非饱和成层土稳态渗流问题的解析计算

广泛存在的成层土非饱和稳态渗流的解析计算研究相对薄弱。基于达西渗流定律和土层界面的连续性条件,构建了描述非饱和成层土稳态渗流过程的数学模型。使用分离变量技术和数学归纳思想,获得了成层土同一剖面的基质吸力、有效饱和度与吸应力沿高程分布的解析表达式。基于COMSOL数值分析平台对解析算法进行了验证计算,从而实现了非饱和成层土稳态渗流过程的解析求解。而后,探讨了土层界面的存在对渗流过程的影响并开展了参数敏感度分析。分析表明:(1)相同入渗条件下相同高程处砂土的基质吸力最大,黏土最小;地表渗流速率的不同对粉土层有效饱和度分布影响最大,砂土最小。(2)黏土层中吸应力近乎线性增长,砂土的吸应力则沿高程先增大后减小;土层界面的存在会影响基质吸力沿高程的增长速率,可使有效饱和度和吸应力沿高程分布发生突变。(3)Gardner模型参数α值越小,相同高程处基质吸力值越大,饱和土渗透系数(ks值)越小,基质吸力增长速率越慢;α与k_(s)取值越小,有效饱和度降低速率越慢;α取值越小或ks取值越大,地表处的吸应力值越大。研究成果可为诸如边坡稳定等工程地质问题提供一定的理论支撑。

可溶性污染物在非饱和成层土中的迁移规律研究

建立污染物在一维三层非饱和土体中迁移的数学模型,进而研究积水入渗和降雨入渗两种边界条件下可溶性污染物在不同夹层土体工况以及不同吸附模式和不同初始孔隙压力(或不同降雨强度)情形下的迁移规律。研究表明,积水入渗条件下,污染物在粗颗粒土中的迁移速度要大于细颗粒土,而且前者的弥散度也大于后者。此外,初始压力水头对污染物迁移速度的影响不大,但随初始压力水头的减小对应的浓度峰值有增大的趋势。另一方面,降雨入渗条件下,降雨强度越大,峰值浓度越大,即表明降雨入渗促进了土体中污染物的迁移效应。当然,在相同时间内,粗颗粒土的峰值浓度略小于细颗粒土的峰值浓度。

关于传递矩阵法分析饱和成层介质响应问题的讨论

水平成层土体的地震响应分析(自由场分析)是地震工程领域地震波散射问题的前提基础,由于饱和多孔方程的复杂性,以往的研究大多集中于干土情形,对于饱和土情形的研究相对较少.而实际工程中,地下水位以下,土体孔隙中充满流体,应考虑饱和多孔介质模型.基于Biot多孔介质模型,考虑饱和土中固液相对运动引起的衰减,采用Thomson--Haskell传递矩阵方法得到了饱和成层土体在地震波入射情形时的稳态反应,经傅里叶反变换,可得到时域暂态反应.通过SV波从基岩入射至上覆饱和土层的数值算例,验证了该方法的有效性.发现和初步阐明了计算中出现的两类违背因果律(即响应先于输入)的现象:(1)当SV波入射角度大于导致基岩中反射P波为非均匀波的临界角时,会使得计算结果违背因果律.因此,当入射角超过临界角时,非均匀波的表示尚需进一步完善;(2)由于P2波的衰减,当与稳态波衰减有关的渗透率、土层厚度、入射波频率等参数导致衰减系数超过计算机表示精度时,会出现结果违背因果律现象,并据此得到了满足因果律的参数范围,该范围可作为实际计算时的一个上界.该工作为采用传递矩阵法分析水平饱和土层自由场响应提供了指导依据,且地下水位以上可采用干土模型,水位以下采用饱和土模型,更符合实际情形.

复杂成层土中管桩振动特性分析

为了完善桩基检测理论及提高桩基检测质量,以地下水位面为界限,将管桩侧面土考虑为单相-饱和复杂成层土,进行了单相-饱和复杂成层土中管桩的纵向振动特性研究。首先根据地下水位面分界,分别建立了单相土层和饱和土层与管桩耦合振动的数学模型,然后进行了土体的动力方程求解得出管桩侧面土的剪切复刚度,根据阻抗传递性得到桩顶阻抗,进而得出速度导纳和速度时域的表达式,最后分析了地下水位面变化和地下水位面一定时桩土参数变化对桩顶动力响应的影响,并对比分析了相同参数下桩周土为成层单相土、单相-饱和复杂成层土、成层饱和土时桩顶动力响应的差别,得到了水位影响下复杂土中管桩耦合振动规律。

层状非饱和土中端承桩竖向振动响应的半解析算法

为了探究层状非饱和土中桩基的竖向振动响应,基于非饱和土动力控制方程,考虑基质吸力、三相(固相、液相和气相)压缩特性和饱和度对动剪切模量的影响,结合Euler-Bernoulli杆理论,建立三维轴对称简谐荷载作用下层状非饱和土中端承桩的竖向振动响应模型。利用Laplace变换、势函数法和算子分解法求解土体波动方程,通过桩-土耦合条件和阻抗函数传递性求解桩顶动力阻抗频域响应的解析解,利用傅里叶逆变换和卷积定理得出桩顶时域响应的半解析解。验证所得解的正确性后,研究分层土的模量比和厚度比对桩顶动力响应的影响。计算结果表明:土层上硬下软时,桩顶动刚度与阻尼的波动性减弱,导纳存在“小峰夹大峰”现象,峰值变大,反之,导纳呈“大峰夹小峰”。相比于上下均质土,桩底反射信号明显减弱。软土层越厚,桩顶动力响应的振荡幅值越大,土层厚度不一时,速度时程曲线中土层分界面出现反射信号,反射位置与土层分界位置密切相关。

饱和土中大直径缺陷桩振动特性研究

为了研究成层饱和土中带缺陷的大直径灌注桩的振动特性,首先基于饱和多孔介质理论和平面应变理论建立饱和土中考虑施工效应影响的桩土纵向振动模型,利用剪切复刚度传递方法得到桩周土体对桩身的竖向作用;然后考虑桩身横向惯性效应,结合边界条件,利用阻抗函数传递方法得到桩顶复阻抗,利用傅里叶逆变换得到桩顶速度时域响应;接着通过与已有理论解和工程实测曲线进行拟合对比,证明本文解的合理性;最后对桩身缺陷特性、桩周土体性质等参数进行分析,结果显示:缺陷的大小、长度和位置、桩身横向惯性效应以及桩周土性质都会对低应变完整性检测结果产生较大影响。

饱和土中大直径缺陷桩水平振动响应研究

为了研究成层饱和土中存在缺陷的大直径灌注桩的水平振动响应问题,基于Boit理论和严格的平面应变假设建立缺陷桩-饱和土横向耦合振动简化模型。引入势函数并利用算子分解法、分离变量法得到桩周饱和土对桩的水平作用力,再利用桩土接触面耦合条件及刚度矩阵传递法得到桩顶复阻抗;最后,通过模型对比与退化对比验证本文解的合理性。研究结果表明:(1)扩径对提高桩顶复阻抗起到的作用相对较小,但是缩径的出现将明显降低桩顶复阻抗;(2)桩顶动刚度和动阻尼对桩身缺陷大小和长度的敏感度不同,动刚度较动阻尼更为敏感;(3)桩顶附近缩径缺陷会导致桩顶复阻抗显著降低,而桩中部和端部附近缩径缺陷对桩顶复阻抗的影响相对较小。