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非饱和土一维固结理论的解析与数值研究

苏万鑫  
【摘要】: 非饱和土固结理论一直是岩土工程领域的重要研究课题之一,国内外均有很多学者开展了相关研究。但由于非饱和土固结的复杂性,即使对于一维情况至今也无如Terzaghi饱和土一维固结理论那样得到公认和广为应用的非饱和土一维固结理论。因此,进一步深入开展非饱和土一维固结理论研究以建立简单、实用的非饱和土一维固结理论具有重要理论和实际意义。本文在国内外现有研究基础上,分别采用解析和数值方法对非饱和土一维固结理论进行了较系统深入的研究,并较全面地分析了非饱和土的一维固结性状。主要工作和创新成果如下: 1.结合Bishop有效应力原理、Fredlund-Xing土水特征曲线模型、Brooks-Corey渗透系数公式,建立了非饱和土一维非线性固结方程组。 2.将非饱和土固结分为瞬时压缩阶段和消散固结阶段,并分别给出了这两个阶段孔隙水压力和孔隙气压力等物理量的计算方法;对单面排水、排气和双面排水、排气情况的非饱和土一维非线性固结方程组进行了有限差分求解,并编制了相应的计算程序;结合Fredlund(1986)的固结试验,对提出的非饱和土一维非线性固结理论进行了验证,结果表明理论分析与试验结果吻合较好。 3.利用编制的非饱和土一维固结有限差分求解计算程序,分别对土水特征曲线、有效应力系数、流体的渗透系数的非线性情况对一维非饱和土固结的影响进行了研究,研究表明土水特征曲线、有效应力系数、流体的渗透系数的非线性情况对孔隙水压力和孔隙气压力等均有影响,但在一定的参数变化范围内影响不是很大,而且在不同阶段和不同深度影响也不一样。 4.对非饱和土一维固结的简化计算进行了探索,提出了新的简化计算方法,给出了相应的简化计算公式,并在简化公式的基础上,对非饱和土一维固结的影响因素进行了分析。与Fredlund(1986)固结试验的结果对比表明,提出的简化计算方法较为合理。 5.采用混合流体方法对非饱和土一维固结进行了解析分析,并给出了消散固结阶段的解析解。分析表明,采用混合流体方法来分析非饱和土一维固结在概念上清晰,并且能够将微分方程组解耦,从而使求解较为简单。 6.建立了求解非饱和土一维非线性固结问题的半解析法,并编制了相应的计算程序。通过与本文有限差分解的计算结果进行比较,证明了半解析解和计算程序的正确性。分析表明,采用半解析法求解非饱和土一维固结,可将复杂的非线性问题转化为线性问题,算法简单、思路清晰、计算量较小,因而较其他数值方法有优势;但另一方面,半解析法也有对线性解析解较为依赖的缺点。 本文工作进一步丰富了非饱和土一维固结理论的研究成果,也为实际非饱和土固结分析提供了一种简化计算方法。


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