Biot固结理论在地面沉降计算中的应用

在回顾地面沉降研究现状的基础上,提出采用Biot固结理论进行由降水形成的渗流场与应力场的耦合分析,并运用二维Biot固结平面有限元程序计算因开采地下水而引起的地面沉降问题,最后通过工程实例验证了该方法的可行性。

弹塑性大变形Biot固结理论的参变量变分原理

根据大变形弹塑性理论Lagrangian描述的UL方法,利用参变量变分原理的思想推导建立了弹塑性大变形Biot固结理论的数值模拟计算方法。该方法的优点在于,将弹塑性分析问题转化为屈服条件下的约束求弹塑性势能泛函的极值问题,增量计算中不需要迭代,而且便于进行非关联流动与应变软化计算。

基于Biot固结理论的地面沉降研究综述

城市地面沉降与地下水开采引发的饱和土体压缩固结密切相关,Biot固结理论准确的描述了孔隙水压力消散与土体骨架变形的相互关系,以该理论为基础建立的多孔介质流固耦合模型在地面沉降数值计算中得到了广泛的应用。在调研大量相关文献后,对Biot固结理论研究进展和获取Biot系数的试验方法等方面进行了系统的总结和阐述,综述了国内外以为Biot固结理论基础的地面沉降研究成果,认为其能较好的反映地面沉降的真实规律,同时提出Biot固结理论在饱和土体的各向异性、应力应变本构关系方面与土体的实际变形特性存在差异等问题,因此仍具有进一步研究和完善的空间。

基底不透水条件下埋置基础沉降的Biot固结理论解

基于 Biot固结理论 ,分析了基底不透水 ,侧壁为半透水介质的埋置基础沉降随时间变化规律。采用 Hankel和 L aplace变换 ,简化固结控制方程。基底平面的渗流和接触应力采用级数逼近的方法模拟。获得了地基表面和基础底面任意点的位移积分形式解。运用反变换技术可以获得位移随时间的变化规律。该方法对于复合地基、沉井基础等地基的固结理论研究及工程设计均有一定的借鉴意义。

ANSYS基于Biot固结理论流固耦合模型及应用

ANSYS作为通用有限元软件,在土木工程领域有着广泛的应用,但在岩土工程模拟方面,特别是在土的本构关系及固结方面存在很多需要改进和增加的地方。ANSY12.0以Biot固结论文为基础,增加了流固耦合模型,用于类似于土体的孔隙介质。基于此,分析了ANSYS中流固耦合模型提供的内容,介绍了其计算步骤,并计算了一维和二维两个工程实例,其中一维实例采用了CPT216三维单元,分析了其适用性。分析及计算结果表明,流固耦合模型可以解决实际的工程问题,具有一定的计算精度,但是还有一些不足,例如:土的本构模型仅仅局限于弹性体;不能考虑非饱和、非稳定流问题等等。

从Biot固结理论认识渗透力

渗透力是土力学中的重要概念，也是岩土工程界一直所关心的问题。在渗流变形耦合问题的分析中，正确认识渗透力的地位和作用具有重要意义。基于Biot固结理论较严格的耦合机理，较深入地探讨了渗透力在直接耦合和序贯耦合分析中的地位。对渗流变形耦合问题而言，渗透力不是独立存在的客观物理量，而只是序贯耦合分析方法中的一个中间量。

基于Biot固结理论的闸基灌注桩基础变形计算

甘肃省张掖市黑河小孤山水电站枢纽采用闸坝型式,基础河床覆盖着深厚的淤泥质土,采用混凝土灌注桩群桩措施进行基础处理。为研究闸基处理后变形情况,采用Biot固结理论,基于有限元法对多工况下桩基变形进行计算,并将计算结果与后期运行中枢纽上游、中游和下游3排共计15个监测点连续106期的监测数据进行对比。结果表明:①工程从开挖至正常运行和发生地震情况的桩基变形有限元计算结果与按照规范计算的结果较为接近;②枢纽工程建设完成后对其进行连续监测,将监测数据与计算数据对比,二者基本吻合,基础处理方案合理、有效,计算方法合理;③混凝土灌注桩群桩基础的处理措施改善了淤泥质软土的剪切变形和不均匀沉降,为工程的安全运行提供了保障。

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。

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。

多孔介质岩土材料的Biot固结损伤有限元分析

从损伤力学的角度,引入孔隙介质基本方程,对传统的Darcy定律进行修正,并提出了孔隙介质完备有效的Darcy定律。然后对传统的Biot固结理论进行改进并据此编制相应的岩土体流固耦合损伤有限元程序。最后结合某软土路基简化有限元模型的算例进行分析,同时利用编制的损伤有限元程序对不同时间差分格式在损伤固结有限元分析中预测路基工作性状方面的影响进行了讨论。

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.

考虑Hansbo渗流的二维Biot固结有限元分析

为进一步深入研究弹性饱和黏性土地基的二维固结机制,引入Hansbo渗流方程描述固结过程中的非达西渗流,修正Biot二维固结方程。基于加权残数法,给出相应的有限元数值求解格式。通过和饱和黏性土一维非达西渗流固结理论有限体积法数值结果的对比,证明数值计算方法的有效性。在此基础上,探讨Hansbo渗流参数对二维地基固结进程的影响。计算结果表明,在固结初期,Hansbo渗流将增强Mandel-Cryer效应,增大孔压的峰值,并延长孔隙水压力达到峰值的时间;在固结中后期,整个土层存在孔隙水压力滞后现象。同时,Hansbo渗流将阻碍地基沉降的发展。而且,上述影响会随着Hansbo渗流参数的增大而更加明显。

饱和土的变渗透系数固结理论及其合理性验证

饱和土体的固结过程伴随着土骨架的压缩和孔隙水的排出,其孔隙比及渗透系数随固结过程不断减小,但当前的Biot和Terzaghi固结理论均没有考虑固结过程中孔隙比及渗透系数的变化。这种处理方法对于压实土地基的固结过程来说,计算结果与实际相差甚微,但对于孔隙比很大的欠固结软黏土层、尾矿堆积层以及淤地坝库区的固结沉降来说,计算结果与实际过程的差异则会很大。首先建立土体固结过程中孔隙比与体应变的关系式,再利用渗透系数与孔隙比的关系式建立了渗透系数与体应变的关系式,最后利用弹性力学的几何方程得到渗透系数与单元位移的关系式。将这一关系式代入Biot固结理论,即得到变渗透系数固结理论,并在COMSOL中实现了求解计算。理论分析和数值计算表明:变渗透系数固结理论能够反应固结过程中因孔隙比减小造成的孔压消散缓慢、沉降速率降低的客观现象;土体初始孔隙比越大,体应变越大时,修正的渗透系数对固结过程的影响越大;渗透系数的减小只影响固结过程,不影响固结计算的最终结果。

有限元解Biot固结方程时初始参数选取方法的研究

针对初始参数对有限元Biot固结方程解的影响,分别分析了用前期固结压力计算初始模量和直接用实测值作为初始模量对结果的影响程度,通过实例,对比了两种方法的优劣。提出了用实测初始迭代模量取代用邓肯-张模型计算初始迭代模量的方法。

三维Biot固结有限元方程的加权余量法推导

本文从土的平衡微分方程和连续性方程出发。

Biot固结平面有限元程序网格局部加密方法研究

为了解决软土地基上的构筑物沉降过大、承载力不满足等问题 ,很多学者依据Biot固结理论编制了大量的有限元程序。要在基本相同的计算量的前题下获得足够的精度 ,需要对有限元网格进行局部加密处理。作者提出的加密方法合理解决了接触单元和多级加载问题 ,并使用C ++Builder开发工具编制了加密程序 ,最后给出一个工程实例验证了方法的可行性。

考虑非达西渗流的比奥固结有限元分析

在经典Biot固结理论基础上,建立了考虑非达西渗流影响的固结方程,并用有限元法进行了求解。首先,引入目前广泛应用的Hansbo非达西渗流定律,简要分析了该模型及其参数情况。通过对孔压梯度进行一定简化,结合流量连续条件和力的平衡条件,获得了考虑非达西渗流的Biot固结理论控制方程。在此基础上,基于加权残数法和空间八结点单元,推导了相应的有限元方程。通过在已有程序基础上编制非达西渗流模块,实现了对上述有限元方程组的求解。最后通过与解析理论对比,验证了数值方法的可靠性。结果发现:相比于考虑非达西渗流的解析理论,有限元解法误差随非达西渗流控制参数的增大而增大,但总体误差在10%以内;非达西渗流会延缓固结速率,且该影响随着非达西渗流参数的增大而变得明显。

砂井地基固结过程的监测与分析

采用沉降板、分层沉降仪、孔隙水压力计等仪器,对路基分层填筑过程中砂井地基的固结规律进行监测,保证了路基的安全填筑。将非线性弹性本构关系引入Biot固结理论有限元程序,把砂井地基等效为砂墙,采用中点增量法研究施工过程中地基沉降与孔隙水压力消散的规律,其计算参数由室内三轴试验确定。研究结果表明:采用非线性弹性模型计算的孔隙水压力峰值和沉降量均大于弹性模型计算值,能模拟在分级加载过程中砂井地基的沉降和孔隙水压力消散的规律;泊松比对非线性模型的孔压变化趋势影响不大,但沉降量随泊松比的增大而减小;只有当渗透系数发生数量级改变时,才引起孔压的明显变化。

南京江北新区地铁盾构开挖引发地面沉降三维数值模拟预测

为研究地铁盾构施工引起的地面沉降问题,首先以Biot固结理论为基础,将土体本构关系拓展为黏弹塑性,考虑土体渗透性的动态变化,建立了地铁盾构引发地面沉降的三维全耦合数值模型;然后以南京地铁11号线江北新区马骡圩站至石塘公园站盾构施工区间为例,模拟预测了该盾构区间的沉降量,并完成了模型的校准;最后利用该模型模拟预测了地铁盾构开挖所引起的地面沉降规律,并模拟了盾构拱顶上方土体和盾构底部下方土体的参数变化。结果表明:实测地面沉降量与计算值吻合较好,模型可靠;以模型第二区间段为例,东线轴线处沉降量在52.41~54.52 mm范围内,西线沉降量在53.28~55.60 mm范围内;东线盾构隧道沉降以隧道轴线为中心对称分布,西线隧道开挖后,最终引起累积地面沉降量在轴线之间较大;随着开挖的进行,上方土体孔隙度、渗透系数及泊松比变小,变形模量增大,下方土体变化则相反。

水平边界条件对排水固结处理地基沉降的影响

应用B iot固结理论作为控制方程,采用有限元计算并结合工程实例分析研究了排水固结法地基处理水平边界条件对地基沉降的影响。计算结果和现场观测值的研究表明,路基施工过程中水平边界条件受限、横向排水通道被堵影响了地基的排水固结,导致了施工期沉降量和沉降速率变小,对工后沉降量和路基稳定性的控制均不利,但道路运营阶段水平边界条件被封闭,可减少道路运营期间的沉降量、沉降速率和工后沉降量,延长道路的使用寿命,具有一定的工程实践意义。