连续排水边界下地基固结的有限元分析

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随着社会中地铁、隧道的不断建设以及软基处理技术的发展,工程师对地基的固结沉降预测和软基的快速固结提出越来越高的要求。然而,计算地基沉降所用的固结理论一般都是针对透水与不透水这两种极端的边界条件,但实际工程中土层的边界条件可能存在介于透水与不透水之间的不同透水程度的边界条件。连续排水边界可以较好的弥补这一缺陷。本研究结合自主开发的连续排水边界子程序,并在Terzaghi一维固结理论基础上,利用ABAQUS有限元分析平台对连续排水边界下的地基固结问题进行研究。主要工作和计算成果可归纳如下:  (1)将本文计算结果分别与单层地基经典的Trzaghi一维固结理论和连续排水边界下Terzaghi一维固结解析解以及双层地基一维固结解析解进行对比分析,初步验证了计算结果的正确性。针对实际工程中常见的成层地基,采用变化弹性模量、渗透系数和泊松比的方法对连续排水边界下成层地基一维固结问题进行数值模拟,从分析结果中可以看出,连续排水边界能良好地模拟接近实际的工程工况,并模拟实际土层从透水到不透水的不同透水性边界的排水特性。  (2)在Terzaghi一维固结理论的基础上,结合连续排水边界给出了连续排水边界下不排水对称面一维固结的解析解答。对不排水对称面位置变化的影响因素进行了研究,并将该数值分析方法引入饱和软黏土中不同深度设置排水砂层进行比较。结果表明在不排水对称面位置处设置排水砂层时土体的固结速度是最快的。连续排水边界的引入有利于确定不排水对称面的位置,所得的结论和文中的有限元分析过程对促进固结理论的发展具有重要的实际价值和意义。  (3)对考虑土体自重下Terzaghi一维固结的数值解和解析解进行对比,并分析比较不同排水时间的变化对不排水对称面的影响,进而讨论考虑土体自重下在Terzaghi的双面和单面排水中设置最佳排水砂层的位置。  (4)在Terzaghi一维固结理论的基础上,结合连续排水边界,推导了连续排水边界下考虑土体自重的一维固结不排水对称面的解析解答。基于ABAQUS有限元软件开发了考虑土体自重的连续排水边界子程序,将计算结果与所推导的解析解进行对比,验证了该计算方法及其边界子程序的正确性。通过分析土体在自重作用下不排水对称面的影响因素,并与未考虑土体自重下的情况进行了对比,得到了不排水对称面的变化规律。最后将该数值分析方法引入饱和软黏土中不同深度设置排水砂层进行比较,结果表明考虑土体自重情况下在不排水对称面大部分时间移动的区间内设置排水砂层是较为合理的。  (5)将连续排水边界下二维数值模拟结果退化为Biot二维固结理论中的排水和不排水边界,并与相应的解析解进行对比分析,以验证二维连续排水边界子程序的正确性,同时分析了不同边界参数下的孔压影响范围以及土体各参数包括弹性模量、渗透系数、泊松比对二维土体固结的影响。  (6)将连续排水边界下三维数值模拟结果退化为Biot三维固结理论中的排水和不排水边界,与相应的解析解进行对比分析验证了三维子程序的正确性,并对一维、二维以及三维情况下的孔压影响范围进行对比,最后对三维情况下土体各参数进行分析。  (7)对珠江三角洲冲积平原区中一个软基路堤堆载预压的工程实例进行有限元模拟,利用连续排水边界对实际工程计算中所使用的透水和不透水边界条件进行修正,从而反演得到边界参数值,并将计算结果与实际工况下的实测数据进行对比,从而验证连续排水边界理论在实际工程当中的适用性。
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