交通荷载作用下横观各向同性饱和地基固结分析

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近年来,我国的高速公路和铁路建设得到了迅速发展,其中大部分的高速公路、铁路都建设在经济发展十分快的东部沿海地区和湖泊地区。因此,交通荷载作用下软粘土的固结问题在岩土工程界就显得尤其重要。许多学者对循环交通荷载下土体的一维固结问题做了深入的研究,然而土是一种流固耦合两相介质,将土体固结问题视为三维固结更为合理。本文基于Biot固结模型,分析交通工具运行过程中产生的竖向和切向荷载对软土地基长期沉降的影响。主要采用求解解析解和有限元的方法研究在不同竖向荷载与切向荷载共同作用下单层和成层横观各向同性地基的固结问题。首先,在竖向荷载和切向荷载共同作用下,求解了横观各向同性土体下卧基岩的Biot固结问题。基于Biot固结理论得到控制方程,同时引入三个状态变量,然后,对时间t进行Laplace变换和对半径r进行Hankel变换,利用Laplace-Hankel联合积分变换求解状态方程,得到交通荷载作用下横观各向同性土骨架位移、孔隙水压力等的一般积分形式解。结合算例验证了该方法的正确性,并分析了切向荷载和竖向荷载共同作用下对横观各向同性土层沉降和孔压的影响,可以发现切向荷载和竖向荷载共同作用所产生的前期沉降明显小于竖向荷载单独作用的情况。为了更好的模拟实际情况,竖向荷载还采用正弦循环荷载。在循环荷载作用下,沉降变化周期滞后于荷载周期。其次,通过应用有限元分析软件ABAQUS来分析单层横观各向同性土体的固结问题。先对ABAQUS的解与文献得到的结果进行了拟合,然后分别使用弹性模型和剑桥模型进行分析,主要对比在竖向荷载和切向荷载共同作用下,各类排水边界条件不同时横观各向同性和各向同性土体的孔压和沉降的差异。荷载形式主要采用竖向荷载和切向荷载相结合的方式,竖向荷载为恒载或者分级加载的形式。最后,通过应用有限元分析软件ABAQUS来分析多层横观各向同性土体的固结和沉降问题。在单层模型的基础上,假设土体分为四层,分别使用弹性模型和剑桥模型来进行分析,主要研究四层土体在土体参数不同的情况下,有切向荷载和没有切向荷载对软土固结影响情况的对比,并将四层土体的沉降和孔压情况与单层土体进行比较。荷载形式主要采用竖向荷载和切向荷载相结合的方式,竖向荷载为恒载或者分级加载的形式。
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