豎井地基固結(jié)解析理論與有限元分析.pdf

1、在含水量高、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低的軟土地基上設(shè)置豎井并結(jié)合堆載或真空負(fù)壓，能加速地基排水固結(jié)、提高土體強(qiáng)度、減少構(gòu)筑物工后沉降和差異沉降。該技術(shù)施工簡便、效果可靠且造價低廉，已在公路、鐵路、港口、機(jī)場等大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中廣泛應(yīng)用。為了合理預(yù)測豎井地基的固結(jié)發(fā)展，學(xué)者們在豎井固結(jié)解析解和數(shù)值解方面開展了大量研究且已取得大量成果。但同時應(yīng)看到，目前各種計算方法得到的理論預(yù)測值與實測值還有一定差距，對可能的工后沉降和沉降差預(yù)測不準(zhǔn)。另外，近些

2、年來出現(xiàn)的豎井處理深度加大和工期要求加緊等情況，均給豎井地基的設(shè)計計算方法提出了挑戰(zhàn)。為此，本文從解析理論和有限元法兩方面開展了豎井地基固結(jié)問題的研究。
　　 (1)首先對以往研究成果從理論方法和參數(shù)取值兩方面進(jìn)行了綜述，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：目前被國內(nèi)外廣泛接受的單井地基徑向固結(jié)度簡化計算公式均可表述為一個統(tǒng)一的公式，不同方法在涂抹效應(yīng)和井阻效應(yīng)的考慮上略有差異；單井固結(jié)理論近些年的新進(jìn)展主要包括非線性理論、非達(dá)西滲流理論、考慮涂抹區(qū)滲透

3、性漸變理論以及針對真空預(yù)壓法的固結(jié)理論等；豎井地基固結(jié)分析參數(shù)取值方面已經(jīng)開展了大量研究，但得到的參數(shù)取值范圍較大，這將給計算結(jié)果的可靠性帶來影響。
　　 (2)通過對現(xiàn)有塑料排水板通水量特性研究進(jìn)行綜述發(fā)現(xiàn)，排水板通水量一方面隨側(cè)向壓力增大而減小，另一方面在地基固結(jié)過程中會因為排水板的彎折和淤積堵塞等影響而逐漸減小?；谶@一認(rèn)識，假定通水量隨地基深度線性減小、隨時間呈指數(shù)函數(shù)減小，獲得了描述井阻空間屬性和時間屬性的變井阻效應(yīng)數(shù)

4、學(xué)模型。然后，仿效Hansbo和謝康和豎井固結(jié)經(jīng)典理論推導(dǎo)方法，建立了瞬時加荷條件下考慮變井阻效應(yīng)的固結(jié)理論。計算分析表明：相對于采用短期通水量恒定值進(jìn)行計算的豎井固結(jié)理論，變井阻固結(jié)理論得到的固結(jié)速率減緩；當(dāng)考慮通水量隨地基深度減小時，地基深部土層的超靜孔壓消散變得更加緩慢；當(dāng)豎井滲透性減小到與井周土體相當(dāng)，此時豎井不再起排水通道作用，徑向固結(jié)將停止。另外，將變井阻固結(jié)理論應(yīng)用于室內(nèi)大型模型試驗和工程實例分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)變井阻理論模擬的

5、結(jié)果較傳統(tǒng)理論預(yù)測結(jié)果與實際情況更為接近。
　　 (3)通過引入Hansbo非達(dá)西滲流假定和變滲透系數(shù)假定，得到滲流雙重非線性模型。然后，在Biot固結(jié)理論研究基礎(chǔ)上，應(yīng)用加權(quán)殘數(shù)法推導(dǎo)了考慮該模型的有限元方程，并自編了相應(yīng)的計算程序。通過開展參數(shù)影響分析得到：考慮滲透系數(shù)隨時間減小后，地基固結(jié)速率減緩趨勢明顯；增大非達(dá)西滲流參數(shù)m或i1，固結(jié)發(fā)展速率減緩，但該影響在10％以內(nèi)；考慮非達(dá)西滲流后，地基固結(jié)速率隨荷載減小而減緩。<

6、br>　　 (4)進(jìn)一步引入土體分段線性e-lgp模型，得到了土體壓縮非線性和滲流雙重非線性模型。然后，結(jié)合寧波土樣固結(jié)滲流聯(lián)合測試試驗，介紹了該模型的參數(shù)獲取過程。在給出相應(yīng)的控制方程和有限元方程基礎(chǔ)之上，詳細(xì)闡述了非線性有限元法編程實現(xiàn)過程。最后，通過算例驗證了程序的可靠性，并對考慮土體多重非線性模型時豎井地基的固結(jié)性狀進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析，獲得了一些有益認(rèn)識。
　　 (5)對目前廣泛應(yīng)用的豎井地基平面應(yīng)變二維等效方法進(jìn)行

7、了評述。然后，以成層土豎井地基算例和未打穿豎井地基算例對六種二維等效方法進(jìn)行了考量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：地基土成層性對二維等效方法計算結(jié)果的可靠性有較顯著影響，而豎井未打穿情況的影響不明顯；在本文算例參數(shù)取值情況下，各種方法的誤差情況差別較大，Chai(2001)方法和Tran(2008)方法得到的結(jié)果相對可靠。此外，基于等效豎向滲透系數(shù)思想，建立了以單元體流量等效的一維變形、一維滲流簡化分析方法。通過算例檢驗發(fā)現(xiàn)，該法計算效率大大提高，但相比于

8、Chai法計算精度并未改善，且計算過程相對復(fù)雜。
　　 (6)考慮到豎井地基三維有限元分析計算量大、前處理困難，提出了將井與涂抹區(qū)在地基橫截面內(nèi)劃分為一個網(wǎng)格的復(fù)合單元法。復(fù)合單元的未知場由10結(jié)點單元和線性插值函數(shù)來刻畫。復(fù)合單元內(nèi)部全局坐標(biāo)結(jié)點自由度和局部坐標(biāo)結(jié)點自由度之間的聯(lián)系則通過引入經(jīng)典單井固結(jié)解析理論得到建立。之后，基于加權(quán)殘數(shù)法詳細(xì)推導(dǎo)了復(fù)合單元法有限元方程，并編制了相應(yīng)的計算程序。通過對單井地基和群井地基算例進(jìn)行

9、驗證分析，發(fā)現(xiàn)復(fù)合單元法計算精度較高、計算效率也有所改善。
　　 (7)基于大型商業(yè)軟件和自編程序開展了某電廠海堤下豎井地基固結(jié)發(fā)展過程的數(shù)值模擬。分析過程中，采用Chai(2001)二維等效方法和平面應(yīng)變空間滲流分析方法分別進(jìn)行了計算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：兩種數(shù)值方法模擬得到的地基變形發(fā)展規(guī)律近似一致；后者考慮空間滲流得到的沉降略大、側(cè)向位移略?。粌煞N方法的孔壓預(yù)測結(jié)果差異較為明顯。數(shù)值模擬結(jié)果還表明：海堤下軟土地基經(jīng)過塑料排水板處理后