饱和软土复杂非线性大变形固结特性及应用研究

论文摘要

大变形固结问题因要考虑几何非线性、材料非线性和渗流非线性,其求解十分复杂。其解析解一般都是在某些假定条件下得出,这些假定很多时候会影响到对固结本质的理解,随着技术的发展以及对理论更深层次认识的需要,对其研究也在逐渐加深。本文在前人大量试验成果的基础上,考虑各种复杂非线性的影响,对大变形固结理论进行了解析与数值分析,并对固结方程中的不同参数进行了讨论。同时本文借助于大型通用有限元软件,考虑土体损伤失效机制,阐述了连续强夯作用下碎石墩侵入淤泥层的过程,并对碎石墩连续侵入淤泥层时土体中超静孔压的增长与消散过程进行了数值研究。本文具体工作包括如下几个方面。（1）欧拉坐标系下和拉格朗日坐标系下应力应变表达的差异研究。分析了应变的表达公式在两种坐标系下的差别,这种差别对固结过程中地基沉降计算以及以变形为参数的固结度计算将产生影响,也将影响到工程人员对实际工程预测的准确性,因此对其开展深入研究尤为重要。同时本文还对不同坐标系下有效应力与孔隙比之间的关系进行了探讨。另外,本文对连续性条件分析中欧拉描述下考虑应变的物质导数得出的应变率与小变形理论中应变率进行了对比分析。（2）大变形固结复杂非线性研究。在宁波软土固结试验的基础上,分析压缩指数与渗透指数不同比值情况下一维大、小变形固结理论的超静孔压在不同计算时刻的差别。研究发现压缩指数与渗透指数比值为1仅是一种特殊情况,考虑到实际工程该比值不一定是1以及解析上存在的困难,采用数值方法讨论了比值不为1时各种,隋况下土体的性状。土体自重项也是一维大变形固结理论方程的重要部分,本文还比较了考虑土体自重与不考虑土体自重时一维大、小变形固结理论计算结果之问的差别。（3）大变形固结理论中影响固结系数、渗透系数有关因素的研究。本文分析了不同描述下固结过程中固结系数随孔隙比变化的单调性以及影响渗透系数的各种因素。将渗流水力梯度的变化规律应用到土体固结过程,根据水力梯度变化导致参与其中渗流的液相组份不同将固结过程分成四个阶段,以太沙基一维小变形固结理论为基础,探讨了固结过程中土体不同位置水力梯度的变化规律。采用大型有限元软件ABAOUS分析了固结过程中渗透系数的非线性变化对计算结果的影响,以及不同泊松比、边界条件和固结过程中压缩模量变化等对固结性状的影响。（4）静水沉积过程研究。土颗粒静水沉降问题是固结所要经历的一个阶段,本文假定静水沉降过程中沉积层颗粒之间有效应力为0,分析了颗粒沉积过程中悬浮液-清水界面、悬浮液-沉积层界面的发展规律,并采用激波模型对其过程进行了解释。（5）大变形动力固结研究。大变形动力固结问题由于涉及到更复杂的动力现象,理论研究比较缺乏,随着经济发展其应用逐渐增加,因此其相关理论研究十分迫切。土体在冲击荷载作用下产生损伤直至失效,本文采用损伤力学机制对强夯置换过程中土体性状变化进行分析,结合有限元软件模拟了连续强夯作用下碎石侵入淤泥层和碎石墩形成的过程。试验中碎石墩侵入淤泥层时,超静孔压产生剧烈变化,为此本文采用拟静力方法,依据实际夯击情况假定碎石墩在很短的时间内挤入淤泥层,分析了这一过程中土体中超静孔隙水压力的变化规律,为以后强夯置换工程提供参考。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 主要符号与说明
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 一维大变形固结理论与研究
• 1.2.1 一维大变形固结基本理论
• 1.2.2 一维大变形固结微分方程的求解方法
• 1.2.3 一维大变形固结理论的计算方法与结果
• 1.2.4 混合物理论的一维固结理论研究现状
• 1.2.5 一维大变形固结理论半解析半数值解
• 1.3 大变形固结研究的最新进展
• 1.4 大变形动力固结
• 1.4.1 基本理论
• 1.4.2 饱和软粘土动力固结研究现状
• 1.5 本文的主要工作及创新点
• 1.5.1 本文主要工作
• 1.5.2 技术路线
• 1.5.3 创新点
• 第二章 一维非线性固结理论数学模型
• 2.1 引言
• 2.2 一维非线性大变形固结基本理论
• 2.2.1 一维大、小变形固结理论坐标体系
• 2.2.2 一维大、小变形固结理论中的应变定义
• 2.3 一维大变形固结方程的推导
• 2.3.1 空间（欧拉）坐标系下一维大变形固结方程
• 2.3.2 物质（拉格朗日）坐标系下一维大变形固结方程
• 2.3.3 太沙基（Terzaghi）一维固结理论的另一种表述方式
• 2.4 一维固结理论的连续性
• 2.4.1 物质导数
• 2.4.2 空间描述下的连续性条件
• 2.4.3 小变形连续性条件分析及比较
• 2.5 本章小结
• 第三章 饱和土体一维复杂非线性固结特性研究
• 3.1 引言
• 3.2 一维大变形固结控制方程
• 3.3 试验研究分析
• 3.3.1 试验概况
• 3.3.2 试验结果分析
• 3.4 不考虑土体自重时大变形固结理论分析
• c/C_k=1）'>3.4.1 压缩指数与渗透指数比值为1（C_c/C_k=1）
• c/C_k≠1）'>3.4.2 压缩指数与渗透指数比值不为1（C_c/C_k≠1）
• 3.4.3 例题分析
• 3.5 考虑土体自重时一维大变形固结理论分析
• 3.5.1 基本控制方程
• 3.5.2 数值分析工况与参数
• 3.5.3 数值分析结果
• 3.6 本章小结
• 第四章 大变形固结理论参数分析
• 4.1 引言
• 4.2 固结系数的不同表达形式
• 4.2.1 太沙基一维小变形固结系数
• 4.2.2 物质描述下一维大变形固结系数
• 4.2.3 空间描述下一维大变形固结系数
• 4.3 非线性应力应变分析
• 4.3.1 基本理论
• 4.3.2 空间描述下欧拉应力与孔隙比的关系
• 4.3.3 物质描述下拉格朗日应力与孔隙比的关系
• 4.4 渗透系数分析
• 4.4.1 基本定义
• 4.4.2 渗透系数影响参数分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 大变形固结参数影响数值研究
• 5.1 引言
• 5.2 数值分析
• 5.2.1 ABAQUS有限元软件
• 5.2.2 有限元模型中几个问题
• 5.3 大变形固结各种参数影响有限元数值分析
• 5.3.1 渗透系数在固结过程中变化影响分析
• 5.3.2 泊松比在固结变化中的影响分析
• 5.3.3 边界条件对固结计算结果的影响分析
• 5.3.4 土体压缩模量在固结过程中变化的影响分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 静水土体沉积过程模型研究
• 6.1 引言
• 6.2 基于混合物沉积理论的土体沉积模型空间描述
• 6.2.1 土体沉积过程
• 6.2.2 土体沉积公式推导
• 6.2.3 问题的简化与求解
• 6.3 算例分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 大变形动力固结模型试验及拟静力固结分析
• 7.1 引言
• 7.2 强夯置换基本理论
• 7.2.1 土体损伤理论
• 7.2.2 弹塑性损伤本构关系
• 7.2.3 考虑土体失效机制的有限单元法
• 7.2.4 土体材料本构模型
• 7.2.5 无限元边界和阻尼边界
• 7.3 室内模型试验及数值分析研究
• 7.3.1 试验概述
• 7.3.2 模型试验基本参数与试验过程
• 7.3.3 数值计算结果分析
• 7.4 拟静力固结分析
• 7.4.1 研究进展
• 7.4.2 基本计算参数及假定
• 7.4.3 数值模拟结果分析
• 7.5 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 进一步工作的建议
• 参考文献
• 附录A 浙江大学岩土工程研究所历届博士学位论文目录
• 附录B 作者简介