Decoupling Conditions for Elasto-plastic Consolidation Question Based on Numerical Modeling Method

Elasto-plastic consolidation is one of the classic coupling questions in geomechanics. To solve this problem, an elasto-plastic constitutive model is derived based on the numerical modeling method. The model is applied to Blot＇s consolidation theory. Incremental governing partial differential equations are established using this method. According to the stress path, the decoupling condition of these equations is discussed. Based on these conditions, an incremental diffusion equation and uncoupling governing equations are presented. The method is then applied to numerical analyses of three examples. The results show that （1） the effect of the stress path should be taken into account in the simulation of the soil consolidation question; （2） this decoupling method can predict the evolvement of pore water pressure; （3） the settlement using cam-clay model is less than that using numerical model because of dilatancy.

沉降-时间曲线呈“S”型的证明——从一维固结理论角度

从一维固结理论出发,严格证明了在线性加载或近似线性加载情况下(这和工程实际加载相类似),沉降-时间曲线呈“S”型。

沉降时间曲线呈“S”形的证明——从一维固结理论角度

从一维固结理论出发,建立了数学模型,经过严格的数学推导,证明了在线性加载或近似线性加载情况下,沉降 时间曲线呈"S"形。

真空预压条件下的砂井地基Hansbo固结解

结合真空预压时的实际边界条件,引入负压沿砂井的线性衰减分布模式,将Hansbo砂井地基径向固结理论推广到真空预压(负压)情况,并与现有的董志良解及Indraratna解进行比较,以验证其正确性。结果表明,3种解析解得到的任意时刻径向固结度Ur的关系为:本文解>董志良解>Indraratna解。当时间因素Th≤0.5时,三者间相对误差较大,但绝对误差很小,随着时间的增长(Th>0.5),误差逐渐减小。本文解较Indraratna解更接近较为严密的董志良解,且本文解形式简单,利于工程推广应用。当不考虑井阻作用时,3种解析解均可简化为负压条件下的无井阻固结Hansbo解。

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。

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。

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.

有压引水隧洞内水外渗作用研究

基于Biot固结理论,对统一域混合模型进行改进,考虑了结构面的法向渗透特性,对高压内水外渗进行了渗流场-应力场耦合计算,以衬砌上钢筋应力变化为代表,反映内水外渗耦合计算分析下的结构应力状态的变化。并以衬砌上的微裂缝宽度、围岩渗透系数、岩体结构面的产状为影响因素,以衬砌外沿最大孔隙水压为系统特性,进行了敏感性研究。结果表明,高压内水外渗耦合计算分析步中钢筋拉应力变小;衬砌微裂缝的宽度是影响衬砌外沿最大孔隙水压的主要因素,围岩渗透系数为次要因素,结构面的产状对其影响最小,但是对孔隙水压的分布影响较大。

碎石桩复合地基三维地震响应分析

将饱和砂土视为土—水两相介质,以Biot动力固结方程为基础,编制了完全耦合的三维排水有效应力动力反应分析程序。利用该程序对碎石桩复合地基进行了动力反应分析。结果表明:在地震荷载作用下,碎石桩具有明显的减震效应,碎石桩复合地基表层的最大水平振动加速度与天然地基相比明显减小,并且碎石桩对地基的沉降变形有明显的抑制作用;碎石桩的排水效应十分显著,随着输入地震加速度的减弱,在孔压达到峰值以后,由下到上出现了明显的孔压消散现象,碎石桩排水效应的影响范围为上窄下宽的圆台形;碎石桩的加密效应显著;考虑碎石桩各效应的耦合作用比仅考虑其单一效应,计算得到的孔压比要小,因此在进行碎石桩复合地基抗液化判别时,应该综合考虑碎石桩各效应的相互耦合作用。

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。

广义节点无网格法在土力学固结分析中的应用

借鉴流形方法思想,引入广义节点的概念,对传统的无网格法进行了改进,建立了可具有任意高阶多项式插值函数的广义节点无网格方法。与传统无网格方法相比,广义节点无网格方法更具有一般性,当选取0阶广义节点位移插值函数时便可得到传统的无网格法。结合土工固结问题,通过推导建立了Biot固结方程的数值计算列式,对静态固结问题进行数值计算,通过对比分析验证了所建议方法的可行性。

土体自重固结压缩对地面沉降影响研究

以南通市为例,建立了土体自重固结压缩、地下水开采与地面沉降三维全耦合模型。在对模型进行识别、验证的基础上,模拟预测了南通市在地下水停止开采,仅在土体自重固结压缩影响下,自2010年12月31日—2025年12月31日各含水层组地下水流场变化和地面沉降的发展趋势。结果表明,在此期间,南通市由土体自重固结压缩引起的最大地面沉降量为2.42 mm,最大地面沉降速率为0.16 mm/a,土体自重固结压缩对南通市地面沉降的影响极为有限。

基于FLAC3D的吹填土真空预压数值分析

吹填土的固结变形属于流-固耦合大变形问题,通常的有限元软件对此类问题的模拟分析较为困难,而利用FLAC3D对吹填土固结变形进行研究则十分便利,这主要表现为FLAC3D本身的算法更适合解决高度的非线性问题和流-固耦合问题。为了便于研究在真空预压过程中大窑湾吹填土的固结与变形特性,利用FLAC3D将修正剑桥模型和比奥固结理论相结合,分别用"面层负压法"和"节点负压法"模拟两种实际的真空压力施加方法,并通过数值计算对比了这两种方法在加固过程中沉降变化、位移变化及孔隙水压力变化的特点,计算结果表明"节点负压法"更有利于真空度在土体中的传递,相应的加固效果更好。

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。

饱和土的球对称固结与Mandel-Cryer效应

饱和土的固结问题是土力学的一个基本问题,在饱和土固结过程中往往伴有Mandel-Cryer效应,对Mandel-Cryer效应的理论研究尚不完善.以Biot饱和土理论为基础,通过直接求解饱和土球对称Biot固结方程,得到了球对称固结方程在真实空间的解析解.数值计算结果充分表现了饱和土三维固结过程中孔隙水压力在空间的分布和随时间的变化,直观反映了Mandel-Cryer效应的发展过程,同时给出了土体泊松比对Mandel-Cryer效应的影响规律.

地下水压缩开采对沧州市地面沉降的控制效果预测

为了准确探究地下水压缩开采对沧州市地面沉降的控制效应,在结合研究区工程地质和水文地质条件的基础上,以比奥固结理论为基础,建立了沧州市地下水开采与地面沉降的三维全耦合数学模型,对模型进行识别、验证从而提高其预测模拟的准确性。分别在现状开采和压缩开采条件下,预测了从2015年12月31日至2030年12月31日逐年的地下水流场的变化特征和地面沉降的变化趋势,结果表明:至2030年12月31日,现状开采条件下,沧州市累计最大地面沉降量为431.37mm,最大沉降速率为28.76mm/a;压缩开采条件下,沧州市累计最大地面沉降量为267.45mm,最大沉降速率为17.83mm/a,沧州市地面沉降得到有效控制。

饱和多孔土固结引起的桩负摩擦力分析

根据Biot固结理论,采用Laplace和Hankel变换方法得到了半空间饱和土体内受垂直载荷作用下的变换域内基本解,再根据虚拟桩法,得出了单桩的第二类Fredholm积分方程,最后通过对积分方程的数值求解得出了在圆形载荷作用下,单桩桩侧的负摩擦力以及桩的孔压消散变化的情况.数值结果表明,圆形载荷半径越大,负摩擦力的中性点逐渐上移的程度越大,而且孔压随载荷半径增加而增加.

芦台地道桥施工降水对既有铁路路基沉降的影响研究

结合拟建津榆公路芦台地道桥下穿津山铁路桥段施工降水工程实例,根据不同的U型槽修建长度,研究该中心位置地下水位降低对正在运营的铁路路基沉降的影响。借助FLAC3D软件,根据比奥固结理论,构造三维沉降模型,对六种工况进行数值模拟分析,研究了不同工况下降水对铁路路基的影响。结合相关规范要求,针对模拟分析的总体结果,得出U型槽的修建长度控制在距离既有铁路路基两侧各100 m左右较为合理的结论。

真空预压法加固软土地基的数值模拟

对真空预压法加固软土地基的效果进行了数值模拟分析,采用大型通用有限元程序Abaqus进行实际工程的模拟计算及分析,采用剑桥模型来模拟真空预压下土体的固结变形过程,说明真空预压法加固软土地基效果明显。

求解饱和半空间上弹性圆板固结沉降的积分方程

本文采用解析方法分析了弹性圆板在饱和半空间上的固结沉降。考虑弹性圆板与饱和半空间的接触面上无摩擦力,且饱和半空间表面为全部透水的。运用Biot固结理论和积分方程技术,在Laplace变换域上建立了弹性圆板固结沉降的对偶积分方程,并化此对偶积分方程为第二类Fredholm积分方程。通过对其核函数的有效数值积分得到第二类Fredholm积分方程的解,再利用Laplace反演技术获得弹性板在时间域中的固结沉降值。文末给出弹性板中心点固结沉降的固结度的数值算例。