基于非达西渗流和分数阶黏弹性模型的饱和黏土固结分析

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在我国东南沿海以及内陆湖泊地区存在着大量的软黏土地基,由于此类地基渗透性低,就使得其变形持续时间往往较长,同时又具有明显的流变性,因此软土地区的地基沉降的预测及处理就成了工程设计中的主要问题。软黏土固结具有明显的流变特性和渗流非线性,而传统的固结理论为便于实用应用时大多忽略了上述非线性特性,实际上这也是其预测值与实际常存在较大差异的重要原因。因此,探究饱和软黏土的黏弹性固结规律,为软土地基的长期沉降预测及处理提供更为合理的理论指导具有重要意义。本文从试验和理论两部分着手,进一步揭示饱和黏性土固结机理,主要的工作和结论如下:
  (1)对周口某地重塑饱和黏性土进行了渗流试验和固结试验,结果表明非牛顿指数渗流模型和分数阶Merchant模型分别可以很好地描述此类土中的渗流规律以及黏弹性变形特性。
  (2)引入非牛顿指数渗流模型代替达西渗流模型,分数阶Merchant模型描述土骨架的黏弹性变形,承认太沙基固结理论的其他假定,重新推导了一维固结方程和砂井固结方程,并和已有的文献结果的对比验证了理论算法的合理性。
  (3)对一维固结方程的参数分析表明,沉降定义的固结度SU始终小于孔压定义的固结度PU,即地基的沉降发展始终滞后于超孔隙水压的整体消散,且这种地基沉降发展滞后现象随分数阶次?减小或粘滞系数V增大逐渐明显,即随着土体粘滞性的发展这种滞后现象越来越明显,且考虑渗流的非达西特性会延缓固结的进程。
  (4)对双层地基固结方程的参数分析表明,靠近透水面层中模型参数对固结速率的影响往往起到决定性作用。另外,在其它参数不变的情况下,随着相对渗透性高或相对压缩性小的土层厚度的增加,土层的固结速率都加快。
  (5)对理想砂井地基黏弹性固结问题进行的分析研究结果表明,与仅考虑径向渗流固结相比,同时考虑径竖向渗流作用时的固结相对较快。但对于较厚砂井地基土层,在固结的中后期,可以忽略竖向渗流,而主要考虑径向渗流的影响。非牛顿指数I0越大,对地基孔压消散及径向平均固结速率的延缓现象越明显,分数阶Merchant模型参数对砂井地基的固结进程的影响规律也与一维固结理论较为相似。
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