低频循环荷载下的竖井地基固结理论

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为了满足人类日益增长的资源需求,软土地区各类仓储设施的建造数量不断增加,仓储设施在使用时往往会经历重复地加载-卸载过程,该类低频循环荷载长期作用易造成软土地基变形大和沉降时间长的问题,从而导致失稳破坏的安全隐患。因此,部分设施会在建造前,预先在地基内布置竖井,在设施建成后通过充水或其它方式对地基进行预压,以加速地基固结沉降,提高地基承载性能,在仓储设施使用阶段,可以将实际工况近似为低频循环荷载作用下的竖井地基固结。针对仓储设施的使用阶段,本文建立相应的固结模型并推求解析解,分析不同固结参数对竖井地基固结的影响。论文主要内容和结论如下:(1)在考虑恒载的半正矢、三角形和正弦低频循环荷载作用条件下,建立了理想井地基非线性径向固结模型,给出了对应的固结微分方程,通过对方程中的加荷速率进行傅里叶展开,再运用分离变量法求解微分方程,得到了相应的解析解。通过对所得解进行退化并与已有解进行比较,验证了本文解析解的正确性。分析表明土体压缩指数与渗透指数的比值(Cc/Ck)和无量纲时间因子(T0)对平均固结度的大小无明显影响,主要影响固结速率,低频循环荷载下竖井地基的超静孔隙水压力随时间因子呈现波动变化,无法完全消散。(2)在理想井地基非线性径向固结模型基础上,考虑常井阻和径向渗透系数变化,构建了对应的竖井地基非线性径向固结模型,给出了对应的固结微分方程,通过对方程中的加荷速率进行傅里叶展开,再运用分离变量法求解微分方程,得到了对应的解析解。通过退化并与已有解对比,验证了所求解析解的正确性。分析表明Cc/Ck、径向渗透系数变化模式、T0和竖井渗透系数(kw/kh0)变化对平均固结度的大小无明显影响,主要影响固结速率。荷载加载参数α和间歇期参数β越小对应的平均固结度越大,由于考虑了井阻作用,固结速率降低,稳定状态时平均固结度的波动变小。不同类型荷载下竖井地基沉降差别较大,超静孔隙水压力随T0呈现波动特征且无法完全消散。通过案例验证并预测仓储设施在使用阶段的产生的沉降。(3)在考虑井阻和径向渗透系数变化的竖井地基固结模型基础上,建立了考虑土体径向和竖向渗流的竖井地基非线性固结模型并给出相应微分方程,通过对方程中的加荷速率进行傅里叶展开,运用分离变量法求解得到了相应的解析解。通过对所得解进行退化并与已有解进行比较,验证了所求解析解的正确性。分析表明Cc/Ckh,土体压缩指数与竖向渗透指数的比值(Cc/Ckv)、径向渗透系数变化模式、T0和kw/kh0的变化均对平均固结度的大小无明显影响,主要影响固结速率。荷载加载参数α和间歇期参数β越小对应的平均固结度越大,由于考虑了土体的竖向渗流,土体的固结速率提高,不同类型荷载下竖井地基沉降有较大区别,超静孔隙水压力随时间因子呈现波动变化,无法完全消散。通过案例,验证理论分析的合理性,并预测仓储设施在使用阶段的产生的沉降。
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