复杂条件下饱和软土地基的一维固结分析

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本文出于对现实复杂状况的考虑,综合考虑了排水边界条件、自重应力、可变荷载以及土体非线性四者耦合效应对软土固结特性的影响,引入变荷载下连续排水边界条件,分别采用Crank-Nicolson有限差分法进行迭代计算,通过matlab软件编程,得到孔压的解答,并通过将解答退化与现有文献进行对比,验证了本文数值解答的可靠性,其次分析了线性加载、简谐荷载、边界参数、压缩指数、渗透指数、计算深度、对成层地基一维固结的影响。最后本文还在经典太沙基(Terzaghi)一维固结理论的基础上,基于e-lgp以及e-lgk模型,推导出正常固结下固结系数cv关于固结应力的函数表达式。通过该函数,可为本文数值分析的准确性提供了保证,对土体固结有大致的预测,并结合前文得到的固结计算方法进行进一步分析。得到了以下结论:(1)土层不同深处位置处的孔压受到边界参数影响的程度也不同,越靠近边界位置处的孔压,受到边界参数大小的影响越大,即对排水条件的敏感度越高;越远离这一侧边界位置处的孔压,受到这一侧边界参数大小的影响越小,即对排水条件的敏感度越低。排水参数越大,孔压消散越快,有效应力增加越快;可以发现随着排水参数c的减小,孔压消散的越慢,意味着排水越困难。(2)线性加载的形式可以避免的土中孔压的过大,随着排水参数的增大,加载阶段结束时,孔压能够达到的最大值越小。(3)简谐荷载作用下,孔压的消散与荷载的变化密切相关,由于需要孔隙内部达到平衡状态,因此会导致出负孔压现象,即孔压小于零的情况,因此循环荷载会给地基的排水固结带来一定的困难。(4)不同的固结度计算方式(有效应力/沉降),根据考虑的因素不同,不仅计算结果会有所差异,甚至孔压发展的趋势也会有所不同。因此在实际情况中,需要我们们更好地理解公式的定义,不能简单地拿沉降定义的固结度去计算。作者认为在更加需要考虑土体的非线性变化时,采用沉降定义的固结度去计算沉降会更加合理,因为有效应力的固结度没有考虑土体本身性质变化。(5)自重应力会对固结发生影响,本章考虑了在自重应力作用下土体的初始固结状态(初始固结应力)随深度方向的非线性变化对土体固结的影响,可以发现随着C c/Ck增大,土层内孔压的峰值越大,意味着土体越不易固结;除此之外,与不考虑自重应力影响的固结对比,发现随着C c/Ck增大,土层内孔压的峰值会发生向下的偏移,笔者认为这是由于下层渗透系数小,不易排水所导致孔压峰值向下偏移。(6)可以发现,是否考虑土体非线性的两者孔压计算结果,有明显的差异。笔者认为这是由于,土体在固结过程中,渗透系数与压缩模量共同变化,所导致的影响结果。(7)土体在固结过程中,渗透系数与压缩模量共同变化,使固结系数发生变化。在Cc/Ck分别为0.5~1.0的条件下,可以发现随着Cc/Ck变化,固结系数随应力变化的发展趋势,在Cc/Ck达到一定值时会呈现截然相反的发展趋势。本文出于对现实复杂状况的考虑,对软土的固结相关问题进行分析并取得了一定的进展,修正后一维固结方程更吻合工程实际,旨为精确预测地基固结及后续的相关研究提供更进一步的认识和思考。
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