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基于非达西渗流的饱和黏土一维非线性固结理论研究

纠永志  
【摘要】: 用Terzaghi一维固结理论算出的固结速率有时与实测结果相差较大,其中忽略渗流的非Darcy特性和土体变形的非线性应该是其原因之一。为此,本文首先对河南某地黏土进行了变水头渗透试验,试验结果表明,本文试验用土在较小孔隙比时的渗流明显存在偏离Darcy定律的现象,并可用Hansbo的非线性分段渗流模型来描述。然后,在考虑土体变形非线性的基础上,依次引入Hansbo的非线性分段渗流模型、土体埋深和自重应力因素等对Terzaghi一维固结方程进行了修正,并分别给出了其有限差分格式,还用Fortran90语言编制了相关计算机程序。通过与Davis和Raymond (1965)的一维非线性固结解析解的对比,证明了本文数值方法的有效性。在此基础上,探讨了土体渗流的非Darcy特性、土体的埋深和自重应力对土体孔压消散和沉降变形的影响,并得到如下主要结论: (1)无论是基于Darcy还是基于非Darcy渗流,考虑土体自重应力时的孔压消散速率和地基沉降速率都要大于不考虑土体自重应力时的情况。无论是考虑土体自重应力还是不考虑土体自重应力,土体渗流的非Darcy特性都延缓了孔压消散速率和地基沉降速率,且随着非Darcy渗流参数m和I1以及压缩指数与渗透指数之比c的增大,孔压消散速率和地基沉降速率都变慢,即不考虑渗流非Darcy特性的固结分析将会高估孔压消散速率和地基沉降速率。 (2)当不考虑土体自重应力随深度变化时,如果c较小,地面荷载越大,则孔压消散速率和地基沉降速率就越快,且在固结前期,孔压消散速率都慢于Terzaghi理论值,而地基沉降速率则都快于Terzaghi理论值;在固结后期,则可能得到相反的结论。而如果c较大,则孔压消散速度和地基沉降速度都慢于Terzaghi理论值,且地面荷载越大,地基沉降速率就越快,而孔压消散速率则与固结时间有关系,即在固结前期,地面荷载越大孔压消散速率就越慢,在固结后期则正好相反。 (3)当考虑土体自重应力随深度变化时,如果c值较小,土体的埋深越大,孔压消散速率就越快,但随着c值的增大,埋深的影响逐渐减小,并逐渐开始出现一种现象,即在固结的前期埋深越大孔压消散越快,而在固结的后期却正好相反。不过,地基沉降变形速率却与孔压消散速率有着不同的规律:当c值较小时,除埋深为零的情况外,埋深越大地基沉降速率就越快,而当c值较大时,情况却相反,即埋深越大,地基沉降速率就越慢,并且c值越大,土体埋深对地基沉降速率影响就越大。


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