比奥固结理论有限元方程形式及其应用分析

本文简明地推导了平面问题的Biot固结理论有限元方程 ,介绍了其全量形式、增量形式和混合形式 ,并具体分析了各种形式的来源、特点和应用情况。此外 ,针对比奥固结理论应用中两个共性技术问题 。

比奥固结理论在堆载预压加固工程场地中运用

运用平面应变比奥固结有限单元法,对南京某钢铁厂江边原料厂采用堆载预压结合塑料排水板处理的软土地基进行了计算,得到了较为理想的效果。计算中将塑料排水板合理地简化成等效砂墙,理论计算结果与实测结果吻合较好。验证了计算方法是合理可行的。

考虑次固结效应的流变固结理论研究

软土的固结与蠕变是土力学研究和工程建设中需要考虑的重点问题,但是传统的固结理论,例如太沙基固结理论没有考虑软土的流变特性,对软土的次固结沉降无法做出准确的解释。为了研究软土的固结与蠕变以及次固结沉降特性,掌握其应力和变形规律,本文对传统的固结理论进行了改进。在太沙基一维固结理论的基础上,利用次固结系数和修正的SinghMitchell经验蠕变模型,建立了考虑次固结效应的一维流变固结微分方程。在太沙基三维固结理论和比奥固结理论的基础上,利用修正的Singh-Mitchell经验蠕变模型,建立了考虑次固结效应的三维流变固结微分方程。新建立的流变固结微分方程能够更加准确地反映软土固结和蠕变性状的应力-应变-时间关系,为软土固结沉降研究提供新的理论依据。

基于理论法的地面沉降数值模型进展

在综合分析已有文献的基础上,对比阐述了国内外基于理论法的地面沉降数值模型的发展过程,对基于太沙基有效应力原理、比奥固结理论所建立的各类模型的特点进行了总结归纳,重点介绍了利用MODFLOW程序的地面沉降模型模块,指出了目前研究的不足,为今后地面沉降模型的改进提供一定的参考。

比奥固结全耦合模型参数灵敏度分析

为了准确研究比奥固结全耦合数值模型中水力学参数和土力学参数对地面沉降的影响程度,针对南通兴益大厦深基坑场地,以比奥固结理论为基础,引入黏性土流变理论,将模型中应力应变关系推广到黏弹塑性,同时考虑了土体相关参数随应力应变状态的动态变化,建立了地下水开采与土体变形的三维全耦合数值模型。在此基础上,选取相关水力学参数和土力学参数,进行局部灵敏度分析和Morris法全局灵敏度分析。结果表明:土体的弹性模量、黏聚力和重度对地面沉降的影响最大,此外,土体的内摩擦角和泊松比也分别对地面沉降有较大影响。

建筑荷载与地下水开采耦合作用对地面沉降的影响

以南通市海门区地面沉降历史为研究背景,从比奥固结理论出发,分析地面荷载及地下水渗流场对土体变形的影响.采用现场监测的方式对海门区地下水位、高层建筑物荷载和地面沉降进行监测,研究高层建筑荷载、地下水开采以及二者耦合作用对土体变形的影响.通过建立地下水渗流、建筑荷载与土体变形的三维流固全耦合模型,对不同因素作用下地面沉降进行模拟.模拟结果显示:地下水开采引发的地面沉降对主开采层的影响最大,建筑荷载引发的沉降对地表附近土体影响较大;地下水开采和建筑荷载的耦合作用引发土体变形的情况中,地面上距离建筑物集中区较近处以建筑荷载作用为主,较远处以地下水开采作用为主.

南通市建筑荷载和地下水开采引发地面沉降模拟预测

为准确模拟南通市地面沉降的机理及分布规律,采用Biot固结理论,将土体的本构关系拓展至粘弹塑性,利用全耦合模型对参数的动态变化进行分析,建立南通市建筑荷载、地下水开采与地面沉降关系的三维数学模型。参照近年资料对模型进行识别验证后,模拟预测了2016年8月到2025年8月各含水层在建筑荷载、地下水开采及两种因素共同影响下压缩而引起的地面沉降发展趋势。研究结果表明:建筑荷载对潜水含水层和第Ⅰ粘性土弱含水层压缩量影响最大;地下水开采对各承压含水层压缩量影响最大;二者共同作用下对第Ⅰ承压含水层压缩量影响最大。建筑荷载和地下水开采共同作用产生的沉降量小于分别作用时产生沉降量的线性之和,分析认为是两种因素在沉降上的耦合效应所致。

宽路堤软土路基沉降的有限元模拟

通常认为路堤中央部位的沉降量要比两边路堤边坡部位大 ,因此一些规范要求将路堤沉降测点埋置在路堤中央。本文采用弹性模型Biot固结有限元程序对一宽路堤在软土路基条件下的沉降进行有限元模拟 ,认为宽路堤软土路基沉降量呈中央小两边大 ,并且最大沉降位置随堆载的增高向路堤中央移动。这一模拟结果与马来西亚Muar试验路堤的观测结果是吻合的 ,深圳机场宽 40

水力冲填粉煤灰坝施工固结特性分析

用比奥固结理论计算了水力冲填粉煤灰坝的施工固结过程,从机理上分析了工程中上坝速度的合理确定、坝基沉积灰对冲填坝固结的影响等问题。结果表明,坝下设置排水层可以大大加快坝体施工固结速度,平均上坝速度在0.3m/d以内,坝体施工安全有保障。

砂井地基沉降的二维有限元分析(二)——修正剑桥渗流耦合模型有限元及实例计算

详细介绍了将修正剑桥模型和Biot固结理论耦合形成的修正剑桥渗流耦合模型二维平面应变有限元方法,采用编制的该模型有限元程序,结合前文介绍的砂井地基三维问题等效成二维问题的方法,对某路堤工程砂井地基的沉降进行有限元计算,得到的计算结果与实测沉降结果比较相近。

库底淤砂视为液固两相介质时挡水坝的动水压力

将库底淤砂视作液固两相介质，基于Biot理论建立了淤砂动力问题的基本方程，联合水体的动力方程，采用加权残量法进行了相应问题的解，分析了不同地震干扰频率、不同淤砂厚度等因素对挡水坝动水压力的影响。研究结果表明：淤砂对坝面动水压力的不利影响主要反映在厚淤砂和高频振动方面，需引起足够重视。

深基坑工程渗流-应力耦合分析数值模拟研究

为了研究深开挖过程中渗流场与应力场的变化规律及其导致的基坑稳定问题，基于比奥固结理论，并将其扩展应用于弹塑性分析领域，将渗流场水力作用与应力场耦合，并通过有限单元法模拟，力求得到深基坑开挖及降水过程中，开挖范围及邻近区域地面沉降等环境效应的基本规律的认识，为深基坑开挖设计与信息化施工提供借鉴。

土石坝水力劈裂发生过程的有限元数值模拟

在总结国内外关于水力劈裂机理分析及数值模拟方法的基础上,将所提出的渗透弱面水压楔劈作用模型引入基于比奥固结理论的有效应力法,采用弥散裂缝理论描述水力劈裂裂缝的发展过程,建立了用于描述水力劈裂发生和扩展过程的数学模型及有限元计算模式。模拟了挪威Hyttejuvet坝水力劈裂破坏的发生过程。计算结果表明:本文建立的数学模型和相应计算模式能够较好地模拟土石坝水力劈裂的破坏过程,可用于土石坝工程的安全性评价。

地下水开采与地面沉降控制三维全耦合模型研究

针对第四纪松散沉积层中地下水开采所引起的地面沉降问题,以比奥固结理论为基础,考虑到土体的非线性特征及土体的渗透性随应力状态的动态变化,引入邓肯-张非线性模型和渗透率动态模型,将地下水渗流场和土体应力场耦合起来,并以吴江市浅层地下水开采为例,建立了浅层地下水开采与地面沉降三维全耦合数值模型。在对模型进行校正、识别的基础上,以微承压含水层未来10 a内地下水位埋深不低于含水层顶板、地面沉降量不超过50 mm为约束条件,预测了吴江市各镇的地下水可采资源量合计为1203.59×104m3/a。

南通市高层建筑荷载对地面沉降的影响

针对长江中下游第四纪松散沉积层地区由高层建筑荷载引发的地面沉降问题,根据土体非线性流变理论,将比奥固结理论中的本构关系拓展到黏弹塑性,并考虑土体孔隙度、渗透系数及变形参数随有效应力动态变化的关系,建立了南通市高层建筑荷载、地下水渗流与土体变形三维全耦合数学模型.在对模型进行识别、验证的基础上,在地下水停采、仅有高层建筑荷载单独影响的条件下,模拟预测了2010年12月底到2025年12月底每年各含水层组地下水流场变化特征和地面沉降发展趋势.结果表明:南通市崇川区最大地面沉降量为55.28 mm,最大地面沉降速率为3.69mm·a^(-1);通州主城区最大地面沉降量为38.87 mm,最大地面沉降速率为2.59 mm·a^(-1);地面沉降量较大地区位于高层建筑荷载密集区.

高层建筑引发地面沉降模拟预测三维流固全耦合模型

为了准确预测由高层建筑引发土体应力场和渗流场变化而导致的地面沉降,以比奥固结理论为基础,结合土体非线性流变理论,将比奥固结理论中的本构关系拓展到黏弹塑性,并考虑了土体孔隙度、渗透系数及变形参数随有效应力的动态变化关系。以河北省沧州市为例,建立了沧州市高层建筑荷载、地下水渗流与土体变形三维流固全耦合数学模型。在对模型进行识别、验证的基础上,模拟预测了沧州市在地下水停采、仅存在高层建筑荷载的影响下,从2010年12月底到2025年12月底逐年的各含水层组地下水流场变化特征和地面沉降发展趋势。结果表明:沧州市由高层建筑荷载引发的最大地面沉降量为40.57mm,最大地面沉降速率为2.7 mm/a,位于沧州市区。

考虑土体各向异性的深基坑开挖有限元法分析

作者将各向异性弹塑性模型引入到比奥固结理论有限元法中,对深基坑开挖进行了考虑土体各向异性的分析和模拟计算,并通过一深基坑工程实例,对深基坑开挖过程中所引起的基坑周围水平、竖向位移等进行了计算,并将计算结果与不考虑土体各向异性的情况及实测结果进行了比较。

长江下游桥梁工程地基土体渗透特性研究

以江阴长江公路大桥北锚碇为例,首先阐述了锚碇地基土孔隙水压力观测和渗透性分析的意义。并根据江阴长江公路大桥地基基础安全监测成果,分析了孔隙水与长江水的水力联系。在比奥固结理论的基础上,采用变尺度优化方法反演了土工有限元分析中北锚碇地基土的渗透系数。并利用该桥北锚碇沉井浇筑完成后的实测变形结果,验证了反演参数的合理性。从而得知,土体的应力状态发生变化后将响应为土体参数的变化。上覆巨型基础的静荷载使地基土体渗透性减小,对基础的稳定性是有利的。

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。

地基固结沉降随机有限元计算和可靠度分析

基于比奥(Biot)固结理论,采用邓肯-张本构模型,考虑随机场的影响,首次给出了地基固结沉降随机有限元分析方法,并基于随机有限元对点固结沉降和差异固结沉降的可靠度进行了分析。