土力学中饱和土渗流固结理论的教学方法研究

Terzaghi饱和土单向固结理论的提出标志着土力学成为一门独立学科,土的渗透及固结是土力学教学的重点,同时也是教学难点。为使学生更为形象掌握和理解该知识点,该文提出一种数学方程与数值模型相结合的教学方法,从Biot渗透固结理论的偏微分方程出发,在通用有限元软件中建立并验证数值计算模型。通过渗流固结方程的介绍和说明,理解“渗流”和“固结”的过程及区别和联系。基于数值结果,形象说明达西定律中“水头”的概念。

岩土流变数值计算中一些问题的探讨

针对黏弹性组合模型中的两类参数,即拉压模量和拉压黏性系数以及剪切模量和剪切黏性系数在数值反分析和正分析应用中存在的概念模糊,以及转换不合理等一些问题,首先分析了这两类参数概念上的差异,接着从理论上建立了拉压模量和拉压黏性系数(常体积模量假设下广义Kelvin模型)到剪切模量和剪切黏性系数之间的转换关系,并通过一个算例,从正分析和参数反演两个角度,对这些问题进行了探讨,给出了产生这些问题的内在原因。最后,提出了解决这些问题的可行性措施,并指出这一解决措施也同样适用于其它假设情况。

岩体流变情况下隧道合理支护时机的数值模拟

以广梧高速公路牛车顶隧道为工程背景,探讨岩体流变情况下隧道二衬支护时机确定的理论和数值计算方法。对比理论方法预测拱顶下沉时程曲线与现场实测结果,建立数值计算模型,分析隧道围岩应力释放系数对围岩稳定性的影响表明,理论方法预测拱顶下沉时程曲线与现场实测表现出相同的发展规律,并且二者得到的二衬支护时间基本相同,验证了理论方法的正确性。围岩应力随着掌子面推进而不断释放,III级围岩应力释放比较缓慢,空间效应比较明显;当开挖释放应力系数大于或等于60%时,整个围岩的松动区都大于锚喷加固范围,最终确定出二衬的合理支护时机,为工程实践提供参考。

连云港港区深厚淤泥地基筑堤数值分析

连云港徐圩港区淤泥层深厚,土质条件差,拟在淤泥地基上修筑斜坡堤。准确开展筑堤后地基固结预测分析,可优化设计,并为港区后期建设提供技术支撑。采用能较好反映超软淤泥性质的修正剑桥模型,模拟斜坡堤分级施工过程,采用不同涂抹效应参数进行计算,通过与实测结果对比以确定海上排水板施工的合理涂抹参数。计算结果表明,当涂抹区井径比s=5,渗透系数降低比k_h/k_s=5时,原位监测结果与数值模拟结果吻合较好。要满足油气管廊基础对工后沉降的要求,应保障排水板施工质量,同时堤身预压时间不低于13个月。

一种土体固结变形的数值计算方法

在给出反映土体团结流变性的本构方程基础上．捉出一种土体固结变形的数值计算方法。该方法依据有效应力增量方程式，利用西瓦伦公式计算有效应力值，采用逐步递推迭代方法，实现土体固结变形的计算。

盾尾注浆硬性浆液固结变形数值计算模型构建

为了更为合理地评价盾构壁后注浆控制地层变形机制,采用自制的硬性浆液固结变形试验装置,对水泥胶结作用影响硬性浆液的固结过程进行了试验研究。在此基础上,分析并建立了能够反映水泥胶结作用的硬性浆液固结变形模型,编制了相应的数值计算程序,并通过试验验证了该模型的合理性。硬性浆液固结变形数值计算模型的构建对于提高盾构施工模拟精细度将起到一定的推动作用。

黄土高路堤三维固结数值解法

针对黄土的结构性、欠压密性、非饱和性与各向异性特点，将黄土视为非饱和土，基于非饱和土力学理论，建立了相应的三维固结方程组，利用有限元法，分析了黄土的固结变形特征。分析发现黄土高路堤经压实后，其垂直位移最大值发生在路堤中部，呈抛物线趋势；位移在路堤坡脚处最小，路堤变形趋势在上部呈向内、向下移动的趋势，即呈现“凹盆”，在1／3～2／3路堤高处呈向外“挤出”趋势；对于非饱和黄土，在瞬时加载后，其表层沉降变形可分为瞬时沉降和土体固结沉降，前者为主要变形。结果表明建立的非饱和黄土三维固结方程能很好地模拟与分析黄土路堤的固结变形，具有较好的应用前景。

动力排水固结法加固吹填黏性土的机制研究

以天津吹填黏性土为研究对象,利用自主研发的大比例尺试验装置进行室内模型试验,重点观察和分析夯击过程中孔隙水压力(简称"孔压")的动态响应。室内模型试验表明,经过加固后土体的含水量降低,密度增大,抗剪强度明显增强。为弥补模型试验的不足,借助FLAC3D进行数值模拟,探讨冲击荷载下吹填土地基土体的动力响应特征,重点对夯击瞬间锤土接触应力、孔压长消和土体位移进行研究。室内模型试验和数值计算结果都发现,夯击瞬间孔压急剧增长,在夯击过程中孔压分为增长、稳定、下降3个阶段。数值计算还发现夯锤与土接触瞬间,锤土接触力并未达到最大,接触力在夯击过程中有多次弹跳;土体的孔压峰值和位移峰值随土层深度和距锤底中心径向距离的增大而逐渐滞后。

三元复合驱油井流入动态特征研究

在用黏弹性流体本构模型描述三元复合驱地层流体流变特性的基础上,建立了三元复合驱地层流体在地层中渗流的基本微分方程,采用有限差分法对其进行了数值求解,并用拉格朗日插值法对产能进行预测,分析了流体的流变参数对产能的影响。通过对大庆油田采油四厂5口油井的产能预测结果与实测结果进行对比分析,其相对误差在20%以内,表明用黏弹性流体本构模型来描述地层流体的流变性能较好地预测油井的产能。

连续介质力学行为分析的静态拉格朗日方法

通过对FLAC的研究,得出一个结论:拉格朗日方法无论从计算收敛的角度还是从物理意义的角度,基于运动方程求解都是不必要的。提出了一种新的求解思想,建立了所谓静态拉格朗日方法:(1)由节点不平衡力和节点刚度系数确定节点位移增量;(2)由节点位移增量确定单元应变和应力增量;(3)由单元应力增量确定单元应力状态,进而确定新的节点不平衡力。步骤(1)～(3)的过程重复进行,体系将达到平衡状态。给出了静态拉格朗日方法的基本公式和基本处理方法,包括节点不平衡力、节点刚度系数、单元应变和应力公式以及介质离散、单元应变和应力求解、介质开挖与支护、大变形问题等的处理方法。基于静态拉格朗日方法编制了计算软件,能模拟多荷载步、介质开挖与支护等复杂问题以及介质线弹性、弹塑性、流变等多种力学行为。软件可视化的后处理功能,可给出介质位移矢量图、塑性区分布图及节点位移、单元应力求解过程线。给出了静态拉格朗日方法算例,并与FLAC计算结果作了比较,通过算例说明了静态拉格朗日法的特点。将静态拉格朗日方法应用于实际工程,对黄河小浪底水利枢纽地下厂房大型洞室群围岩进行了力学分析。基于现场压缩试验,将岩体作为黏弹性介质,采用广义Kelvin模型,并确定了岩体力学参数;阐述了黏弹性模型静态拉格朗日方法的计算过程;根据地下洞室群开挖施工过程确定了数值计算的荷载步;建立了三维网格;基于实测计算了原始地应力场;数值计算给出了考虑流变效应的岩体位移和应力状态,给出了岩体流变稳定时间,为评价岩体的稳定性和设计支护方案提供了依据。概述连续介质静态拉格朗日分析方法的特点,该方法属于一种松弛或迭代方法,不需要通过节点运动方程求解,也不需要节点质量、阻尼力、惯性力、节点运动速度、加速度、时间步长等这些物理力学量,使求解方法简化。较FLAC方法的优点是,求解过程基本上是静态的,介质没有振动,或只有很小的振动,计算精度提高,克服了FLAC求解过程中介质振动、计算结果物理意义不明确这一缺点;算例的结果表明,对于较小的几何模型(单元和节点数较少),静态拉格朗日方法具有更快的计算速度,而对于较大的几何模型(单元和节点数较多),FLAC方法计算速度更快,在计算速度方面静态拉格朗日方法是否存在固有缺陷,尚需要进一步研究。

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。

聚合物溶液哑铃分子模型的数值研究

本文描述用数值方法从分子模型出发计算聚合物溶液的流变性质,并对几种哑铃式分子模型作了计算。

一维非线性流变固结理论在沉降计算中的应用

利用等效一维固结系数计算方法考虑排水板的径向渗流,结合已有的非线性流变时间线模型得到固结控制方程,时空离散后采用半解析法进行求解计算.通过对厦门某新建机场地基固结沉降进行计算,并与实测结果对比分析,证明新方法能较好地预测沉降发展趋势,可以推广到其他相似工程.

软土地基长期变形效果及预测方法

结合成都天府国际机场工程,在工程监测资料的基础上用次固结沉降预测模型、曲线拟合法以及PLAXIS数值计算法对机场软土地基的工后沉降进行预测。结果表明,次固结的双曲线模型与机场数据拟合度较低,变化稳定的监测数据越多,预测值越精确。双曲线法拟合结果与实际监测数据很吻合,差值在0.7~10.2 mm,可预测机场的工后30年沉降量。利用PLAXIS数值软件对机场软土地基进行二维数值计算,计算结果与监测曲线进行拟合,拟合后误差在±20 mm,误差占比为0.38%~4.34%。次固结沉降预测模型中改进的Buisuman模型计算值和PLAXIS数值计算值普遍要比曲线拟合法计算值更精确。

机场软土地基次固结沉降特性与预测

软土地基的稳定性对机场建设非常重要,地基的工后沉降以及不均匀沉降过大都会导致机场跑道的开裂.以成都新机场为例,通过次固结试验研究该软土次固结特性,得出压缩指数Cc与次固结系数Ca成良好的线性关系,Ca/Cc的值在0.021~0.1之间;次固结系数Ca随着压力逐渐增大,固结压力在400~800 kPa时Ca增长最快,之后趋于某定值.基于长期监测数据,在次固结预测模型的基础上采用改良Buisuman模型对机场工后30年沉降进行预测,将其预测值和有限元数值预测值对比分析,得出改良Buisuman模型和Plaxis数值模拟均适合西南地区软土的长期变形时沉降预测.

喀腊塑克水库特大桥主桥设计分析

喀腊塑克水库特大桥是阿富准(阿勒泰—富蕴—准东)铁路控制性工程,主桥采用(140+270+140)m矮塔斜拉桥一跨跨越喀腊塑克水库。主桥采用塔梁固结、塔墩分离、墩顶设支座的结构体系,具有一定的设计和施工难度。简要介绍主桥梁部、桥塔构造尺寸及拉索布置方式,结构材料及计算荷载,根据施工阶段进行静力计算、动力计算及动力仿真分析,计算结果符合相关规范要求。

高速公路软基土体固结变形的数值计算方法

该文在给出反映土体固结流变性的本构方程基础上 ,提出一种高速公路软基土体固结变形的数值计算方法。该方法依据有效应力增量方程式 ,利用西瓦伦公式计算有效应力值 ,采用逐步递推迭代方法 。

堆土空腔对大桥基础影响有限元分析及监测

以上海黄浦江某堆土空腔景观提升改造工程项目为背景,建立了堆土空腔坡地对大桥桩基承台影响三维固结数值计算模型。通过与现场监测数据的对比分析验证了数值模型合理性,并对施工和固结过程影响、不同深度和距离下承台变形规律及轻质材料换填的影响进行了总结。结果表明:施工期主桥墩和引桥墩承台最大沉降分别为1.29 mm和1 mm,固结两年后主桥墩和引桥墩承台最大沉降增加到2.33 mm和1.80 mm,变形速率分别为1.35×10^-3mm/d和1.49×10^-3mm/d,变形已基本稳定;主桥墩和引桥墩承台变形随深度的分布变化趋势相同且均较为稳定;轻质材料换填工况下施工期主桥墩和引桥墩沉降减少分别约53.2%和19%,固结两年后主桥墩和引桥墩沉降减少分别约42.3%和20.7%。

大面积堆载作用下滨海吹填软土地基变形特性研究

通过在大面积堆载场地设置地表沉降监测仪器,进行历时3年的现场监测,对大面积堆载作用下滨海吹填软土地基的沉降变形特性进行了分析研究,揭示了大面积堆载作用下软土地基变形特性不同于常规荷载作用下软土地基变形特性的规律,总结了大面积堆载条件下软土地基变形沉降的规律,利用数值计算方法模拟了地基沉降变形规律,分析了地基破坏模式,数值计算结果与现场监测结果有着较好的一致性,在400 k Pa堆载力的作用下,最大沉降值约为1.6 m。

山区半填半挖路基的沉降变形分析

通过数值计算软件,分析了不同填方高度下,半填半挖路基的沉降问题,结果表明:基岩路基几乎不会产生沉降,而对于填方路基,同一横截面处距离基岩越远沉降值越大;填土高度越大沉降值越大,同时固结沉降在经过一段时间后沉降值趋于稳定。