软土地基--维固结理论改进算法及应用研究

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Biot固结理论严格依据弹塑性体的体变变形等于渗透流量建立计算公式,具有理论严密计算精度高等优点,但必须借助有限元软件计算,给工程技术人员使用带来困难。太沙基一维固结理论虽做了很多假设,但具有计算方法简便,更容易被工程技术人员所接受。但是,传统的太沙基一维固结理论假定土体固结过程中的孔隙比、渗透系数为常数,在工程应用中其计算结果往往与实测值有较大出入。本文目的是研究太沙基一维固结理论的改进算法,并开发便于工程技术人员使用的计算软件。
  本文建立了不同初始固结状态下,土体固结过程中孔隙比和渗透系数的计算公式,并将其引入到土体固结公式中,对传统太沙基一维固结方程中的固结系数进行了修正,并以修正后的固结系数计算公式为基础,进一步改进了传统太沙基一维固结方程。开发了本文新建的太沙基一维固结方程改进算法的界面程序,通过自编程序的计算结果与传统理论计算结果的比较,验证了改进算法的可靠性。借助ABAQUS有限元软件建立数值计算模型,进行计算,将得到的结果与本文自编程序的计算结果进行对比,进一步验证了本文新建的太沙基一维固结方程改进算法的合理性。最后,将本文固结方程改进算法和计算软件应用于开阳高速公路改扩建工程实际计算中,并将计算结果与实测数据对比,两者的变化规律一致,计算结果合理。
  主要工作及成果如下:
  (1)根据土体初始固结状态的不同,推导了孔隙比随土体固结过程而变化的解析计算公式,并将其引入到达西渗透系数经验公式及柯森-卡门渗透系数经验公式中,得到了能够考虑不同固结状态及固结应力影响的渗透系数预测公式。将以上建立的能够考虑固结状态及固结应力影响的孔隙比、渗透系数计算公式代入固结系数公式,进一步对传统太沙基一维固结方程进行改进,最后得到了可以考虑土体不同固结状态影响,且同时考虑了孔隙比和渗透系数随固结过程变化的太沙基一维固结方程改进算法。
  (2)借助Visual Studio软件编写了一款简单的界面程序,将传统太沙基一维固结方程及本文改进的一维固结方程同时编入了程序之中,便于工程技术人员使用。通过一个简单的算例对比分析了改进前后理论在改变固结应力以及考虑不同固结状态时的计算结果差异。发现改进理论由于考虑了土体固结过程的压密及孔隙比的压缩作用,固结计算结果总是滞后于传统理论的计算结果,且随着上覆荷载的增加,固结过程中压缩掉的孔隙也在增加,二者之间的差值也明显增加。
  (3)借助ABAQUS有限元软件,采用与自编程序算例相同的基本参数进行有限元计算,并且将得到的计算结果与自编程序算例所得到的计算结果进行对比,分析了Biot固结理论与传统太沙基一维固结理论以及本文改进后的一维固结理论的计算结果,对比发现Biot固结理论计算结果与本文理论分析得到的结论的十分一致,以此进一步验证了改进理论的可靠性。
  (4)分别使用传统的太沙基一维固结理论与本文改进后的一维固结理论,对开阳高速公路改扩建项目的路基工程,采用实测物理力学参数进行计算,将结果与开阳项目实测资料中的沉降值进行对比,发现本文改进理论的计算结果与传统理论计算结果相比较更接近于实际观测值,验证了改进理论的可靠性。
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