竖井地基固结解析理论与有限元分析.doc

78邓岳保.竖井地基固结解析理论与有限元分析谢康和.浙江大学,2013.摘要:在含水量高、压缩性高、抗剪强度低的软土地基上设置竖井并结合堆载或真空负压,能加速地基排水固结、提高土体强度、减少构筑物工后沉降和差异沉降。该技术施工简便、效果可靠且造价低廉,已在公路、铁路、港口、机场等大型基础设施建设中广泛应用。为了合理预测竖井地基的固结发展,学者们在竖井固结解析解和数值解方面开展了大量研究且已取得大量成果。但同时应看到,目前各种计算方法得到的理论预测值与实测值还有一定差距,对可能的工后沉降和沉降差预测不准。另外,近些年来出现的竖井处理深度加大和工期要求加紧等情-告诉你仅花7天时间搞定专业论文的绝招1 写论文一定找一个清静的地方闭关。因为是论文是一个完整、逻辑连贯的体系，如果干扰太多，写起来就会很慢，而且心也会很烦。如果在实验室或办公室，杂事太多，估计就是给两个月都写不完。 2 写论文之前最好先做一个报告，阐述一下做论文的思路，因为你能在很短的时间内把你所作的东西用最简要的话说出来，就说明你的思路是清晰的。如果写论文没有清晰的思路，最好先不要写，否则是浪费时间。 3 这一步是最关键的。抓大放小，逐层细化。开始的时候，我论文写得很细，每一个论点的证明都要做到尽善尽美，但后来发现不行，一是写起来太慢，二是越写越发现自己沉陷于一个泥潭之中，根本写不下去了。所以我决定放弃，先是简要写出主要需说明内容，很快就能把论文的主体结构完成。感觉很有成就感，于是再把一些需要补充说明的东西逐步逐步加进去，使其丰满。这样，每细化一次，就把论文从头到尾过一遍，有整体感，逐步写下来，论文就写得非常快。在这里我要特别提醒一下，至关重要的是按照第3点完成主体内容，我有一点心得可以分享给大家，您可以淘宝或百度上搜索一家叫“馨雅文献”的店家，他们家最贴心的业务是这样的：只要给出所写论文的题目和关键词，花费100左右吧，你就可以从他们家得到一份有200-500篇非常专业，且最贴近你所写论文主题的重点大学硕博士论文目录，基本能涵盖所有和主题相关的论文，然后会让你从目录中再挑选出其中30篇左右最贴近主题的硕博士论文全文给你，全文文字都可以复制黏贴的哦，就是这些精选后的论文内容构成了我这篇论文的基本框架和血肉。就这样子，本来拖延了进度的我，仅仅花了7天时间就完成了我的论文，成为一篇立意新颖，博采众长的优秀论文，顺利通过了毕业答辩。-况,均给竖井地基的设计计算方法提出了挑战。为此,本文从解析理论和有限元法两方面开展了竖井地基固结问题的研究。(1)首先对以往研究成果从理论方法和参数取值两方面进行了综述,结果发现：目前被国内外广泛接受的单井地基径向固结度简化计算公式均可表述为一个统一的公式,不同方法在涂抹效应和井阻效应的考虑上略有差异；单井固结理论近些年的新进展主要包括非线性理论、非达西渗流理论、考虑涂抹区渗透性渐变理论以及针对真空预压法的固结理论等；竖井地基固结分析参数取值方面已经开展了大量研究,但得到的参数取值范围较大,这将给计算结果的可靠性带来影响。(2)通过对现有塑料排水板通水量特性研究进行综述发现,排水板通水量一方面随侧向压力增大而减小,另一方面在地基固结过程中会因为排水板的弯折和淤积堵塞等影响而逐渐减小。基于这一认识,假定通水量随地基深度线性减小、随时间呈指数函数减小,获得了描述井阻空间属性和时间属性的变井阻效应数学模型。然后,仿效Hansbo和谢康和竖井固结经典理论推导方法,建立了瞬时加荷条件下考虑变井阻效应的固结理论。计算分析表明：相对于采用短期通水量恒定值进行计算的竖井固结理论,变井阻固结理论得到的固结速率减缓；当考虑通水量随地基深度减小时,地基深部土层的超静孔压消散变得更加缓慢；当竖井渗透性减小到与井周土体相当,此时竖井不再起排水通道作用,径向固结将停止。另外,将变井阻固结理论应用于室内大型模型试验和工程实例分析,结果发现变井阻理论模拟的结果较传统理论预测结果与实际情况更为接近。(3)通过引入Hansbo非达西渗流假定和变渗透系数假定,得到渗流双重非线性模型。然后,在Biot固结理论研究基础上,应用加权残数法推导了考虑该模型的有限元方程,并自编了相应的计算程序。通过开展参数影响分析得到：考虑渗透系数随时间减小后,地基固结速率减缓趋势明显；增大非达西渗流参数m或il,固结发展速率减缓,但该影响在10%以内；考虑非达西渗流后,地基固结速率随荷载减小而减缓。(4)进一步引入土体分段线性e-lgp模型,得到了土体压缩非线性和渗流双重非线性模型。然后,结合宁波土样固结渗流联合测试试验,介绍了该模型的参数获取过程。在给出相应的控制方程和有限元方程基础之上,详细阐述了非线性有限元法编程实现过程。最后,通过算例验证了程序的可靠性,并对考虑土体多重非线性模型时竖井地基的固结性状进行了较为详细的分析,获得了一些有益认识。(5)对目前广泛应用的竖井地基平面应变二维等效方法进行了评述。然后,以成层土竖井地基算例和未打穿竖井地基算例对六种二维等效方法进行了考量,结果发现：地基土成层性对二维等效方法计算结果的可靠性有较显著影响,而竖井未打穿情况的影响不明显；在本文算例参数取值情况下,各种方法的误差情况差别较大,Chai(2001)方法和Tran(2008)方法得到的结果相对可靠。此外,基于等效竖向渗透系数思想,建立了以单元体流量等效的一维变形、一维渗流简化分析方法。通过算例检验发现,该法计算效率大大提高,但相比于Chai法计算精度并未改善,且计算过程相对复杂。(6)考虑到竖井地基三维有限元分析计算量大、前处理困难,提出了将井与涂抹区在地基横截面内划分为一个网格的复合单元法。复合单元的未知场由10结点单元和线性插值函数来刻画。复合单元内部全局坐标结点自由度和局部坐标结点自由度之间的联系则通过引入经典单井固结解析理论得到建立。之后,基于加权残数法详细推导了复合单元法有限元方程,并编制了相应的计算程序。通过对单井地基和群井地基算例进行验证分析,发现复合单元法计算精度较高、计算效率也有所改善。(7)基于大型商业软件和自编程序开展了某电厂海堤下竖井地基固结发展过程的数值模拟。分析过程中,采用Chai(2001)二维等效方法和平面应变空间渗流分析方法分别进行了计算,结果发现：两种数值方法模拟得到的地基变形