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土体的固结对土体的应力、变形、强度和稳定性产生重要的影响,成为岩土工程中最基本的研究课题之一。Biot固结理论克服了Terzaghi固结理论中变形与渗流不协调的缺陷,可合理地反映土体固结对应力、变形、强度和稳定性影响。条形基础和筏形基础在工程中有着广泛的应用,许多工程结构物和构筑物都采用这一基础形式。因此,探讨条形和筏形基础下地基的Biot固结规律,对分析基础沉降和结构变形以及地基土强度增长等问题,都有着重大的理论和实际意义。
本文在前人研究的基础上,利用有限元数值方法计算分析了条形和筏形基础下地基的Biot固结性状,根据计算结果比较分析了Biot和Terzaghi两种理论所体现的不同的土体固结机制以及各自的固结规律。文中首先回顾了Biot固结理论的研究进展,推导了Biot固结控制方程,归纳了Biot固结理论有限元的数值计算程式,通过经典算例验证了Adina有限元程序计算Biot固结问题的正确性;利用该程序对单层均质的各向同性和各向异性地基作二维Biot固结分析,并将其计算结果与太沙基固结解作一简单对比,详细解释了Biot固结理论产生的曼德尔效应的物理机制。其次,对渗透性和压缩性不同的双层地基的Biot固结进行了数值计算,根据计算结果分析了地基固结性状,深入讨论了土层排列、渗透系数、固结系数等物理参数对地基固结的影响,并得出了地基固结简化计算方法及其适用范围。第三,对地基一基础一上部结构的共同作用效应进行了有限元分析,深入讨论了砂垫层和基础及上部结构的刚度对地基固结规律的影响,并分析了共同作用对土体固结影响的机制。最后,通过三维地基Biot有限元分析,讨论了地基固结的空间效应,并绘制出地基Biot固结的一系列计算曲线,阐明了这些计算曲线在工程设计中的应用。
通过本文的研究分析,对地基的Biot固结物理机制提出了一些新见解,分析了二维、三维层状地基及地基一基础一上部结构体系的地基的固结性状和规律,给出了一系列的计算分析结果,得出了一些新结论,并绘制出一系列可供直接使用的计算图表。本文的研究成果对地基加固和基础设计与施工具有一定理论指导意义和应用价值。