致,对于渠长较长时新解析法成果甚至优于规范推荐的分段试算法,完全满足工程实践要求。

梯形明渠水力学特征水深的解析计算式研究

通过数学理论分析,推出了梯形明渠的临界水深和正常水深高精度解析计算式,并与现有文献相关计算式进行了对比分析。结果表明,新推出的临界水深计算式相对误差小于0.3%;当梯形明渠坡比0.1～7时,新推出的正常水深初值计解析算公式相对误差一般小于3%;另外,给出了收敛速度更快的正常水深迭计算公式,且在m〉1时正常水深计算公式在初值迭代一次后其误差均小于0.5%。新推出的梯形明渠临界水深和正常水深解析计算式方便简捷、精度可靠。

矩形顶管穿路施工对土体扰动变形研究与实测分析

针对矩形顶管施工对土体扰动的不利影响问题,基于土力学理论,给出了矩形顶管施工扰动下的地层间隙参数及地层损失比解析计算式,并对矩形顶管施工引起的土体变形进行建模分析,依据半空间弹性假设及复变函数共形映射理论,通过共形映射将矩形顶管问题转换为圆形顶管问题,进而给出了矩形顶管施工引起土体变形近似解析计算式,依托某市综合管廊矩形顶管穿越工程,结合相关现场监测数据,对本文理论进行验证分析,依据本文理论计算矩形顶管施工扰动下的地层损失比为6.9%、地表沉降计算值147mm,其中沉降计算值稍偏大,认为其原因主要为施工中注浆加固对沉降控制的有利影响,可为相关工程的设计与研究提供参考。

淤泥固化技术在深厚淤泥地基处理中的应用

依托于浙江省某围垦工程海堤淤泥地基土固化案例,对淤泥固化技术中固化剂成分配比、固化剂掺量以及施工中的关键技术参数等进行了分析总结。分别基于现场正交试验和室内平行试验研究,对固化剂中主要配方,如水泥、粉煤灰、石膏、石灰、减水剂以及三乙醇胺等掺量进行了试验研究,绘制了各配方掺量(质量比)与淤泥固化土无侧限抗压强度之间的敏感关系曲线。认为水泥、粉煤灰两种胶凝材料的掺量与固化土无侧限抗压强度之间呈正相关关系,而石膏、石灰和减水剂等掺量存在最优掺量值。根据试验成果,确定依托工程中固化剂掺量为15%,并合理控制各配方掺量比,以充分发挥固化土强度。通过对28 d龄期固化土钻芯取样分析,认为固化土28 d无侧限抗压强度不小于1.0 MPa,满足设计要求。

软土地基一维非线性固结简化解法研究

为了解决饱和软土地基一维非线性固结微分方程的近似解相对误差大的问题,基于饱和软土地基一维非线性固结理论,考虑软土渗透系数和压缩性在固结过程中的非线性变化的影响,给出了无量纲化的非线性固结控制方程,引入权重因子λ将非线性偏微分方程简化为线性方程,其中权重因子λ可取小数(0 <λ<1),进而结合边界条件给出了考虑权重因子λ变化下的简化解析解。通过MATLAB软件数值编程计算对比可见:Lekha等近似解法是权重因子λ=0. 5时的特例;Lekha等近似解与差分法数值解最大相对误差高达19%;采用变权重因子λ法的简化解则精度更高。文中提出的一维非线性固结简化解法便于软土非线性固结理论在工程实际中的应用。

坝基渗流与坝肩绕渗实用计算方法探讨

基于复变函数的保角映射理论及数值分析法,推导了坝基二维渗流模型解析解,通过数值分析软件给出了无防渗帷幕、有防渗帷幕时坝基单宽渗漏量计算公式及基底扬压力计算公式,并以重力坝为例分析了防渗帷幕深度,认为当防渗帷幕深度超过1倍的坝底宽时,随着防渗帷幕深度的增加对扬压力的抑制作用不明显;且相同深度防渗帷幕时透水层厚度越小基底扬压力反而相对越大,但当透水层厚度接近帷幕深度时(即小于1.35倍帷幕深)基底扬压力又开始逐渐减小即呈现"关门现象"。同时基于积分理论推导了无防渗帷幕时坝肩绕渗渗漏量解析计算公式,最后通过工程实例与有限元法计算结果进行比较,验证了该解析计算公式精度可靠、方便快捷。

深淤泥基础海堤断面结构与滑动稳定关系初探

对采用排插板法进行基础处理的深淤泥海堤断面总宽度进行了深入研究,通过对浙江沿海地区淤泥土物理力学参数统计回归分析,得出了淤泥天然抗剪强度与天然含水量之间的经验关系。基于北京理正软件进行大量滑动稳定计算,分析了海堤宽度B与海堤高H、淤泥层天然抗剪强度指标、淤泥层厚度之间的关系,并得出了海堤断面总宽B的计算公式,并通过工程实际进行检验计算,得出本文公式与实际工程基本吻合。此外,对海堤滑动安全系数随淤泥抗剪强度指标变化关系进行了敏感分析,认为内摩擦角对海堤抗滑安全系数的影响比凝聚力的影响更敏感。

扩散型梯形翼墙消力池最不利消能工况计算研究

针对目前消能计算大多适用于矩形断面情况,根据水力学理论、数学函数理论及无量纲原理对扩散型梯形翼墙水闸最不利消能工况进行研究,推导出扩散型梯形断面相对收缩水深、相对跃后水深的解析计算公式。通过Matlab软件数值分析及数学推导给出了受潮位影响的沿海挡潮排涝闸消力池池深极值、水跃长度极值的简捷计算公式,并通过工程实例计算比较,该解析计算式方便简捷、精度可靠。

软土地基预压加固处理后抗剪强度指标分析

针对目前软土地基排水固结加固处理后地基土抗剪强度指标增长变化复杂的问题,基于抗剪强度摩尔包络线理论,推求了超固结淤泥质地基土任意固结度下地基土总应力抗剪强度指标解析计算式,并通过与现有计算理论对比分析,表明任意固结度下地基土抗剪强度指标随固结度的增加而增加,更符合浙江沿海地区淤泥质地基土实际工程经验理论;最后通过实际工程案例现场试验检测对比分析,认为新推求公式计算值更接近于实际土工试验值。

考虑桩顶水平反力的水平受荷单桩弹塑性解析解

基于线性地基反力法和土体的弹塑性本构关系,对桩顶水平反力系数不为零时的水平受荷桩进行了研究,给出了桩顶土屈服临界荷载(水平力、弯矩)的耦合关系式。研究结果表明,当荷载大于临界荷载时,桩顶土发生塑性屈服,其塑性屈服深度随荷载的增加而增加,但其塑性区扩展速率随桩顶荷载的增加而逐渐减小。给出了弹性区与塑性区桩内力耦合的矩阵方程及其迭代求解格式;利用曲面拟合软件给出了塑性区换算深的计算公式。通过工程算例验证,证明该方法可靠快捷,便于手算,值得推广。