（岩土工程专业论文）考虑渗透性变化时的吹填土围堰固结特性研究.pdf

中文摘要 根据大量实际吹填土工程资料分析可知，吹填土的固结沉降比较大，固结速 率也很快，吹填土体固结过程中渗透系数、孔隙比等固结参数均在变化，因此对 吹填土固结计算用经典的太沙基固结理论或用不变固结参数的b i o t 固结理论求 解吹填土的固结问题，将得到明显不合理的结果。所以，对吹填土的固结计算不 仅要选择合理的模型，还要考虑固结过程中土体参数的变化，这样才能更真实的 反映出吹填土体从施工期到运营期的固结过程。 本文对拟建围堰选用四种吹填土分别进行了室内渗透特性、固结特性和强度 特性的实验研究并得出其物理力学特性的变化规律：渗透系数随孔隙比的增加而 增大，并且孔隙比和渗透系数的对数之间存在线性关系；在相同的孔隙比时，渗 透系数随掺砂比例的增加而增大；掺砂有一定的效果，但和纯砂相比较，掺砂后 土体的渗透系数仍然比较低：土体的孔隙比和有效应力之间有一一对应关系，在 试验应力范围内，土体的孔隙比和有效应力的对数值之间并不成一个线性关系， 只有当有效应力超过一定值后才满足p l g 盯线性关系。 根据上述固结特性，本文利用b i o t 固结理论，选择非线性弹性d - c 本构模型， 分别按照固结过程中随孔隙比变化的渗透性和不随孔隙比变化而变化两种情况 对某水力吹填围堰固结过程进行了分析对比，并选择合适的吹填土对拟建围堰进 行吹填。计算结果表明：考虑渗透性变化时其固结速率远快于不考虑渗透性变化 时的固结速率，并且吹填土体固结速率随着孔隙比的减小而逐渐减缓。因此在吹 填土体变形固结计算中考虑其渗透性变化是非常必要的。 关键词：吹填土，固结，围堰，变化的渗透性 a b s t r a c t m a n yp r a c t i c a lp r o j e c t so fd r e d g e rf i ns h o wt h a tt h es e t t l e m e n to f s o i li ss og r e a t t h a tt h ep e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n ta n dv o i dr a t i oo fad r e d g e rf i l lc o f f e r d a mw i l lc h a n g e s i g n i f i c a n t l y i ni t sc o n s o l i d a t i o n t h ec o n s o l i d a t i o nr e s u l t so fd r e d g e rf i l lw a s o b v i o u s l yi l l o g i c a lu s i n g c l a s s i c a l t e r z a g h i c o n s o l i d a t i o n t h e o r y o rb i o t s c o n s o l i d a t i o nt h e o r yw i t hf i x e dc o n s o l i d a t i o ne o e t j f l c i e n t s t h e r e f o r e ，i no r d e rt og e t r e s u l t sw h i c hr e f l e c tm o r ee x a c t l yt h ep r o c e s so ft h ec o n s o l i d a t i o nf r o mt h e c o n s t r u c t i o n a lt oo p e r a t i o n a lp e r i o d ，i ts h o u l dn o to n l yc h o o s ear e a s o n a b l em o d e lb u t a l s ot a k ev a r y i n gs o l i dp a r a m e t e r si n t oa c c o u n t t h ep a p e rp r e s e n t sar e s e a r c hr e p o r to np e r m e a b i l i t y , c o n s o l i d a t i o na n di n t e n s i t y o ff o u rk i n d so fd r e d g e rf i l lt h r o u g hi n d o o re x p e r i m e n t s ，w h i c hs h o w st h a tt h e p e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n te n l a r g e sw i t h t h ei n c r e m e n to f t h ev o i dr a t i o ，a n dt h e l o g a r i t h mo ft h ef o r m e ri sl i n e a rt ot h el a t e r m o r e o v e r , w i t ht h es a m ev o i dr a t i o ，t h e m o r es a n dt h ef i l lh a s ，t h el a r g e rt h ep e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n ti s n e v e r t h e l e s s ，t h e p e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n to ft h es o i lm i x e dw i t hs a n di ss t i l ll o wc o m p a r e dw i t ht h a to f p u r es a n d 。a l t h o u g ht h ev o i dr a t i oi sg e n e r a l l ym o n o g a m o u st ot h ee f f e c t i v es t r e s s w h e ne f f e c t i v es t r e s si sl a r g ee n o u g h ，t h ef o r m e ri sn o tl i n e a rt ot h el o g a r i t h mo f e f f e c t i v es t r e s sw i t h i np r o o fs t r e s s 。 b a s e do nb i o t sc o n s o l i d a t i o nt h e o r ya n dt h en o n l i n e a re l a s t i cc o n s t i t u t i v e r e l a t i o n so fd - c ，t h ec o n s o l i d a t i o no fac o f f e r d a mw a sc a l c u l a t e dr e s p e c t i v e l yu s i n ga f e do rav a r y i n gp e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n ta c c o r d i n gt ot h ev o i dr a t i o t h er e s u l t s s h o wt h a tt h ec o n s o l i d a t i o ni sm u c hq u i c k e rw h e nu s i n gt h ev a r y i n go n e t h e r e f o r e ，i t i sv e r yi m p o r t a n tt oc o n s i d e rt h ev a r i e t yo fp e r m e a b i l i t yi nt h ec a l c u l a t i o no f c o n s o l i d a t i o n k e yw o r d s ：d r e d g e r 蠡l l ，c o n s o l i d a t i o n ，c o f f e r d a m ，v a r i a b l ep e r m e a b i l i t y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：锄劲 签字日期： 7 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：，冽松磊 签字h 期：一7 年，月2 h 导师签名： 签字一期：力7 年 ，月2 f | 天津大学硕士论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 利用水力吹填技术修堤筑坝，国外在二十世纪三十年代就已经开始，我国山 西省也在五、六十年代利用水力吹填技术修水库【l 】。目前，水力吹填技术在修建 港口，码头和提供工农业建设用地以及长江黄河河道上加固大堤等方面得到广泛 的应用。水力吹填坝( 堤) 即利用吹填土来修筑的坝，已经有几十年得历史。国 外主要用粗粒土【2 】，在我国已经应用于某些细粒土，比如常见的利用重力输送， 并且不需要管道的水坠坝口j ，这种坝在我国西北地区应用很普遍，并已制定了相 应得规定。坝( 堤) 身施工期间坝体是否稳定，主要决定于吹填体的固结性质【4 - 6 。 水力吹填围堰工效高，施工简单：与传统的碾压法相比，省去了装土、运土、 卸土、碾压四道工序【7 1 ，大大提高了工效，节省了劳动力，减轻了劳动强度。碾 压法每天可完成l 2 m 3 ，而水力吹填每工可完成1 0 一- 2 0 m 3 ；成本低，碾压筑 堤的成本为吹填筑堤的2 3 倍：质量好，泥浆具有无孔不入的性质，吹填土与 基础、老堤结合好。根据所用技术不同，有水力吹填，水中倒土，土中倒水以及 泥浆自流式冲填等方法1 8 】。一般都要经过水力吹填、沉积排水、固结压密三个阶 段。水力吹填是采用二定的水力技术将土料造成适宜浓度的泥浆，用泥浆泵吸入 输泥管吹填输送至围埂围成的仓位，在这一过程中，原状土的结构被彻底破坏， 形成水和土的两相泥浆体，此时土粒基本呈悬浮状态：沉淀排水是吹填至仓位的 泥浆，悬浮的土粒在重力作用下逐渐向下沉淀，自由水被土粒置换析出形成泥面 水，这时泥浆密度处于流态。随着泥面积水的排出，泥浆含水率逐渐降低，土体 逐渐形成为软塑状态，土体就开始初具骨架：由于土堤是一层一层吹填起来的， 下部经过沉淀排水的土层在上部逐渐增加的吹填土荷重作用下，逐渐得到固结压 密，在本阶段开始时，上部荷载主要由孔隙水承担，随着孔压的消散，土体逐渐 固结压密，有效应力增加，上部荷重主要由土骨架承担，土体得到进一步压密， 堤身土的干密度逐渐增加质量越来越好l 乳】。 吹填土是人类所进行的水力搬运与堆积而形成的一种特殊土，它具有含水量 高，压缩性大，抗剪强度低等诸多不利的工程特性 5 - 6 】。在固结过程中固结参数： 如渗透系数、孔隙比将发生很大的变化1 1 0 】，所以，用经典的太沙基固结理论或用 不变固结参数的比奥固结理论求解吹填土的固结问题，将得到明显偏慢的结果。 天津大学硕士论文第一章绪论 1 2 以往固结计算工作的回顾 1 2 1 小变形应变理论的提出 吹填土属于欠固结超软土即在重力作用下尚未完全固结的土，其基本物理性 质很差。为了港口建设和修筑水坠坝、尾矿坝、防潮闸围堰的需要，故对吹填土 的固结研究有着实际的意义。饱和土的渗透固结理论最早是由太沙基提出的 1 1 ， 其固结方程为： _ i g u ：c ，一a u ( 卜1 ) 西巩v a 2 z 。1 1 式中：u 一超静孔隙水压力： t ，z 一时间及空间变量； c 一固结系数。 该方程在一定的应力范围内，在小变形情况下是足够精确的。但是对于吹填 土这样的超软土的固结过程中固结参数：孔隙比、渗透系数和压缩系数在固结过 程中都发生较大的变化，这与太沙基的一些基本假设不符。显然如果直接采用此 方程进行固结计算必会使计算结果严重失真。 吹填土的固结计算通常采用有限应变固结理论( 或称大变形固结理论) 。有 限应变固结理论最初由a m c n a b b 提出【8 】它从达西定律和渗流连续条件出发，采 用固相坐标系导出了如下方程： 丝：一旦f 土型1 ( 1 - 2 ) 一= 一一i 一一i ii 一，j 研 毖、l + ea z 之后，e n d a v i s 和g p r a y m a n d 又提出了一个一维非线性固结方程： 一，f 上娶一f ，上 丝型i ：上型( 1 - 3 ) _ l 了虿一l 了，j 西i2 了百 但是，他的理论只考虑了材料的非线性的情况，并未考虑固结变形对固结过 程的影响。对于像吹填土这样含水量高，变形量大的欠固结饱和土来说，土体变 形计算结果引起的误差就较大，误差的大小和荷载的大小及孔隙比的变化情况有 着密切的联系。 1 2 2 有限应变理论的发展 r e g i b s o n 等人从固体和液体的平衡和连续条件，引入达西定律，导出了考 虑自重的一维有限应变固结方程【1 3 1 ： ( 弓rl m ld ( ，删k 、1c 瑟3 e 瓦z z ( r i ( 1 七+ e ) 型d e 卦和m 4 ， 天津大学硕士论文第一章绪论 式中：以、乃一土体液相、固相容重( g c m 3 ) ； z 一固相坐标： t 一时间( d ) 。 方程( 1 - 4 ) 以固相坐标表示，为方便起见，采用拉格朗日坐标进行代换，可 推出以超静孔压为基本未知量的一维大变形固结基本方程： 互雾+ 五考+ 磅= 。 m 5 ， f ：一生螳 1 r z l + e 叫一吉笔警1e 专警1 e l 餮1 一考 ( 警) 。i 厂，如 十 ， + | i + 咖i 沈 只：一生 d 仃 竿= 一4 岛e x p ( 一垦p ) _ d k ：- 4 b ze x p ( b i e ) 式中：u 一超静孔隙水压力； y 一拉格朗日坐标。 方程( 卜5 ) 是一个非线性方程，系数石、互、e 含有未知量孔隙比e ，为 此把固结时间分成许多小段，时间步长取较小值，系数项中的未知值用该计算时 段的前一时段的对应项己知值代替，从而使方程拟线性化。 他们又讨论了薄层土样不考虑自重情况的线性和非线性，并给出了拟线性方 程( 卜5 ) 的解析解【1 4 】： 02e：。aece ( 卜6 ) a a - - - - 3 - 2 西 o1 - b 式中： c ：塑螳型( 1 7 ) 。 0 ( 1 + p ) d e r e g i b s o n 、r l s c h i f f m a n 和k w c a r g i l l 利用r e g i b s o n 等人给出的维 固结方程( 1 4 ) 通过假设固结参数g = 一i 者警和五= 一瓦( 面a e ) 为常数， 得出如下形式的二阶线性偏微分方程【1 5 】： 氅一na e ：堕( 1 8 ) = 一 ( i h ) 勘。j 己z 己l ? 缸 式中： 天津大学硕士论文第一章绪论 f e ( z ，f ) 厶一 e ( o ，o ) z = 认 = n = 2 i ( r , 一0 ) 再用差分法求出( 卜6 ) 的解答，并编制一套图表，可用于固结计算或根据 试验结果反求固结参数。由工程计算可见，参数n 越大，即土层厚度越大，达到 同样固结度所需的时间因素越小，即用有限应变理论算得的固结过程比小应变固 结理论求得的快，因小应变理论的固结度与时间因素的关系与厚度无关。 j l m o n t e 和r j k r i z e k 引入“流限( f l u i d1 i m i t ) 的概念 1 6 - 1 7 】，把土抗 剪强度为零的最低含水量w o 木作为“流限含水量”，流限含水量对应的孔隙 l e o 宰 叫做“无应力状态”( s t r e s s - - f r e es t a t e ) 孔隙比。在固结过程中，任一孔隙 比对应的应变定义为e = ( e o * - + 宰) ，依次从有效应力原理、渗流连续条件、 平衡条件和达西定律出发，推导了如下一维固结模型： 。杀l 鲁1e 寺c 譬8 a 等帕寿m m 加i + 厂，、1 + 靠木ia f 、1 + e 二宰7 他们还设计了泥浆渗透固结试验装置，进行了淤泥从流限孔隙比( e o = 7 ) 到正常固结土( e = 2 ) 范围内的渗透固结试验。在试验的基础上假设： d c r d e = m m = q + 届占 k ( 1 + e ) = + 屈p 该文将大变形固结理论和试验工作结合起来，尽管两个抛物线经验关系不是 对所有的软土都适应，但它说明可用试验结果的拟合曲线简化非线性偏微分方 程，以减少自变量达到求解的目的。 与上述无应力状态孔隙比的概念相似，w d c a r r i e r 提出了起始孔隙比e i 的 概念 2 1 ，定义为沉降阶段和固结阶段的分界点，当孔隙比小于e i 时，土粒开始传 递应力，进入固结阶段，他们对不同尾矿料的起始孔隙比测定为9 - - - 3 0 ，此时的 含水量大致相当于流限含水量的7 倍，即： q = 7 g , 彬 式中：形一液限含水量。 k u a n t s a l l f e 和g c s i l l s 1 6 】把薄层土样( 忽略自重) 的一维有限应变固结 问题归结为如下定解问题： 罢= 导( 巳祟) o 孝 何( f ) ( 卜1 0 ) 石2 琵c v 琵 o 亏 爿( 7 ) 1 4 天津大学硕士论文第一章绪论 刀( 舌，0 ) = n o n ( h ，) = 刀， o ，、n ，、0 ，t ) = 0 熹昙：塑 孝：日( f ) d 一一= 一 ，= h ，- ( 1 十力) a 毒t 7、7 h ( o ) = 风 式中：n o 、刀，分别为土样初始和终了孔隙率。 然后用数值解得结果，讨论了固结参数c v 的变化对固结速率的影响，其结论 是： 1 当固结系数c v 为常数或随应变增加而增加时，应变量越大，有限应变固结 速率较小应变固结速率大的越多。 2 如固结系数采用c v = c o o + e ) - 口( c o ，口为常数项) ，当口 2 时， 用有限应变固结模型求得的同一固结度需要的固结时间较小应变理论求得的时 间反而要长。由此可见，固结的快慢是由固结参数决定的【1 2 】，有限应变理论只不 过是考虑了变形对坐标系的影响，小变形理论只是假设坐标系不随时间的变化而 已，若将有限应变理论采用流动坐标系，不计自重时，则与小应变理论具有相同 的形式。 s d k o p p u l a 给出了另一微分一积分形式满足大变形条件的一维固结方程 b s ： 卦南丝8 z j + 嘉如，一知+ ，：r 鼢雌h ， 然后假设k 仃，e o - 的关系式用数值解法求解。 作者给出了如下经验关系： ， e 4 庀= c 一( 1 - t - e ) 吲叫轷 n 1 2 式中：o - o ，仃分别为e o 和e 对应的有效应力； c 、，r 为经验参数，由土质等决定。 之后，e u l a l i ej u a r e z - - b a d i l l o 对s d k o p p l a 的文章所做的讨论中【1 6 】，给 出了他认为更为符合实际的经验关系： 天津大学硕士论文第一章绪论 h f ，坐丫= c 仨r 1 1 + e o i c r o ( 1 1 3 ) p = o + e o ) i i 一1 o o 此外，方开泽，高新科等应用大变形固结理论，对水力吹填堤( 坝) 进行一 维和二维固结计算 s - 9 ；2 0 世纪8 0 年代，黄文熙教授简化了水力吹填堤身的固结 理论，推导了坝坡与坝基在各种不同排水条件下，冲填层的平均固结度与时间因 数的数学关系( 仅适应于坝坡不大于l ：3 的堤身) 【1o 】；9 0 年代，洪家宝，方开 泽又提出统一固结理论【1 2 1 ，将土体主固结和次固结阶段统一考虑，认为土体的应 力应变关系不是唯一的，而是应变速率的函数，并考虑大变形固结；但是这些方 法的提出只是对某些特定的吹填土固结或者理论上解决是可行的，不具有普遍性 和推广性。本文不用固结系数，而将渗透系数与孑l 隙比，有效应力与孔隙比经试 验后拟和为半对数关系，然后分别用有限差分法和有限单元法进行计算 1 8 - 2 6 】。 1 3 问题的提出及本文的工作 1 3 1 引言 吹填土工程随着我国各项事业的发展，其应用也越来越广。目前，水力吹填 技术在修建港口、码头和提供工农业建设用地，以及长江、黄河等河道上加固江 河大堤，以增强堤防的稳定性；用于矿区尾矿坝及火电厂的粉煤灰堆场等方面得 到广泛应用，国家也已经制定了相应的规范【2 丌。随着时代的发展，现代的水力吹 填堤( 坝) 与过去的水力吹填堤( 坝) 存在着不同，主要表现在： ( 一) 、所用土料不同 现代的水力吹填堤( 坝) 用的土料较细，级配也较均匀；不少是用河床淤积土 来筑堤，这样不仅可以解决土源问题，而且可以疏浚河道，一举两得。由于吹填 土经过水流的分选，级配较均匀，且通常颗粒较细。 ( 二) 、堤身结构不同 过去的水力吹填堤( 坝) 有一个中央防渗体，外面有很厚的透水坝壳；而现代 的水力吹填堤( 坝) 则基本上是一种均质坝，但它的施工围埂在坝坡上形成了一层 簿壳，这层薄壳透水性较堤身为小，因此对堤身的脱水固结将起一些阻滞作用。 ( 三) 、施工期堤身的稳定性的维持不同。 旧式水力吹填堤( 坝) 的稳定主要是依靠坝壳，泥浆堤身本身固结的快慢不影 响设计与施工。而现代的水力吹填堤( 坝) 坝壳很薄，泥浆堤身的稳定要依靠堤身 天津大学硕士论文 第一章绪论 自身的强度，因此堤身固结的快慢，对堤身的稳定有决定性的影响。也由于这个 原因，现代水力吹填堤( 坝) 的施工进程要受堤身固结度的控制。 1 3 2 工程地质概况 拟建围堰所用土料为是由防潮闸左侧导流明渠开挖出的淤泥质壤土掺入一 定比例砂吹填而成，因此对地基土层的参数的了解成为必要。通过对拟建围堰地 基勘察资料分析可知：地基主要为淤泥层，其地基各土层种物理参数指标见表 1 - 1 所示。计算模型中地基参数的选取建议取用所给地基土层参数的平均值。 表1 - 1围堰地基物理力学参数建议值 湿密干密自然 岩层底孔隙压缩渗透 含水率度度快剪 地层高程比模量系数 3 g 3pg 性m坳4 c m ， 口，+ 聊q 淤泥 一2 2 8 一7 4 87 7 71 5 60 8 82 1 31 o411 e - 6 i il 淤泥一4 8 2 一1 1 5 86 5 11 5 9o 9 71 8 41 5526 e - 6 淤泥质 1 1 1 一7 7 8 一1 1 5 85 2 61 鹋1 1 l1 4 82 o639 e - 6 黏土 壤土 2 8 31 9 31 5 l0 8 l4 0642 e - 6 i l 、 砂壤土 一1 5 2 6 一1 7 8 82 4 o1 9 81 6 0o 6 94 5578 e - 6 l i l l壤土2 3 42 0 51 6 60 6 45 5 7 56 e 一7 1 3 3 本文选题的依据 根据大量实际吹填土工程资料分析可知：吹填土的固结过程土体沉降变形比 较大，固结速度也较快，吹填土体固结中渗透系数、孔隙比等固结参数均在变化， 因此对吹填土固结计算用经典的太沙基固结理论或用不变固结参数的比奥固结 理论求解吹填土的固结问题，将得到明显偏慢的结果。所以，对吹填土的固结计 算不仅要选择合理的模型，还要考虑固结过程中土体参数的变化，这样才能更真 实的反映出吹填土体从施工期到运营期的固结变化过程。本文通过对拟建围堰工 程所用的吹填土考虑其渗透性随孔隙比变化而变化进行固结有限元模拟。 7 天津大学硕士论文第一章绪论 1 3 4 本文的工作 鉴于该工程的重要性和施工期的紧迫性，及所用吹填土( 吹填围堰左侧开挖 淤泥质软土掺砂而成) 的特殊性，并为了达到围堰的设计目的，所以本文结合该 工程主要做了以下几个方面的工作： 1 在部分试验仪器改良的基础上，对土样l # ，2 # ，3 # ，4 # 分别进行了 室内试验：分析了各种土样的颗粒级配，依此对各种土样进行制备，进而研究了 他们的渗透特性、强度特性及固结特性，为各种土样提供了可靠的土体强度等物 理参数指标。 2 通过对各种土样的渗透试验、固结试验结果进行数据整理，得到渗透系 数k 变化与孔隙比e 及孔隙比与有效应力之间的关系曲线。 3 在前人研究吹填土应用大应变固结理论的基础上，本文采用b i o t 固结理 论n 1 ，选择邓肯一张非线性弹性土体本构模型n 钔，利用试验所得出渗透系数随孔 隙比变化的关系规律，对吹填土修筑围堰工程进行固结有限元分析，并与渗透性 不变时的情况作对比分析。 4 经过对本文中提到的四种土样进行有限元固结计算，探讨控制吹填围堰 固结快慢的影响因素和固结规律，并选择合适的土体对围堰进行吹填。 8 天津大学硕士论文第二章吹填土的主要室内试验特性研究 2 1 引言 第二章吹填土的主要室内试验特性研究 试验用土共有两批土源：其中第一批为原状土，第二批为扰动土。第一批土 体的物理特性见表2 - 1 。由于第一批土源较少，而且考虑到施工时须将土体与所 掺砂充分搅拌，所用的土体均为扰动土体，为了模拟实际施工时土的特性，试验 前也需要将原状土制作为扰动土，因此将本次试验研究以第二批土源为主。本试 验主要是对防潮闸左侧导流明渠开挖出的淤泥质壤土掺入一定比例砂后制成的 混合土料进行室内模型试验，测定其在不同掺砂比例时的物理力学指标，从而确 定砂袋土物理力学指标随掺砂比例变化的规律，并研究其固结特性，为充填砂土 袋修筑围堰的设计提供依据。 2 1 1 试验用土的颗粒级配 土的工程性质在本质上主要受其微观结构控制，而其微结构实质上是一种物 质状态，它可以由颗粒的形态、排列组合方式、孔隙性和颗粒接触关系( 非化学 联结性) 等四部分特征加以概括【2 8 - 2 9 1 。 根据中华人民共和国土- 1 - 试验方法标准( g b t i o l z ：5 1 9 9 9 ) 一- ，盯不次 拟建围堰所用的吹填土进行颗粒分析试验。用筛分法与密度计法联合测定：试验 首先将土样悬液过住o 0 7 5 m m 筛，充分冲洗，直至筛上只留大于0 0 7 5 m m 的颗 粒为止；然后将颗粒大于o 0 7 5 m m 的部分土样用筛析法筛分，颗粒小于0 0 7 5 m m 的部分土样用密度计法测定其级配。 本次试验用的土源为防潮闸左侧导流明渠开挖的土料。试验所用的掺合料为 河北省唐山市曹妃店海区的铁板砂，由天津海加利岩土公司提供。为了更好了解 该砂土的颗粒组成，本次试验对该砂的颗粒级配进行分析，得到的颗粒级配曲线 如图2 - 1 所示。从图中可以看出，该砂颗粒比较均匀，主要组成部分为细砂粒组 ( 颗粒直径为0 2 5 0 0 7 5 m m ) ，占总土重的9 2 ，数据见表2 - 2 所示，砂的名 称定名为含细粒土砂。 9 。 霹日r四 r铎露r 霹霉 8 霉 碳 铎霸 r r r 四 四r四 霹 霹霉 鄹 霹霹 r霹 四 、， k 1 ， 长 rkrr 阿 鑫 r霉 铎买 会 娶 群 g 书k 1 强刊 一 l - l j 舞 刊 1g叫 竹j ? t 1 1 峰 l槊 u斟芒 并芒 粲 巢 j ：1j j l矧- 1擦 曩日 妇 螟 疟椠 窭 峰蜒j n峰蜓 辍 1 蟋 蟋蟋蟮 蠼 稆集 买 杂窭 摇糕 舆 嶝椠豁 固 宴 弈豁 集 m 詹 。 一 熙蟋 1 寝妇 集 弈妇毽枭 固固固妪蝴 坦固 娜懋 蝴鄙 毯拭 翘 糕糕 衄 懋毯 蜒毯 懋毯 逛ooo - _ 中 - - 掣籁 n 气中 nc o 卜n寸 中 o onn o- _卜 - 一 剽 _ _，。_，_，_，- 一，d，_nr _ - _ 鹾 - _ 卜 o卜ni - o中气一o卜n卜 o ，do卜 nooo o ，_ oo nnnnnnf nnn 疑 o oooooooooooooo 醛 n - _ c onoo 十u )o r _ 卜 中卜n o。ooo t _ _ o卜 ，_ n ，_n，_ ，一 _n，_n_nnv i 4 剁 o ooooo oo ooooo o o 篓壁 甘ooni - 0 l -卜o , l甘 ，_ o 。oq )中oo旧 _ nc x l曲t _ nc onnnn 中nn h ro o ooo oooooo。 o o o 蜊连 i - o _oc o o d 口 卜nn no 。 悔互 o 。 。o 。0 0 ，_ r _，_t _v i i，_- _，_，_，_，_，_，- _t _f _ 婶一一 - 1 i 一鲜球垮繇 - 二j 群磷 鲜磷鲜 裂群群野 鲜骡野答毽蕊稳爨罄毽 念念 ，_ 、 ooo宁ooo 5 n甘o 卜_ 寸i ooo卜nnno 蜊oono卜卜卜 - _ 卜卜nonn 隧 n甘o卜 甘 o卜 卜，_ u x ln 卜 ，_n 中 _nn甘 - _n 吲旧 f 骠 ，_，_ _，_ 一 nnn nnn 掣聋转一州葵匮 i - n 僻 妖謇掣磐承蛞长涮融州#野餐牡r球 议袋。匿扑k蜒k 天津大学硕士论文第二章吹填土的主要室内试验特性研究 图2 1 ：铁板砂颗粒级配曲线 表2 - 2试验所掺砂的颗粒级配 粒径( m m l 5 22 0 5 0 5 o 2 5 0 2 5 0 0 7 5 5 0 ，而极细砂粒( 粒径 o 0 7 5 r a m ) ，：。一：一 - # 二一 、 4 f f ， j、 0l ”，? ， 3 - 一 - l ，：j巴i _ 口( u j 矗 ( c ) + 3 5 砂 0 0 o o o o 0 0 0 o 埔埔“”巾8 6 2 一a 苒一 0 3 0 30o“ 蚰咒；篮托”s 天津大学硕士论文第二章吹填土的主要室内试验特性研究 2 3 结论 6 l j c r ，r 4 0 ， 互c 2 0 c 1 0 c o 广 _ 7 ，一一 o ，一 ，名：二一? 、 尹一、 y 形一。、。、 02 0 04 0 06 口f k p 曩l ( d ) 土- i - 5 0 砂 圈2 1 2a 】有效强度抗剪强度线 通过对某地区河口防潮闸围堰吹填土特性试验研究，可以得到如下结论： 1 试验用砂为河北省唐山市曹妃店海区的铁板砂。该砂颗粒比较均匀，主 要组成部分为细砂粒组( 颗粒直径为0 2 5 - 0 0 7 5 r a m ) ，占总土重的9 2 。砂的 名称为含细粒土砂。因此在试验中吹填用土掺合砂量越多，其细砂粒组含量越大。 2 渗透系数随孔隙比的增加而增大。在相同的孔隙比时，渗透系数随掺砂 比例的增加而增大。掺砂有一定的效果，但和纯砂相比较，掺砂后土体的渗透系 数仍然比较低。 3 土体的孔隙比和有效应力之间有一一对应关系。在试验应力范围内，土 体的孔隙比和有效应力的对数值之间并不成一个线性关系，只有当有效应力超过 一定值后才满足p l g o - 线性关系的规律。 4 土体的c u 试验得到的有效应力抗剪强度在纯土和掺砂比分别为2 0 、 3 5 、5 0 所对应的平均内摩擦角分别为2 1 8 、2 6 9 、3 5 4 和3 8 6 度，对应的 粘聚力分别为1 4 5 k p a 、1 3 6 k p a 、8 5 3 k p a 和o k p a 。 天津大学硕士论文 第三章非线性有限元原理及吹填土固结理论 第三章非线性有限元原理及吹填土的固结理论 3 1 概述 1 9 4 3 年c o u r a n t 首次提出有限单元法基本思想【2 1 也】，但直到1 9 6 0 年后，随着 电子计算机的广泛应用和发展，有限单元法才得到了快速发展。1 9 6 6 年美国的 c l o u g h 和w o o d w a r d 在土坝分析中首先将有限单元法应用于土工计算。有限单元 法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互连接在 一起的单元的组合体。利用在每一个单元内假设的近似函数来分片的表示全求解 域上待求的未知场函数，这一近似函数常由未知场函数或及其导数在单元的各个 结点的数值及其插值函数来表达，这样就将一个连续的无限自由度问题离散为一 个有限自由度问题。各结点上的数值求出后，可以通过插值函数来计算单元内场 函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似解【2 2 】。 有限元法有明显的优点： ( 1 ) 利用有限元法，可以考虑土体变形协调的本构关系，因此不必引入假 定条件，保持严密的理论体系。 ( 2 ) 有限元可以运用于复杂的环境条件，并能模拟土体的施工过程，提供 了应力、变形的全部信息。 。 ( 3 ) 破坏面的形状或位置不需要事先假定。 本文将利用有限元法，对计算模型在吹填土体进行吹填过程，吹填结束后的 固结沉降及土体中的超静孔隙水应力消散等方面进行计算。 3 1 1 有限元法的求解基本思路 所谓有限元法【2 3 2 4 1 ，就是用有限个单元体所构成的离散化结构，代替原来的 连续体结构，来分析应力、变形。这些单元体只在节点处有力的联系。 有限元法的基本出发点是将一个连续结构离散成有限个单元体，这些单元体 在节点处相互铰接，把荷载简化到节点上，计算在外荷载作用下各节点的位移， 进而计算各单元的应力和应变。最终用离散体的解答近似地替代连续体的解答。 实际上这就是用一系列的线性问题的解来逐步逼近非线性问题的解。非线性问题 的解可以理解为一系列的线性问题的解进行迭代的结果。 有限元法的解题步骤是： 天津大学硕士论文第三章非线性有限元原理及吹填土固结理论 1 用虚拟的直线把原介质分割成有限个单元( 体) ，这些直线是单元的边界， 几条直线的交点称为单元的节点； 2 假定各单元在节点处互相铰接，节点位移是基本的未知量； 3 选择一个函数，用单元的几个节点的位移唯一的表示单元内部任一点的 位移，此函数称为位移函数： 4 通过位移函数，用节点位移唯一地表示单元内任一点的应变。再利用广 义虎克定律( 针对弹性本构关系) ，用节点位移可唯一地表示单元内任一点的应 力； 5 利用能量守恒原理，找到与单元内部应力状态等效的节点力。再利用单 元应力与节点位移的关系，建立等效节点力与节点位移的关系。这是有限单元法 求解应力问题的最重要的一步。 6 将每一单元承受的荷载，按照静力等效的原则移植到节点上。 7 在每一节点建立用节点位移表示的静力平衡方程，得到一个线性方程组， 求解方程组可以解得节点位移，从而得出每个单元的应力。 3 1 2 非线性有限元的基本原理【2 牝6 】 线弹性体的有限元分析在理论上是完善的，在应用上也是成熟的。而非线性 问题的有限元法则是根据非线性应力一应变关系，把它逐段地化为一系列线性问 题，用迭代法求解，因此线性分析是非线性分析的基础。所谓非线性问题是指叠 加原理不再适用的问题。导致非线性的原因主要有两种： 1 、材料非线性 材料本构方程的非线性引起整个问题解的非线性，如混凝土早期弹模随着时 间变化【3 2 1 ，混凝土施工期的徐变变形和徐变应力，各类材料的塑性和粘性流动， 混凝土、岩石类材料的断裂和损伤等非线性现象等等。其本质是材料本构关系的 非线性，而本构关系的完整定义应反映应力或应力率与应变或应变率之间的关系 3 5 - 3 6 。 2 、几何非线性 由有限变形引起的，但变形量相对于结构的尺寸而言不再是微小的，亦称为 大变形问题。其结果使得几何微分方程中应变和位移梯度关系出现乘积或平方 项，变形后的平衡微分方程出现了应力与位移梯度关系的乘积项，从而导致整个 问题的非线性【3 6 刁7 1 。 这里主要介绍由于材料非线性引起的结构非线性的问题。工程上遇到的材料 非线性基本上可以分成两类：即非线性弹性材料和弹塑性材料。对混凝土、岩石 类材料一般采用弹塑性模型，非线性弹性材料一般适用于散粒体( 如土体) 或软 天津大学硕士论文第三章非线性有限元原理及吹填土固结理论 质材料( 如橡胶) f 3 8 】。 非线性弹性模型 3 9 】是根据广义虎克定律建立刚度矩阵f d l 。考虑到非线性， 那么矩阵d 1 中的弹性常数e 、v 则不再视为常量，而是看作随应力状态而改变的 变量。当土体处于某一应力状态位b 1 时，若施加微小的应力增量，则可用该 应力状态下的弹性常数形成矩阵【d 】或者其逆f c 】，来计算相应的应变增量 s 1 。 这时的广义虎克定律就可写成增量形式，其中： f ，1 1 【乙j 。i 1一v 一1 ，1 一，一v 00 0o 0o 0 0 0 2 ( 1 + v ) 0 0 2 ( 1 + y ) ( 3 - 1 ) 式中：e ，1 ，是应力状态p 的函数。 问题在于土体的e ，v 如何随应力而变化，怎样建立其关系式。 由增量的虎克定律，如果只沿某一方向，譬如z 方向，给土体施加应力增量 ( 吒 ，而保持其他方向的应力不变，或者说应力增量为零，可得 则 占：= 堕e ， ( 3 2 ) ( 3 - 3 ) 材料非线性问题的求解方法大致可分为三类：即增量法、迭代法和混合法。 增量法是将荷载划分为若干增量，每次施加一个荷载增量，在每一步中认为方程 是非线性的，劲度矩阵是常量。而在不同的增量步中，刚度矩阵具有不同的数值。 迭代法是一次施加全部荷载，然后逐步调整位移使得有限元支配方程得到满足。 混合法是同时利用增量法和迭代法，荷载分为较少的几个增量，对每一荷载增量 进行迭代计算【4 叫3 1 。 3 2 吹填土堤b l o t 固结有限元理论【1 1 1 3 2 1b i o t 平面固结理论基本原理与方法 太沙基固结理论只在一维情况下是精确的，对二维、三维问题并不精确。比 奥( b i o t ) 从较严格的固结机理出发，推导了准确反映孔隙压力消散与土骨架变形 相互关系的三维固结方程，一般称为“真二维比奥固结理论【舢3 1 。根据虚功 原理可推导出固结方程的有限元解法，水力吹填土