软土地基与上卧结构的粘弹塑性分析及其工程应用

论文摘要

我国沿海地区广泛分布着高压缩性、高含水量、低强度的饱和软土地层，由于这类地层所具有的特有不良地质属性，使在这类地基上修建大型结构工程面临诸多难题，其较典型的有饱和软基的加固处理、地基长期变形的预测与控制、工程建设场区内地下水位的控制、主体结构及其附属或配套设施的维护等等。导致以上众多问题的根本原因，是由于饱和软土地基本身所具有的显著弹塑性和流变性而引起的。因此，对软基及其上结构物性能时效变化的研究显得十分重要。论文通过研究围海促淤场区地基长期变形的时效特性和软基上结构物的工后内力(弯矩)变化，以期为饱和软土地基上大型工程(为浦东国际机场二期跑道、深圳西部通道滨海区联通道等)的建设和施工提供必要的理论支持与技术保障。 论文以弹性BIOT固结理论为基础，进行了必要的拓展，建立了考虑软基流变特性和地下水渗流场多场耦合作用的基本模型，紧密围绕饱和软基在大面积堆载预压并辅助排水条件下的工程实践，运用数值模拟方法，以浦东国际机场二期跑道为工程依托，通过自主编制的饱和软基粘弹塑性三维有限元分析程序，较深入系统地研究了地基在堆载预压期间不同计算模型条件下地基的变形过程，以及工程运营后的工后长期沉降／差异沉降随时间的增长变化，并结合地基长期变形规律，探索性地模拟分析了软基上跑道基层结构物长期工后附加弯矩值的变化。 在饱和软土地基变形分析中，分别模拟了不同地质条件下地基沉降变化规律、地层内孔压分布规律，得到了沉降和孔压值相应的历时变化曲线，反映了场区所经不同地层地基变形的时空特性。更且，还比分析了BIOT固结、考虑流变的BlOT固结以及考虑地下水渗流场作用的流变—固结过程作用下的软基沉降；孔压随时间、空间的分布变化；明确了在以上不同过程作用下地基沉降

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 国内外研究现状
• 1.1.1 饱和软土地基BIOT固结研究现状
• 1.1.2 软土流变固结理论研究现状
• 1.1.3 横观各向同性土体研究现状
• 1.1.4 地下水渗流场与土体固结耦合研究现状
• 1.1.5 结构物纵向变形研究现状
• 1.2 论文研究的内容及其创意性
• 第2章 横观各向同性饱和软土的流变固结理论及其有限元解析
• 2.1 饱和软土的BIOT固结理论
• 2.1.1 土体BIOT固结控制方程的建立
• 2.1.2 饱和软土三维BIOT固结问题的边界条件
• 2.2 饱和软土流变模型理论
• 2.2.1 线性粘弹塑性模型理论
• 2.2.2 复合流变模型及其本构方程
• 2.3 饱和软土线性流变的本构关系
• 2.3.1 饱和土体线性流变的组成及其增量表示
• 2.3.2 时间步长的选择和收敛标准
• 2.4 饱和软土粘弹塑性BIOT固结有限元方程
• 2.4.1 饱和岩土介质BIOT固结有限元方程
• 2.4.2 粘弹塑性介质的BIOT固结有限元方程
• 2.5 地下水渗流场和应力场耦合问题的有限元解析
• 2.5.1 饱和岩土介质二维非稳定渗流的连续性方程
• 2.5.2 饱和岩土介质二维非稳定渗流的连续性方程的空间离散
• 2.5.3 饱和岩土介质三维非稳定渗流连续性方程的时域离散化
• 2.5.4 渗流自由面的处理
• 2.5.5 降水附加荷载计算
• 2.5.6 流场与应力场耦合有限元方程
• 2.6 饱和软土流变—固结耦合作用有限元程序设计
• 2.6.1 程序的主要功能
• 2.6.2 程序结构
• 2.6.3 三维稳定渗流场自由面流模块程序流程图
• 2.6.4 粘弹塑性流变模块流程图
• 第3章 土体—结构相互作用理论
• 3.1 常用的地基模型
• 3.1.1 Winkler模型
• 3.1.2 半无限平面体地基模型
• 3.1.3 半无限空间体地基模型
• 3.1.4 粘弹性地基模型
• 3.1.5 横观各向同性饱和弹性半空间地基模型
• 3.2 土与结构相互作用问题的提出与求解方法
• 3.2.1 土—结构相互作用问题的提出
• 3.2.2 土—结构相互作用问题的求解方法
• 3.3 弹性地基上的板
• 3.3.1 弹性地基上板的基本微分方程
• 3.3.2 弹性地基上板的边界条件
• 3.3.3 弹性地基上板的内力
• 3.3.4 弹性地基上板的有限元方程
• 3.4 半无限体弹性地基梁
• 第4章 饱和软土地基变形数值模拟
• 4.1 工程计算实例概况
• 4.1.1 场区的地质情况
• 4.1.2 场区堆载预压施工概况
• 4.2 地基堆载预压有限元分析
• 4.2.1 计算域的确定
• 4.2.2 边界条件的确定
• 4.2.3 计算域单元划分
• 4.2.4 计算时段划分
• 4.2.5 计算荷载的施加
• 4.2.6 有限元计算参数选取
• 4.3 有限元计算结果分析
• 4.3.1 弹性BIOT固结分析
• 4.3.2 考虑流变作用时的地基变形特性
• 4.3.3 考虑渗流场影响的地基变形特性
• 4.3.4 计算结果与实测结果对比分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 考虑地基流变—固结效应的浦东国际机场二期跑道结构层梁／板数值分析
• 5.1 不考虑流变—固结效应的弹性地基梁法
• 5.2 考虑流变作用的弹性地基板数值分析
• 5.2.1 饱和软弱地基差异沉降变形
• 5.2.2 考虑流变作用的粘弹塑性地基上梁／板变形数值分析
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论和展望
• 6.1 研究成果和主要结论
• 6.2 进一步研究方向
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果