豎井地基固結解析理論與有限元分析.pdf

1、在含水量高、壓縮性高、抗剪強度低的軟土地基上設置豎井并結合堆載或真空負壓，能加速地基排水固結、提高土體強度、減少構筑物工后沉降和差異沉降。該技術施工簡便、效果可靠且造價低廉，已在公路、鐵路、港口、機場等大型基礎設施建設中廣泛應用。為了合理預測豎井地基的固結發(fā)展，學者們在豎井固結解析解和數(shù)值解方面開展了大量研究且已取得大量成果。但同時應看到，目前各種計算方法得到的理論預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測不準。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)取值兩方面進行了綜述，結果發(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和井阻效應的考慮上略有差異；單井固結理論近些年的新進展主要包括非線性理論、非達西滲流理論、考慮涂抹區(qū)滲透

3、性漸變理論以及針對真空預壓法的固結理論等；豎井地基固結分析參數(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數(shù)

4、學模型。然后，仿效Hansbo和謝康和豎井固結經(jīng)典理論推導方法，建立了瞬時加荷條件下考慮變井阻效應的固結理論。計算分析表明：相對于采用短期通水量恒定值進行計算的豎井固結理論，變井阻固結理論得到的固結速率減緩；當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；當豎井滲透性減小到與井周土體相當，此時豎井不再起排水通道作用，徑向固結將停止。另外，將變井阻固結理論應用于室內(nèi)大型模型試驗和工程實例分析，結果發(fā)現(xiàn)變井阻理論模擬的

5、結果較傳統(tǒng)理論預測結果與實際情況更為接近。
　　 (3)通過引入Hansbo非達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固結理論研究基礎上，應用加權殘數(shù)法推導了考慮該模型的有限元方程，并自編了相應的計算程序。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，地基固結速率減緩趨勢明顯；增大非達西滲流參數(shù)m或i1，固結發(fā)展速率減緩，但該影響在10％以內(nèi)；考慮非達西滲流后，地基固結速率隨荷載減小而減緩。<

6、br>　　 (4)進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，結合寧波土樣固結滲流聯(lián)合測試試驗，介紹了該模型的參數(shù)獲取過程。在給出相應的控制方程和有限元方程基礎之上，詳細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性狀進行了較為詳細的分析，獲得了一些有益認識。
　　 (5)對目前廣泛應用的豎井地基平面應變二維等效方法進行

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行了考量，結果發(fā)現(xiàn)：地基土成層性對二維等效方法計算結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)格的復合單元法。復合單元的未知場由10結點單元和線性插值函數(shù)來刻畫。復合單元內(nèi)部全局坐標結點自由度和局部坐標結點自由度之間的聯(lián)系則通過引入經(jīng)典單井固結解析理論得到建立。之后，基于加權殘數(shù)法詳細推導了復合單元法有限元方程，并編制了相應的計算程序。通過對單井地基和群井地基算例進行

9、驗證分析，發(fā)現(xiàn)復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變空間滲流分析方法分別進行了計算，結果發(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方法的孔壓預測結果差異較為明顯。數(shù)值模擬結果還表明：海堤下軟土地基經(jīng)過塑料排水板處理后