设置水平排水板的吹填海淤排水固结机理研究

设置水平排水板的吹填海淤固结机理研究福州大学硕士学位论文-PAGE88--PAGE87-设置水平排水板的吹填海淤排水固结机理研究中文摘要近年来，我国沿海地区围海造陆过程中，常常直接利用吹填海淤形成陆域。但是吹填海淤具有含水量高、孔隙比大、强度低、排水固结慢、变形大的工程特性，其所形成场地一般很难直接作为建筑场地使用。因此，研究如何使高含水量、高压缩性的吹填海淤尽快排水固结，达到设计要求已成为工程实践的技术难题。当前针对吹填海淤地基处理的工程实践中主要采用设置竖向排水体(如塑料排水带和袋装砂井等)的方法,理论研究也大多以此为主。实际上，采取分层吹填海淤分层设置水平排水板处理吹填海淤的施工方法，能够减小吹填海淤处理周期，有效提高吹填海淤固结速率和施工效率，具有良好的工程应用前景。然而目前对于设置水平排水体的吹填海淤固结问题研究开展得较少，设置水平排水体的吹填海淤固结机理、变形性状和影响因素等亟待深入研究。针对设置水平排水板的吹填海淤固结问题，本文做了以下几方面的研究：首先，在阅读大量国内外相关文献基础上，系统总结了海淤的物理力学特性、渗流变形特性及加固机理的研究现状。其次，在参考大量含竖向排水板软土地基固结机理研究文献的基础上，提出含水平排水板吹填海淤固结机理的平面应变固结等应变解答，在推导过程中考虑了涂抹作用、井阻作用及土体渗透性等因素对于土体固结机理的影响。再次，应用PLAXIS软件对于含水平排水板吹填海淤的固结机理进行有限元分析，将其结果与推导得的平面应变理论解进行了对比，并深入分析水平排水板处理吹填海淤的影响因素并深入分析水平排水板处理吹填海淤的影响因素，这些影响因素包括水平排水板的安装深度、土体分层厚度、涂抹区域宽度及土体渗透性。最后，应用PLAXIS软件分析厦门吹填海淤泥处理的实际工程，并与其在竖向排水版处理下固结的有限元分析结果进行对比，为实际工程应用提供参考：(1)在相同土体条件下，设置水平排水板的吹填海淤土体排水固结时间较短，并且在实际施工过程中可以通过控制单个土层的固结度来节省施工的整体时间。(2)水平排水板法能够达到更高的最终沉降值，在土体中产生的超孔隙水压力峰值更小且有多个超孔压消散过程，能够使吹填海淤土体达到更好的处理效果。以上结论说明水平排水板法在实际应用中具有其本身的优点，较为适合吹填场地面积较小而吹填厚度较大的施工情况。关键词：水平排水板，吹填海淤，理论解，固结，有限元分析STUDYONCONSOLIDATIONMECHANISMFORDREDGEDMARINECLAYWITHPREFABRICATEDHORIZONTALDRAINSAbstractInmostcoastalChinacities,marineclayisusuallyusedasdredgingforlandreclamation.However,marineclayhasmanycharacteristicssuchashighwatercontent,highporosity,lowshearstrengthandcoefficientofpermeability,lowdrainageandlargedeformation,etc.Thefoundationdredgedwithitisalwaysunsuitableforconstruction.Sohowtospeedupconsolidationofdredgedmarineclaywithhighwatercontent,highcompressibility,thustomeettherequiredbearingcapacityfortheengineeringandtoavoidexcessivesettlementhasbecomeoneofthemostimportanttopicinthefieldofgeotechnicalengineeringAtpresent,themainlyusedmethodofdrainageconsolidationtodealwithddredgedmarineclayinengineeringpracticeisusingtheverticaldrainagebody(suchasprefabricatedverticaldrainsanddrainpiles,etc.).Mosttheoreticalresearchfocusesonsuchmethod.Infact,theconstructionmethodwhichisusedtodealwithdredgedmarineclaybyprefabricatedhorizontaldrainsislayered-dredgedandlayered-laid.Itcaneffectivelyincreasetheconsolidationrateofdredgedmarineclayandtheconstructionefficiency.Soithasalotoftheoreticalandpracticalsignificance.Recently,however,therearefewresearchesabouttheprefabricatedhorizontaldrains.Themechanismofconsolidationandthedeformationpropertiesinthedredgedmarineclaywithprefabricatedhorizontaldrainsshouldbediscussed.Inthispaper,someresearchhasbeenfinishedaboutthemechanismofconsolidationinthedredgedmarineclaywithprefabricatedhorizontaldrainsasfollows:First,thispapergaveabriefintroductiononthephysicalmechanicalperformanceandseepagedeformationproperties,andreviewedtheexistingresearchachievementontherelatedconsolidationmechanism.Second,baseonthelargenumberofreferencesontheconsolidationmechanismofthesoftclayfoundationwithprefabricatedverticaldrains,theequalstrainsolutionoftheplainstrainconsolidationbyprefabricatedhorizontaldrainsisproposed.Andthesolutionisdeducedconsideringsuchfactorsassmeareffect,wellresistanceandverticalseepage.Third,PLAXISsoftwareisusedtoanalyzethemechanismofconsolidationbyprefabricatedhorizontaldrains.Theresultsarecomparedtotheequalstrainsolutionoftheplainstrainconsolidationbyprefabricatedhorizontaldrains,andthefactorshasbeenconsidered,suchasthewidthofsmearzone,theburieddepth,stratifiedsoilthicknessbyprefabricatedhorizontaldrainsandthepermeabilityofthesoil.Finally,thefiniteelementanalysisoftheconsolidationmechanismofXiamendredgedmarineclaywithprefabricatedhorizontaldrainsisconsidered.Itsresultsarecomparedtothefiniteelementanalysisresultsinthecaseofprefabricatedverticaldrains.Thefollowingconclusionscanbeobtained:(1)Atthesamesoilconditions,theprefabricatedhorizontaldrainsmethodwillneedlesstime.Andtheoverallconstructiontimecanbesavedbycontrollingthedegreeofconsolidationinasinglesoillayer.(2)Theprefabricatedhorizontaldrainsmethodcanobtainthehigherfinalsettlement.Andthismethodresultsinlowerexcessporewaterpressureinthesoilandanumberofdissipationprocessesofexcessporewaterpressure.Theseconclusionsillustratethattheprefabricatedhorizontaldrainsmethodhasitsownadvantagesinthepracticalapplicationandit’sappropriateforsmallerdredgedareaandhigherheightofthedredgedclay.Keywords:prefabricatedhorizontaldrains,dredgedmarineclay,theoreticalsolution,consolidation,finiteelementanalysis目录摘要 iAbstract ii目录 iii第一章绪论 11.1概述………………………11.2国内外研究现状………………………..11.2.1地基处理研究现状……………地基处理技术的分类……………………...国内外地基处理技术的发展……………...1.2.2排水体.………………….………..含竖向排水体的软土固结机理分析……含竖向排水体的软土固结解析解法……含竖向排水体的软土固结数值解法……...通用含竖向排水体地基固结理论解……...91.3设置水平排水板吹填海淤固结机理………..151.3.1含水平排水板吹填海淤施工要点………技术关键 技术方案简介 ..1.3.3含排水体软土地基固结的参数分析研究……………151.3.4水平排水板的研究意义…………221.4本文研究的目标和内容 ………….251.4.1研究目标……………………..1.4.2研究内容第二章含水平排水体地基等应变条件下固结理论解研究 272.1含水平排水板软土地基固结机理理论解……272.1.1概述2.1.2含水平排水板软土地基等应变条件下固结理论解 2.2本章小结……………...33第三章含水平排水板吹填海淤的有限元分析 343.1有限元程序PLAXIS………………..343.2有限源程序PLAXIS功能简介…………………...343.3含水平排水板土体固结过程数值模拟…………363.3.1有限元模型的建立 363.3.2边界条件的设定 363.3.3土体本构模型的选择 363.3.4土体渗透改变的影响 383.3.5涂抹区宽度的设定 393.3.6土体模型初始条件的设定 393.3.7压缩区域的设定 403.3.8有限元计算 403.3.9数值计算与土体自重固结情况下固结机理的比较 423.3.10有限元计算与所得理论解的比较 443.4本章小结……………….44第四章含水平排水板吹填海淤的参数研究 474.1概述…………………474.2水平排水板不同安装因素对固结效果的影响………………...474.2.1水平排水板安装深度的影响………………数值模型的建立………….数值模拟结果及讨论 4.2.2水平排水板竖向间距的影响………………5数值模拟结果及讨论 514.2.3涂抹作用的模型的建立 5数值模拟结果及讨论 564.2.4土体渗透性的影响 5模型的建立 5数值模拟结果及讨论 604.3实际工程分析………………………..614.3.1工程概况 4.3.2水平排水固结施工程序 4.3.3土体参数试验结果 含水量及液塑限 6颗粒级配 6常规三轴试验（CU试验） 6E-B参数的设定 654.3.4模型的建立4.3.5数值模拟结果及讨论 664.3.6实际施工参数研究 694.4本章小结……………….70第五章与竖向排水板作用效果的有限元分析对比 715.1对比模型的建立…………………….715.2分析结果及与水平排水板分析结果的对比………………715.3本章小结……………...77第六章结论与展望 79致谢 82参考文献 83个人简介 87第一章绪论1.1概述随着沿海城市经济的发展和城市基本建设蓬勃开展,国内一些港口还存在陆域不足的现状,将疏浚出来的淤泥用来填海造陆,以淤泥吹填造陆,不仅可以防止港区疏浚淤泥时的近海弃淤对海洋环境的污染,而且可以降低造陆成本,节省建材,是一个综合利用资源的理想途径,其经济环境及社会效益均十分显著。而对大面积深厚超软土吹填海淤进行软基处理,已成为沿海城市土地开发的重要手段。由于吹填形成的淤泥具有含水量高，孔隙比大，强度低，渗透系数小，排水固结较慢，变形大的工程特性，因此，利用吹填海淤造地的关键技术难题是如何使高含水量、高压缩性的淤泥地基尽快排水固结，达到上部结构工程对其承载力和工后沉降的要求，由此带来的吹填土加固问题也越来越引起人们的关注。目前，对于吹填混砂海淤的加固技术有很多，但主要以排水固结法及强夯为主。所谓排水固结法就是地基土在荷载作用下，通过布置竖向或水平排水体（砂井及砂垫层等），使土体中超孔隙水压力快速消散,土中的孔隙水被慢慢排出，孔隙比变小，地基生固结变形，地基土强度逐渐增长。当前在对吹填海淤使用排水固结法进行处理的工程实践中主要采用的是设置竖向排水体(如塑料排水带和袋装砂井等)配合以堆载,真空预压等加压系统的方法,理论研究也大多以此为主,而对水平排水体少有涉及。实际上,在排水体具有足够水平排水率的前提条件下,水平排水体能够大大改善孔隙水垂直渗流的水力梯度,从而有效提高吹填海淤固结速率,具有很大的理论和实践意义。但就目前而言，国内外对于使用水平排水板法对软弱土体进行处理的研究仍然比较匮乏，在这种情况下，本文针对真空预压条件下应用水平排水体处理软弱淤泥进行了系统的研究，以期对今后的工程实践能够作出一些有益的建议。1.2国内外研究现状1.2.1地基处理技术在我国可以追溯到很久以前，灰土垫层在我国的应用日期已经无法考证了，应在秦汉以前。随着土木工程的发展，地基处理技术也在不断的发展。工程建设的需要促进了地基处理技术的发展，现代地基处理技术是伴随现代化建设而发展的。地基处理技术的分类软土地基处理的目的就是将低承载能力和大压缩性的原状土加固到足以承担地基所需的强度和工后沉降要求，有时也为了减少地基的渗透性。为了达到上述目的，通常有二类方法:一类是对天然地基土体进行土质改良;另一类是在天然地基中插入(也包括置换)材性较好的材料，如砂石、土工合成材料、混凝土、钢管等。土质改良的方法可分为下述几类:预压使软粘土产生排水固结;振密、挤密松散土体;灌入固化物使之与天然地基土体形成复合土体，如水泥土;冻结或烧结天然土体以改善其物理力学性质。由各种地基处理方法获得的人工地基可以分为两类:一类是对天然地基土体全部进行土质改良，如预压(排水固结)法、强夯法、原位压实法、换填法等。另一类是形成复合地基。它可以由复合土与天然地基土体形成，如水泥土复合地基:也可以由插入(也包括置换)的材料与天然地基土体形成，如低强度桩复合地基法、树根桩复合地基;也可以山插入的材料以得到改良(如挤密)的天然土体形成，如振冲挤密碎石桩复合地基。软土地基加固方法主要有换填法、土工织物加筋法、排水固结预压法、强夯法、砂石桩法和搅拌桩法等。下面根据地基处理的加固原理，对常用的地基处理方法进行分类。常用的地基处理方法可以归纳分成下述六类。（1）置换置换是用物理力学性质较好的岩土材料置换天然地基中部分或全部软弱土或不良土，形成双层地基或复合地基，以达到提高地基承载力、减少沉降目的。置换属浅层处理法，适用于软弱土层位于地基表面且最大深度一般在3m，最大不超过5m的情况。主要包括下述地基方法:换土垫层法、强夯置换法、石灰桩法、EPS超轻质料填土法、挤淤置换法、褥垫层法等。顺便指出:软粘土地基中以置换为主的振冲置换法、砂石桩(置换)法应慎用，主要缺点是加固后的地基工后沉降大，且初期承载力提高幅度小。（2）排水固结排水固结是指土体在一定荷载作用下固结，孔隙比减小，强度提高，以达到提高地基承载力，减小工后沉降的目的。排水固结预压法是一种常用行之有效的地基处理方法，但工期一般较长，而且要按地质条件、路堤高度和总沉降量的差异来选择不同的深层处理方式、预压方式及预压时间。主要包括下述地基处理方法:加载预压法(竖向排水系统可采用普通砂井、袋装砂井和塑料排水带等，以下同)、超载预压法、真空预压法、真空预压与堆载预压联合作用、降低地下水位和电渗法等。（3）灌入固化物灌入固化物是向地基中灌入或拌入水泥，或石灰，或其他化学固化材料在地基中形成复合土体，以达到地基处理的目的。搅拌桩法工期较短，但费用较高，加固深度有限，对深厚软土，很难消除较大的工后沉降。主要包括下述地基处理方法:深层搅拌法(包括浆液喷射和粉体喷射深层搅拌法)、高压喷射注浆法、渗入性灌浆法、劈裂灌浆法、挤密灌浆法、电动化学灌浆法等。（4）振密、挤密振密、挤密是指采用振动或挤密的方法使土体进一步密实以达到提高地基承载力和减少沉降的目的。主要包括下述地基处理方法:表层原位压实法、强夯法、振冲密实法、挤密砂桩法、挤密碎石桩法(包括振冲挤密碎石桩、振动沉管挤密碎石桩、冲锤成孔挤密碎石桩和二干振成孔碎石桩等)、孔内夯扩挤密桩法、爆破挤密法、土桩和灰上桩、以及夯实水泥土桩法等。顺便指出，采用振密、挤密法加固地基一定要重视其适用性。（5）加筋加筋是在地基中设置强度高、模量大的筋材，以达到提高地基承载力、减少沉降的目的。强度高、模量大的筋材可以是钢筋混凝土，低强度混凝土，也可以是土工合成材料等。主要包括下述地基处理方法:加筋土法、土钉墙法、树根桩法、低强度桩复合地基法(包括CFG桩复合地基、低强度混凝土桩复合地基，二灰混凝土桩复合地基等)、刚性桩复合地基法。（6）冷热处理冷热处理是通过冻结，或焙烧、加热地基土体改变土体物理力学性质以达到地基处理的目的。主要包括:冻结法、烧结法[1]。地基处理是古老而又年轻的领域，许多现代的地基处理技术都可在古代找到它的雏形。地基处理技术在我国有着悠久的历史，人民群众在长期的生产实践中积累的丰富的经验。据史料记载，早在三千年前，我国己开始采用竹子、木头以及麦秸等来加固地基。向软土中夯土碎石等材料以挤密软土也早在两千多年前就有记载。此外，利用夯实的灰土和三合土等作为建筑物垫层，在我国古建筑中更为广泛。地基处理技术在解放后，尤其是近二十余年来取得了迅速的发展。回顾五十余年来我国地基处理技术的发展过程，大体上可划分为五六十年代及七十年代末至现在这两个阶段。第一个阶段开始时，由于新中国刚刚诞生，百废待兴。为了满足新中国建设的需要，大量地基处理技术从前苏联引进。随着当时工业建设和城市建设的发展需要，出现了一个地基处理技术引进和开发的应用高潮。这个时期，砂石垫层法、砂桩挤密法、石灰桩、化学灌浆法、重锤夯实法、堆载预压法、挤密土桩和灰土桩、预浸水法以及井点降水等地基处理技术先后被引进及开发利用。地基处理技术发展的第二个阶段，也是我国地基处理技术发展的最主要阶段。从七十年代末开始，由于改革开发，伴随着沿海地区大批工程项目的上马兴建，尤其是上海宝钢等大型现代化企业的兴建和沿海城市高层建筑的发展，大批国外先进的地基处理技术被引进，从而大大促进了我国地基处理技术的应用和研究。自20世纪80年代中以来，在土木工程建设中遇到需要进行加固的不良地基也越来越多，对地基提出了越来越高的要求。地基处理己成为土木工程中最活跃的领域之一，地基处理在我国得到了飞速发展。地基处理技术最新发展反映在地基处理技术的普及与提高、施工队伍的壮大、地基处理机械、材料、设计计算理论、施工工艺、现场监测技术、以及地基处理新方法的不断发展和多种地基处理方法综合应用等各个方面[2]。近40年来，国外在地基处理技术方面发展十分迅速，老方法得到改进，新方法不断涌现。在60年代中期，从如何提高土的抗拉强度这一思路中，发展了土的加筋法：从如何有利于土的排水和加速固结这一基本观点出发.发展了上工聚合物、砂井预压和塑料排水带;从如何进行深层密实处理的方法考虑，采用加大击实功的措施，发展了强夯法、和振动水冲法等。另外，现代工业的发展，对地基工程提供了强大的生产手段:如能制造重达几十吨的专用地基加固施工机械(使用强夯法时的起重机械);潜水电机的出现，带来了振动水冲法的振冲器的施工机械;真空泵的问世，才能建立真空预压法;生产了大于200个大气压的压缩空气机，从而产生了高压喷射注浆法等地基加固方法。随着地基处理工程的实践和发展，人们在加固土的工程性质的同时，不断丰富了对土的特性研究和认识，从而又进一步推动了地基处理技术和方法的更新，因而地基处理成为土力学基础工程领域中一个较有生命力的分支。在1981年6月召开的第十届国际土力学及基础工程会议上有46篇论文专门论述地基处理技术，并成为大会中12个重要议题之一；在1983年召开的第八届欧洲土力学及基础工程会议上所讨论的主题就是地基处理;国际土力学及基础工程学会下成立了地基处理学术委员会，在该学术委员会下于1997年1月正式创办了名为地基处理的周刊GroundImprovement。1984年中国土木工程学会土力学基础工程学会下成立了地基处理学术委员会，1986-1997年间先后召开了五届学术讨论会，并组织编著了《地基处理手册》[3]；我国建设部也组织编写了《建筑地基处理技术规范》[4]；为了适应地区地质条件，1994年由同济大学主编了上海市标准《地基处理技术规范》[5]。1994年由深圳市勘察研究院和深圳市环宇岩土工程公司主编了深圳市标准《深圳地区地基处理技术规范》[6]。由此可见，地基处理技术在国内外都处于十分重要的地位[7]。1.2.2竖向含排水体地基是指在天然地基中打设排水体，再进行堆载预压的地基。试验和工程试验表明，在软粘土地基中设置一定间距和深度的水平向排水体，能够大大加快软土地基的固结，提高地基的强度和稳定性。竖向排水体(砂井)的概念首先由美国工程师Moran于1925年提出，当时竖向排水体被用来增强深层土体的稳定性，1926年他获得了专利。1934年，加州公路局厅施工了第一个竖向排水体排水系统，这标志着竖向排水体作为排水井真正开始应用于工程中。从那时起，应用竖向排水体的各种工程数量也开始持续增加。50年代初至60年代末随着土工织物在岩土工程中的广泛应用，在此基础上发展起来的袋装砂井方法在我国的水库、堤坝等方面有很多实际应用。1936年，瑞典皇家土质研究所Kjellman等人研究发明了纸板排水法。该法是把具有通水孔断面的纸板代替砂井作为透水工具。和普通砂井方法相比，施工简单，而且避免了打设断面不均匀的现象。原则二者完全相同。但是该种方法只是在日本、欧洲得到偶尔应用。直至七十年代早期，工程中广泛使用的还是普通大直径砂井。1971年，Wager改进了纸板法技术，发展起新的塑料排水板(PVD)预压法，该项软土地基加固新技术自此开始广泛应用于各类工程。我国于80年代初将此法正式应用于天津塘沽新港四港池堆场软土地基加固工程。近年来，公路、铁路、机场跑道、能源、水利等类工程的大量兴建，大大促进了塑料排水板预压法的迅速发展。目前，由于塑料排水板具有重量轻、运输方便、所需施工设备简单、工效高、劳动强度低、施工费用省、产品质量稳定、排水效果有保证、对土层扰动小、适应地基变形性能好等特点，故发展很快，逐渐代替了普通砂并或袋装砂井[8]。含竖向排水体的软土固结机理分析含竖向排水体地基固结变形计算方法的准确性取决于多方面的因素，比如模型的建立、参数的选取等等，且许多因素之间相互影响。从工程实用性角度看，要求计算模型尽可能的符合实际，计算方法尽可能的简便，所需计算参数尽可能的少，且易通过常规试验确定，计算结果的误差又较小。现有的含竖向排水体地基固结计算方法大致可以分为两类:解析解法和数值解分析法。解析解法建立在Terzaghi等人创立的经典土力学基础上，引入了许多简化假定。该类方法只能计算单井固结，比较适合计算加固区面积较大、地基情况和边界条件、初始条件比较简单的加固区中心点的固结沉降，只能进行一维或轴对称固结分析，对实际工程的复杂性无法全面反映;此外，该类方法还无法对整个地基，特别是加固区边界的固结变形进行计算。但是，由于该类方法具有计算简单、参数较少且易取值的优点，在实际工程中得到了广泛的应用。数值分析法是近代土力学研究的产物，利用数值分析法，可以较全面的考虑土体的变形特性及边界条件，理论上较严密。数值解法一般是以太沙基(Terzaghi)固结理论或比奥(Biot)固结理论作为基础的，目前已有的分析含竖向排水体地基固结问题的数值分析法一般包括有限元法、边界元法和差分法等。由于数值解法具有一定难度，缺乏解析解法的许多优点，在工程中不如解析解法应用的广泛[9]。含竖向排水体的软土固结关于含竖向排水体的软弱土体排水固结处理的理论分析最早都是从砂井地基这一情况开始的。尽管砂井地基的试验研究最早可以追溯到1934年美国加州公路局的研究报告，但相关理论则最早见于1942年发表的Carrillo定理：瞬时加载条件下，砂井地基的组合渗流平均固结度和径向固结度，及径向平均固结度之间存在如下关系：（1.1）Barron[10]于1948年基于Terzaghi固结理论开展了砂井固结的解析研究。他研究了砂井在等竖向应变和自由应变两种假定情况下的轴对称固结。且Barron解仅考虑了径向渗流，对于理想井给出了等应变和自由应变两种解答；对于非理想井则给出了同时考虑井阻和涂抹作用的等应变解答，推导中假定涂抹区不可压缩。对于有井阻固结，Barron仅在t=0时满足基本方程，因而是不合理的。Hansbo[11]随后发展Barron理论，考虑了井阻作用涂抹区的可压缩性。但他在分析中假定竖向应变与深度无关，却在最终表达式中得到了竖向应变仍是深度的函数这一自相矛盾的结果。Yoshikuni和Nakanodo(1974)[12]基于Biot固结理论并采用等应变条件的到了考虑径向应变和竖向组合渗流及排水井的有限渗透性(即考虑井阻)的解答。Onoue[13]则发展了Yoshikuni解，考虑了涂抹作用的影响，得到了迄今最严密但也最复杂的解答。谢康和(1989)[14]年克服了Barron和Hansbo理论的缺陷，建立了较为完善的打穿粘土层的砂井地基固结理论。该结果是在等应变条件下推导的，它与严密复杂的Yoshikuni理论比较接近。谢康和解由于其假设合理结果正确且便于采用而被广泛接受。赵维炳（1988、1996、2005)[15][16][17]完善了Barron的等应变固结解析解理论，考虑了径竖向渗流和地基的侧向变形，给出了含竖向排水体的地基径竖向耦合轴对称固结的解析解。Nagami和Li(2003)[18]运用了传递矩阵法对设置竖向、水平排水体的多层各向异性粘土地基排水固结问题进行了研究，给出了柱坐标下一定深度的超孔隙水压力和平均固结度的解析解[9]。经过比较发现该理论与Xie(1994)[19]依据叠加法推导出的理想砂井排水固结解析解是比较接近的。但由于作者未考虑在孔隙水渗流过程中竖向排水井与水平排水井之间的相互耦合作用，因此是不够合理的。Zhu和Yin(2004)[20]推导了不计侧向应变、考虑径竖向渗流和涂抹作用的自由应变解析解，不但可以考虑总应力随时间变化，而且可用于荷载线性施加的情况，但是其解表达式复杂，不利于工程实际的应用。Leo(2004)[21]采用Fourier正弦级数变换和分离变量法提出了径竖向祸合固结的等应变显式严密解答，该解形式简单，且可以考虑瞬时加载以及Carillo定律不适用的线性加载情况。含竖向排水体地基轴对称固结理论简单便用，尤其是等应变条件下的含竖向排水体地基轴对称固结理论，一直是国内外含竖向排水体地基设计和分析的主要理论基础。它们将在实际竖向排水体工程中长期占据主导理论的地位。和单井Terzaghi固结理论相比，最完整严密的是Biot固结理论，但是无法得到其解析解，随着数值计算方法的发展将得到进一步的应用。含竖向排水体的软土固结前文介绍的含竖向排水体地基轴对称固结理论都是单井固结理论(仅分析含单个竖向排水体地基的固结)，无法考虑工程中加荷方式及荷载分布，无法计算加固区边界的地基固结变形情况，更无法考虑群井效应(实际每个竖向排水体之间存在的相互作用)及复杂的地基条件。数值分析方法通过对整个含竖向排水体地基的建模尽可能的模拟实际情况，能够更好的反映含竖向排水体地基材料差异和空间渗流的基本特征。目前工程中常用的分析含竖向排水体地基固结变形的数值解法主要包括平面应变有限元法。实际的含竖向排水体地基固结变形问题属于三维空间问题，严格的分析方法是对整个地基进行三维有限元模拟，但是三维固结有限元分析本身的工作量就已经很大，如果再加上密集的竖向排水体会导致划分的单元大为增加。所以有必要将含竖向排水体地基固结按平面应变问题来处理。迄今为止，己有很多学者进行了这方面的研究。李大梁,徐国强等(1983)[22]和沈珠江(1984)[23]在把含竖向排水体地基按平面问题有限元来计算时，仅将土体水平向渗透系数按井距放大倍数的平方放大，保证放大前后水平向固结系数相等。这样做只是使放大前后的竖向排水体轴对称水平向固结等效了，并没有将含竖向排水体地基轴对称固结转化成平面应变固结问题，这显然是不太合理的。对含竖向排水体地基固结进行平面应变有限元分析，必须以砂墙为单元建立其理论基础，这就涉及到竖向排水体单元和砂墙单元之间的等效转化问题。这而这之间的转换方法是将有一定间隔分布的竖向排水体想象成沿纵向连续不间断分布的砂墙，即把原来的含竖向排水体地基变成打设一排一排砂墙的地基，这种砂墙的地基就可以当成平面应变问题来分析。Hird(1995)[24]、Indraratna(2000、2004)[25][26]、赵维炳（1998、2005）[15][17]、朱俊高(1998)[27]、陈建锋(2001)[28]、刘加才等(2003)[29]、陈立宏(2004)[30]等国内外许多学者相继提出了将含竖向排水体地基轴对称固结问题等效为含砂墙地基平面应变固结问题的计算方法，进而对含砂墙地基平面应变固结问题进行有限元分析。Hird选取纵向单位长度的砂墙作为分析对象，考虑了井阻作用和水平向渗流，得到单个砂墙平面应变固结问题的等应变解答，然后与Hansbo的单井轴对称固结理论进行等效。Indraratna和陈建锋同时考虑了井阻和涂抹作用，得到考虑竖向渗流的含砂墙地基平面应变固结解析解后，将其与Hansbo的单井地基轴对称固结解析解进行等效。赵维炳分析含竖向排水体地基平面应变固结问题时，取纵向单位长度的单个砂墙来分析，不仅考虑了涂抹作用和侧向应变，还考虑了双向渗流(竖向和水平向渗流)的耦合作用，给出了含砂墙地基平面应变固结解析解，然后选择他87年推导的含竖向排水体地基轴对称固结解析解来等效。朱俊高在处理含砂墙地基的固结问题时，简单的用Terzaghi一维固结理论计算含砂墙地基的水平向固结度，没有考虑井阻和涂抹作用，最后与Barron的含竖向排水体地基轴对称固结解析解进行等效。刘加才考虑了井阻作用和竖向渗流，忽略涂抹作用，给出了含砂墙地基平面应变固结解析解，然后与谢康和的单井固结理论进行等效。分析含竖向排水体地基平面应变固结问题时，陈立宏考虑了地基的侧向变形，同时考虑了竖向渗流和井阻作用，得到含砂墙地基平面应变固结解析解后，将其与Barron的单井地基轴对称固结解析解进行等效。以上学者在将含竖向排水体地基轴对称固结问题与含砂墙地基平面应变固结问题进行等效时，大多数选择的一个等效基本变量(即等效前后的不变量)是地基中某一深度的平均固结度(某一深度处平均超静孔隙水压力)，只有朱俊高采用的等效基本变量是时间。有了以上这些等效理论作为基础，平面应变有限元方法日益被土木工程师应用于分析打设了竖向排水体的软粘土地基的固结变形分析中，也为以三维Biot固结理论为基础的、能考虑土体各种复杂因素的有限元法在岩土工程中的应用及推广积累了丰富的经验。对于含竖向排水体地基的固结变形分析，无论是解析解分析方法还是数值解分析方法，计算参数的取值正确与否直接影响到计算结果的正确与否。当软土层的竖向渗透系数很低，土层又较厚时，固结时间要延续几十年至百年之久，不能满足工程的要求。因此在土层内增加砂井、塑料板等竖向排水体，就能加速渗透固结的过程。砂井既是竖向排水通道，又缩短了周围土体的渗透途径，加快了沉降和固结的时间。采用塑料排水板，其功能和砂井相同，排水机理相同，其固结理论和设计方法也基本相同。因此，可将排水板换算成等效直径的砂井对塑料板排水预压法进行设计和研究。其等效直径为：（1.2）式中：——为塑料排水板等效直径；——为换算系数，取为0.8；——为塑料排水板的厚度；——为塑料排水板的宽度。当塑料排水板为等边三角形排列时：（1.3）式中：为排水板间距。当塑料排水板为正方形排列时：（1.4）式中：为排水板间距。地基的固结理论通常假设荷载是瞬时施加的，先进行瞬时加荷条件下固结度的计算，然后根据加荷工程进行修正计算。(1)瞬时加荷时固结度的计算对于塑料排水板加固地基的固结度计算，是建立在太沙基固结理论和巴隆固结理论基础上的，地基土与实际情况相比可作如下假设：1）压缩土层是均质、各向同性的饱和土体；2）饱和土体的土粒和水均认为不可压缩；3）在固结过程中，渗透系数和压缩模量均视为常数；4）土中水的渗流规律符合达西定律；5）外荷是一次施加于土体的；6）不考虑次固结的影响。在一定压力作用下，土层中的固结渗流水沿径向和竖向流动，塑料排水板加固地基属于三维固结轴对称问题。若以圆柱坐标系表示，任意点（r,z）处的孔隙水压力为u，则太沙基—伦杜立克三维渗透固结微分方程为：(1.5)式中：——为孔隙水压力；——分别为径向、竖向的固结系数。对于二维的平面变形问题，可推得固结微分方程(1.6)式中的二维固结系数(1.7)式中：分别为变形模量和泊松比。根据边界条件直接求解，在数学上是十分困难的。通常采用差分法或有限元法求解。纽曼(A.B.Newman)和卡锐罗(N.Carrilo)证明可用分离变量法求解三维渗透固结微分方程：(1.8)(1.9)式中：——径向孔隙水压力；——竖向孔隙水压力。太沙基(Terzaghi)求解了瞬间加荷条件下，只考虑竖向排水地基固结理论公式即单向固结微分方程：初始条件：边界条件：则竖向孔隙水压力为：(1.10)式中：为初始孔隙水压力；为单面排水时土层厚度或双面排水时土层厚度的一半；,为正整数（1,2,3,……）；为时间因素，其中固结系数；分别是竖向渗透系数和孔隙比；为压缩系数；为水的容重。若在整个压缩层内为均匀分布，即为常量，则：(1.11)整个压缩层时刻竖向平均孔隙水应力，竖向平均固结度分别为：(1.12)(1.13)对于工程应用，取第一项即有足够的精度，即：(1.14)用上式计算打塑料排水板前地基固结度。巴隆(Barron)最先给出了理想井在等垂直应变和自由垂直应变两种边界条件下的水平向固结方程的解。当井径比，时间因素≥0.1时，两种解答几乎有相同的平均固结度，此时：(1.15)式中：——水平孔隙水压力；——排水板影响圆的半径()；——排水板的半径()；因此仅考虑径向流动时的平均固结度为：(1.16)式中：；；；；；分别为水平向的的固结系数和渗透系数。根据卡锐罗理论，任意一点的孔隙水压力有如下关系：(1.17)式中分别为径向和竖向孔隙水压力分量。整个排水井影响范围内土柱体平均孔隙水压力也有同样的关系：(1.18)以固结度表达为：(1.19)打塑料排水板后平均固结度由径向、竖向共同排水引起的土层总平均固结度表达式为:(1.20)式中:地基土层经时间沉降量等于该层最终沉降量乘以时的固结度，即(1.21)地基包含有多层土，当各土层透水性相差不是很大，厚度不是很厚的情况，平均渗透系数用如下方法计算:对于水平渗流情况，由于通过土层的总渗流量等于各分层渗流之和，且各土层的水头损失或水力坡降相同，并考虑达西渗流定律，可以得到土体水平向的平均渗透系数为：(1.22)对于垂直渗流情况，由于整个土层的水头损失等于各土层的水头损失之和，且通过各土层的渗流量相同，并考虑达西定律，可以得到土体垂直的平均系数为：(1.23)（2）塑料排水板未打穿软土层时固结度的计算当软土层较厚时，排水板往往不能打穿整个软土层，此时，不能把排水板部分的固结度代表整个受压层的固结度，可分别计算有排水板部分的固结度和其下部分软土层的固结度，整个软土层的平均固结度按下式计算：(1.24)式中：为打排水板部分土层的固结度；为打排水板以下部分土层的固结度，按照一维固结理论计算；为排水板打入深度H与整个软土层厚度的比值，其值为：(1.25)（3）逐级加荷时固结度的计算在实际生产中，荷载不会一次就能加够，往往是分级施加的，现有的固结理论假设的荷载是一次骤然施加的，因此，要根据加荷速度对固结理论进行修正。对于分级加荷的情况，太沙基的修正方法假定如下：一级荷载增量所引起的固结过程是单独进行的，与上一级荷载增量所引起的固结度无关；固结度等于各级荷载增量作用下固结度的叠加；每一级荷载增量在等速加荷经过时间的固结度，与在时间时瞬时加荷的固结度相同，也即计算固结度的时间为；在加荷停止以后，在恒载作用时间内的固结度，即时间大于(此处为的加荷期)时的固结度和在的瞬时加荷后经过时间的固结度相同。对于最终荷载p的平均固结度U(t)，参照图1.1进行计算：当时（图中a）(1.26)当<t<时（图中b）(1.27)当<t<时（图中c）+(1.28)当t>时（图中d）+(1.29)图1.1多级加载情况对于多级等速荷载，可依次类推，并归纳出公式如下：(1.30)式中：分别为每级等速加荷的起点和终点(时间从0点算起且):为第n级荷载的增量。上述所计算的固结度都是对荷载而言的。（4）考虑井阻和涂抹作用时固结度的计算由于塑料排水板对渗流的阻力，将影响土层的固结速率，产生井阻作用。对于塑料排水板比较长的情况下应该考虑井阻的影响。塑料排水板周围一圈土受到扰动以后，其渗透系数将减小，产生涂抹作用。土层的涂抹作用对固结影响的程度视土的性质而定，对于夹有粉砂薄层的粘土层，影响可能较大。考虑井阻和涂抹作用时，平均固结度可按以下公式进行计算：(1.31)式中：；；(1.32)(1.33)为井阻因子；为涂抹比，塑料排水板涂抹后的直径与塑料排水板直径之比；为塑料排水板长；分别为塑料排水板、地基土及涂抹土层的渗透系数；从理论分析得到，涂抹作用有如缩小塑料排水板直径效应，当井径比为7-15时，井的有效影响直径小于排水井深度时，其阻力影响很小，另外塑料排水板渗透性好，井阻作用较小。本工程中井阻因子小于0.1，不考虑井阻作用[31]。1.3设置水平排水板吹填海淤固结机理1.3.1含水平排水板吹填设定条件吹填区预先分割好若干作业块，有隔堤；隔堤侧面设防渗土工膜，侧向无渗透水进出；固结宜分层实施，一层一层地依次固结，并将吹填料一次填满受吹区，没有深厚的泥浆池存在；吹填土料本身有不均匀性：砂、粘混杂；粘土团软、硬混杂；总体上有机质少，粘粒、胶粒含量少。技术关键保持吹填料的不均匀性，砂、粒分别成堆，层层重叠，杂乱无章为佳。其中粘土的团块结构最重要。(50年前在安徽淮北淮委实验室曾用挖泥船疏竣开挖硬壳层粘土，吹填筑堤成功；10年前在湖南水科院主持评审洞庭湖吹提筑堤的科研项目，也充分肯定了这一技术的可行性。2007年4月集美区环东海岸吹填现场重现了这一技术的可行性。关键就是团块尽量不打散，这样可以保证吹填土含水量较低，从而团粒结构的减少较彻底渗透系数较高。)吹填体内部砂量要较多，自成排水系统(也是杂乱无章的)，泥水可自流排出，不要闷在吹填区内，不给出路。泥不能完全与砂拌和成砂质粘土均匀状构造，否则要另插排水板排水。将砼浇灌中的真空作业法技术移植到吹填土中来，方法是制作若干真空板，它能先排水后排气，自上面抽出来。层层吸干，步步为营，板的构造愈简单愈好，软硬皆宜，袋状扁平，铺在砂上，或者外有反滤布，内部有排水通道。最简单的办法就是土工编织袋装少量砂，做成扁平袋，平放在吹填面上，之后再吹填一次，即可真正作业。技术方案简介吹填区预先分割好若干作业块，设置隔堤；隔堤侧面设防渗土工膜，侧向无渗透水进出。见图1.2。分层厚度1m，每吹填1层铺设1层水平向排水体（砂包或塑料排水板），水平向排水体通过横向连通管连接，通过与外接抽气泵相连形成排水体系。见图1.3。图1.2加固方案剖面图图1.3加固方案侧面图1.3.2含水平排水板软土固结渗透机理分析正如绪论所言，迄今已经得到了多种情况下含竖向排水体软土地基的固结理论解，并且随着对其研究的不断深入，其理论固结理论解也不断被完善发展。水平向排水板加固吹填软粘土地基的机理是,在堆载压力或真空压力作用下，利用加固区域内外的水位差,对吹填土进行加固处理。这个水位差通过水平向排水通道,表现为排水通道内的水压与吹填软粘土中孔隙水压力的差异,从而使得吹填土中的水,向排水通道汇集并排走,完成吹填软粘土的自重固结；也使吹填土中的水位下降,起到降水预压的加固作用。土样顶部水位保持不变，由于底部抽水和抽气，因此试样的顶部和底部存在水头差，在水头差和底部抽水的作用下，水自上而下产生渗流，可近似看成层流，因此相关的计算可以采用达西定律等原理进行近似计算。渗透力计算的计算原理早在1856年，法国学者达西（Darcy）根据砂土渗透试验（图1.4），发现水的渗透速度与试样两端面间的水头差成正比，而与相应的渗透路径成反比。于是他把渗透速度表示为：(1.34)或渗流量表示为：(1.35)其中:—渗透速度(m/s)；—试样两端的水头差（m）；—渗透路径（m）；—水力梯度，无因子；—渗透系数(m/s)，其物理意义是当水力梯度=1时的渗透速度；—渗流量()；—试样截面积()；水在土中渗流时，受到土颗粒的阻力作用，这个力的作用方向与水流方向相反。根据作用力与反作用力相等的原理，水流也必然有一个相等的力作用在土颗粒上。我们把地下水渗流时渗流水对单位体积内土颗粒的作用力称为渗透力J，也称动水压力。为了分析渗透力，在土中沿水流的渗流方向，切取一个土柱体ab，如图1.4所示，土柱体长度为L，横截面积为A，土的孔隙率为n。将土柱体ab内的水作为脱离体，作用在水流上的力有以下几种：—作用在a截面处的水压力，为水的重度，为a截面处的水头；—作用在b截面处的水压力，为b截面处的水头；—土柱内水的重力；—土柱内土颗粒对水流的作用力；—土颗粒对渗流水的阻力；由ab轴上力的平衡可得：(1.36)(1.37)将代入得:(1.38)则(1.39)可见，渗透力为体积力（量纲与重度一致），其方向与渗流方向一致，与水力梯度成正比。渗透力与渗透系数或渗透速度无关，其惯性力甚小，可以略而不计[32]。

图1.4水压力的计算渗透变形由于渗透力的方向与渗流方向一致，当水的渗流自上向下时，渗透力方向和土体重力方向一致，这将增加土颗粒间的压力（即增大了土的有效压力）；如渗流自下向上，则渗透力方向与土体重力方向相反，这将减少土颗粒间的压力，即减少土的有效应力。试验研究中是自上而下产生渗流，因此产生的渗透力必然使土体颗粒的排列趋于紧密，达到压实地基的目的[33]。一维固结理论及其计算原理利用有效应力原理和饱和土体固结理论模型，来求解在附加应力作用下地基内的孔隙水压力问题。通常采用太沙基（K.Terzaghi,1925）提出的一维渗流固结理论进行计算。太沙基一维渗流固结理论有下列一些基本假定：土是均质、各向同性且完全饱和的；土的压缩完全由孔隙体积的减小所引起，土粒和孔隙水都是不可压缩的；土中附加应力沿水平面是无限均匀分布的，土的压缩和渗流仅在竖直方向发生；孔隙水的渗流符合达西定律；在整个渗透固结过程中，土的渗透系数k、压缩系数均视为常数；地面上作用着无限连续均布荷载并且是一次施加的。图1.5饱和粘土的固结过程图1.5为均质、各向同性的饱和粘土层，位于不透水的岩层上、粘土层的厚度为H，在自重应力作用下已固结稳定，仅考虑外加荷载引起的固结。若在水平地面上施加无限连续均布荷载，则在土层内部引起的竖向附加应力（即固结应力）沿深度的分布将是均匀的，且等于外加均布荷载，即等于。为了找出粘土层在固结过程中孔隙水压力的变化规律，我们考察粘土层层面以下z深度处厚度dz、面积1×1的单元体的水量变化和孔隙体积压缩的情况（坐标取重力方向为正，先不考虑边界条件）。在地面加载之前，单元体顶面和底面的测压管中水位均与地下水位齐平。而在加载瞬间，即t等于零时，根据前述的固结模型，测压管中的水位都将升高等于。在固结过程中某一时刻t，测压管中的水位将下降，设此时单元体顶面测压管中水位高出地下水位h等于。而顶面测压管中水位又比底面测压管中水位低dh，如图2.4所示。由于单元体顶面与底面存在着水位差dh，因此单元体中将发生渗流并引起水量变化和孔隙体积的改变。设在固结过程中的某一时刻t，从单元顶面流出的流量为q，从底面流入的流量将为。于是，在时间增量dt内，流出与流入该单元体中的水量之差，即净流出的水量为：（1.39）设在同一时间增量dt内单元体上的有效应力增量为，则单元体体积的减小为：（1.40）式中，为体积压缩系数，，a为土的压缩系数，为土的天然孔隙比。由于在固结过程中外荷载保持不变，因而在z深度处的附加应力等于p，也为常数，则有效应力的增加将等于孔隙水压力的减小，即：（1.41）将上式（1.41）代入前式（1.40）得：(1.42)对于完全饱和的土体而言，由于孔隙被水充满，因此，在dt时间内单元体体积的减小应等于净流出的水量，即：(1.43)将式（1.39）和（1.43）代入上式两边，可得：（1.44）根据达西定律，在t时刻通过单元体的流量可表示为：（1.45）将式（1.45）代入式（1.44）左边，即可得到一维固结微分方程式为：（1.46）式中—土的固结系数，；—土的渗透系数；—水的重度；在一定的初始条件和边界条件下，按式（1.46），可以解得任一深度z在任一时刻t的孔隙水压力表达式。对于图1.5所示的土层和受荷情况，其初始条件和边界条件为： t=0以及0≤z≤H时， 0＜t＜∞以及 t=∞以及0≤z≤H时， u=0(1.47)用分离变量法，可求得式（1.46）的解答为：（1.48）式中m—正奇数（1,3,5……）；Tv—时间因数，无因次，，其中H为最大排水距离（cm），在单面排水条件下即为土层厚度，在双面排水条件下为土层厚度的一半，t为固结历时，以年为单位（a）；—土层的固结系数（cm2/a）[34][35]。固结度及其应用理论上可以根据式（1.46）求出土层中任意时刻孔隙水压力及相应的有效应力的大小和分布，再利用压缩量基本公式算出任意时刻的地基沉降量。但是这样求解甚感不便，下面将引入固结度的概念，使问题得到简化。所谓固结度，就是指在某一固结应力作用下，经某一时间t后，土体发生固结或孔隙水压力消散的程度。对于任一深度z处土层经时间t后的固结度，可按下式表示：（1.49）式中:—初始孔隙水压力，其大小即等于该点的固结应力；—t时刻的孔隙水压力；某一点的固结度对于解决工程实际问题来说并不重要，为此，又常常引入土层平均固结度的概念。土层的平均固结度定义为t时刻土骨架承担的全部有效应力与全部附加应力之比值。因此，t时刻土层的平均固结度Ut可表示为：（1.50）将式(2.15)代入式(2.18)，积分后，即可得到土层平均固结度的表达式：（1.51）式中m—正奇数（1、3、5、….）。从上式可以看出，土层的平均固结度是时间因数Tv的单值函数，它与所加固结应力的大小无关，但与土层中固结应力的分布有关。上式括号中的级数收敛很快，当>30%时可近似地取其中的第一项：（1.52）1.3.3含水平排水体软土地基固结的参数分析研究像许多技术领域一样，在过去的四分之一世纪中，土力学最大的变化也许与数字计算机的发展和应用密切相关。经过许多人不懈努力，到十九世纪50年代早期，计算机辅助的有限差分技术被开发出来，并开始得到应用，它对求解土力学中的大量问题也是很有用的。然而在目前，它们都得让位于有限单元法的发展和应用了，这些计算技术在土力学中的应用就同理论和应用土力学领域自身一样的宽广。有限单元法对于具有复杂的几何特征和土的力学特性问题、需要考虑多种类型的非线性特性问题，可以轻松得到数值解。同时，该方法很容易将现场监测结果插入数值求解过程中，使这种方法得到了广泛的应用。毫无疑问，有限单元法已经极大地扩展了可以得到理论解的问题的范围，并且我们对许多实际问题的理解和洞察力提高了，以前那种为粗略地得到理论解而不恰当地给出问题的边界条件或其它约束条件的作法已不复存在了[36]。Mesri和Rokhsar(1974)[37]采用有限差分法，得到考虑包括超固结和次固结在内的固结曲线，同时说明了固结系数作为有效应力的参数的变化对固结的影响；Monte和Krizek(1976)[38]应用Lagrangian坐标，建立了较为完善的大变形固结理论，；通过室内试验得到，的关系，运用加权残数法进行了数值求解；Olson和Ladd(1979)[39]则提出用有限差分法求解大变形和非线性固结问题的算法，并对土层厚度进行修正得到满意效果。Carter等(1977)[40]基于欧拉描述，采用线弹性模型，建立了一般形式的饱和土体三维大变形固结理论，并通过简单的算例，讨论了大变形的影响；Prevost(1982)[41]使用空间描述有限元分析，对一维大应变和小应变固结最终沉降进行比较；周正明(1992)[42]基于线弹性假定，采用物质描述的有限元法，在小应变基础上，增加大应变分析模块，得到两种理论的沉降结果和应力分布，初步分析了大变形的影响；朱昊等(1990)[43]描述了拖带坐标下对饱和土的大变形固结行为，证明能量变分原理和广义变分原理，但在该坐标系下难以引入边界条件和初始条件；Chopra和Dagush(1992)[40]采用修正的Lagrangian有限元法，得到大小应变固结情况地表沉降及平均固结度的发展规律；谢永利(1993，1994)[45][46]等最初分别以空间描述和物质描述方式分析饱和软土的一维大变形固结行为，推出了线弹性假定前提下基于空间构形和物质构形的一维大变形固结微分方程，后从连续介质力学的基本原理出发，采用物质描述方法，建立了饱和土体三维大变形固结理论及完全拉格朗日表述(简称T.L.表述)的增量有限元法，并对非线性增量有限元固结方程的求解进行了研究。然而，对于软土在排水体作用下的固结，由于改变了排水边界条件，使得其固结特性与自重固结有很大不同。如果能了解排水体布置位置及间距对渗压固结加固效果的影响，对于该方法的实际应用将是非常有意义的。这可以通过现场试验来实现，但需要大量的人力、物力、财力。而对于有限元来讲，虽然不能得到现场精确的解，但是通过边界、荷载等条件的精确界定，可以得到不同条件下各参数的变化趋势。同时，由于其易于重复特性，对于不同边界及加载条件的模拟显得更为方便。李丽慧等人(2002)[47]通过对立体真空降水法加固吹填土的数值模拟发现，对于同一厚度的土层，布置双层排水板的加固效果明显优于只在底部布置排水管的情况。而对于第二层排水板的布置位置，李丽慧通过数值模拟指出，第二层排水板布置于不同位置对加固效果的影响是不同的，如图1.6所示。对于8m的吹填厚度，第二层排水板的最佳位置为5.6m，即其下层与上层的厚度比为5.6:2.4，在该位置布置第二层排水板，使整个土层所需的加固时间最短。李丽慧的研究与汤茗辉等(1992)[48]对冲填大坝的现场实验相吻合。汤茗辉通过现场试验发现，排水板在冲填体中的垂直排渗影响范围只有5-6m，因此设计排水板层高时，最大不能超过5-6m；排水板对大于6m以上的冲填体基本不起排渗作用，主要是因排水管以上5-6m泥浆首先脱水固结至一定程度，密度加大，渗透系数变小，形成了一层新的弱透水基础，再在该层上冲填时，上部泥浆脱水固结的边界条件类似于不透水坝基。图1.6第二层排水垫层与土层固结时间关系曲线Kim等人(1995)[49]，Lee等人(2001)[50]在Mikasa(1963)[51]固结理论基础上对安装了水平排水板的吹填粘土进行了数值分析。而Y.S.Jang等人(2003)[52]在Gibson(1981)[53]研究基础上，用数值分析方法预测水平排水板处理过的软土在自重应力作用下的固结特性。其通过研究发现：要使固结度达到95%，水平排水固结所用的时间比自重固结快9倍。而最终的沉降量比自重固结大3倍，如图1.7。这说明水平排水板通过水平向的消散超孔隙水压力，是加速软粘土固结的有效方法。而对于自重固结其孔隙比随时间不断减小，但底部减小更快。（1）水平排水板侧向间距分别为0.3m,0.5m,1.0m,2.0m对渗压固结的加固效果影响的模拟可知，排水管间距越小，粘土固结越快。然而，排水管间距为0.3m与0.5m两种情况下，其固结过程并没有多大差别。可以认为在这种情况下排水管间距为0.5m最为适宜。（2）通过在不同深度安装排水板时土体孔隙比在固结过程中变化的模拟，Y.S.Jang发现，当排水板安装于底部时，由于渗透力的增加，在初始固结阶段，靠近排水板处的孔隙比快速减小，而孔隙比的初始减小导致固结过程加速，如图1.8。因此，当排水板安装在更底部时，可以减少固结时间。图1.7自重固结与水平排水固结沉降曲线（3）对相同厚度的土体进行固结处理，布置多层排水板比单层排水板加固效果要好。随着排水板层数的增加，土体的总沉降及沉降速率也增大。同时，数值模拟还发现，在排水板数量相同的情况下，增加排水板的层数比减小排水板侧向间距而产生的加固效果更好。1.3作为竖向排水板法处理软弱土体的创新使用，当今对于水平排水板法的研究还不是很多，对于水平排水板使用中的优缺点了解也不够深入，而水平排水板作为竖向排水板的良好补充，具有其自身的特点，在本文中将对其进行一些有意义的讨论。图1.8孔隙比随排水板不同安装深度的变化1.4本文研究的目标和内容1.4.1研究目标针对厦门环东海域吹填海淤含砂量较大的特点，本文提出了水平分层排水固结加固措施。本文将通过理论研究、室内模型实验及有限元分析等手段，对含水平排水板吹填海淤固结的加固机理及加固效果进行了较为详细的研究，推导出其超孔隙水压力和固结度的解析解，利用有限元软件深入分析含水平排水板的的吹填海淤固结的主要影响因素，建立实际工程有限元分析模型，并与竖向排水板法加固进行效果对比。1.4.2研究内容调查研究已有文献关于竖向排水板处理软弱土体固结机理的研究成果，了解其固结的内在机理，掌握固结过程中各主要参数的变化规律,了解含水平排水体吹填海淤土体的固结规律，并推导相关过程，得到含水平排水吹填海淤的固结理论解。通过PLAXIS有限元程序模拟固结理论解中相关土体单元模型，并与固结理论解的结果进行对比分析。利用建立的吹填海淤水平排水渗压固结数值计算模型，讨论水平排水管以下条件变化下超孔隙水压力及沉降等参数的变化：水平排水板埋设深度、水平排水板埋设间距、涂抹扰动土层厚度及土体渗透性，探求排水管布置方式的不同对加固效果的影响，寻求渗压固结过程中排水管的