復雜條件下豎向排水井地基固結理論研究

軟土的非線性壓縮和滲透特性早已為人們所認識，但考慮軟土這些特性等復雜因素的豎向排水井地基固結理論至今尚無, 致使在豎向排水井地基設計中目前仍只能被迫采用現(xiàn)有將軟土視為線彈性多孔介質的豎向排水井地基固結理論。本項目擬通過系統(tǒng)深入的理論研究,并結合采用GDS高級固結儀進行的試驗，建立和發(fā)展可考慮軟土的非線性、非單調壓縮以及井阻作用與涂抹作用等復雜因素的豎向排水井地基固結理論。在此基礎上，全面分析這些因素對豎向排水井地基固結性狀的影響；單調非線性壓縮固結理論與非單調非線性壓縮固結理論的主要差別；豎向排水井地基非線性固結理論與已有豎向排水井地基固結理論的差別和適用性等。同時，繪制可供實際工程直接使用或參考的相關固結計算曲線和圖表。為軟土地基加固處理工程提供更為貼近實際、更合理有效的計算理論和技術。 2100433B

本研究旨在考慮復合地基二維變形的前提下，采用解析理論和模型試驗的研究技術，克服現(xiàn)有復合地基固結理論中諸多不合理假定，推導能夠考慮樁體固結與變形之間協(xié)調關系、土體壓縮模量和滲透性非線性變化以及地基內的附加應力隨時間和深度同時變化等復雜條件下的復合地基固結的控制方程及其解答。并對復合地基在二維變形條件下的固結性狀進行室內試驗研究以驗證解析解的合理性。本項目采用解析理論和模型試驗的技術探索二維變形條件下復合地基的固結性狀，其研究成果不僅能為數(shù)值解答提供驗證，而且由于解析解簡單實用，也可以為工程實踐提供更為方便可靠的理論指導。本研究充分考慮復合地基的自身特點，使得研究成果更能反映復合地基的固結性狀。由于本研究項目引入了樁體內的徑、豎向組合滲流，并對樁體和土體均采用固結方程求解，所以研究成果更具普遍性，不僅適用于散體材料樁復合地基的固結，同時也適用于不排水樁復合地基的固結。

隨著我國經濟建設的發(fā)展和基礎建設規(guī)模的擴大，復合地基技術由于其良好經濟效益和成熟的施工工藝，在土木工程的各個領域中得到了越來越廣泛的應用。工程的大量應用推動了理論的發(fā)展。作為復合地基計算的重點和難點，對復合地基固結理論進行研究，對提高其設計和計算水平有著重要的理論指導意義。該項目以散體材料樁（包括碎石樁和砂井）復合地基和粘結材料樁復合地基為對象，對其固結理論從以下方面進行了研究： (1)對超靜孔壓影響下的碎石樁復合地基二維變形（即豎向變形和徑向變形）性狀進行分析，給出復合地基土體和樁體的體積應變、應力及位移等的解析表達式；然后，基于二維變形分析的結果，考慮土體內徑、豎向組合滲流以及擾動區(qū)土體水平向滲透系數(shù)3種變化模式，給出考慮外部荷載瞬時施加和單級施加兩種情況下的復合地基固結解。最后，對二維變形條件下的復合地基固結性狀進行分析。結果表明：傳統(tǒng)的不考慮二維變形特性的復合地基固結理論高估了地基的固結速率；復合地基樁–土應力比隨著地基固結逐漸增大，但和以往一維變形解預測的結果不同，其值并不會增大到樁–土壓縮模量比之值；跟一維變形解不同，瞬時荷載下考慮二維變形時的樁–土應力比在初始時刻并不等于0。 (2)在軟土地區(qū)，加載速率過快可能會導致地基快速失穩(wěn)。這時，工程中采用荷載多級線性施加的方法可以減少此類事故的發(fā)生。鑒于此，假定外部荷載多級施加，同時附加應力沿深度線性變化，給出砂井地基徑、豎向耦合滲流固結解析解。同時考慮井阻作用和涂抹作用的影響。最后對砂井地基的固結性狀進行了分析，并對解的收斂性進行了討論。 (3)考慮了砂井地基在固結過程中土體滲透性和壓縮性的非線性變化，給出了外部荷載隨時間任意變化時的砂井地基徑向非線性固結普遍解答，并通過兩種簡單荷載下（瞬時荷載和單級荷載）的已有解答對本文解進行了驗證；然后給出了兩種加載形式，即多級荷載和超載預壓-卸載-再加載下的詳細解答；最后對地基在該兩種加載形式下的非線性固結性狀進了分析。 (4) 采用軸對稱固結模型，得到了粘結材料樁復合地基固結問題的控制方程，從理論上證明了粘結材料樁復合地基土體內只會產生豎向滲流，而且樁體施工擾動造成的土體徑向滲透系數(shù)變化對地基固結不產生影響。然后分別給出了外部荷載瞬時施加、外荷單級施加以及外部荷載單級施加且附加應力沿深度線性變化三種情況下的地基固結解析解，最后對粘結材料樁復合地基的固結性狀進行了分析。 2100433B

建立了基于成層地基一維固結解析解的求解非線性小應變固結問題的半解析法。建立了求解線彈性大應變固結問題和非線性大應變固結問題的半解析法。建立了變荷載下軟粘土非線性一維固結半解析解。研究了軟土的沉積作用、大應變、土壓縮性和滲透性在固結過程中的變化，加荷條件等對地基變形發(fā)展規(guī)律的影響，編制了計算程序，得到了有關固結曲線，可以分析軟粘土地基在變荷載作用下的非線性一維固結性狀。研究表明：固結速率主要因素有壓縮指數(shù)與e-logk曲線斜率的比值Cc/ck、σf/σo和Tvc，加荷速率越快，固結速率和沉降速率都越快。Cc/Ck值決定非線性特性時固結過程的影響。本課題研究為開展飽和粘土在復雜條件下的大應變固結理論提供了有效的思路。 2100433B