分布式排水边界下地基固结分析

摘要

近年来，随着国家大量基础建设项目的开展，砂石资源匮乏的局面日益加深，国家已经颁布相关的法律法规严格限制挖沙采料及山石开采。排水固结法通常在地基表面满布砂垫层，使得表面近似为完全排水边界，满足固结初期排水要求。然而，地基固结中后期排水速率出现骤降，排水通道出现富余。基于此矛盾，本文根据固结全程排水和出水相协调理念，拟提出砂垫层布设新方案，在地基表面分布铺设间距相同的条状砂垫层，即分布式排水边界。
　　本文基于Biot固结理论，建立地基计算模型，通过有限元软件进行计算，首先验证地基排水边界对其固结性状的影响;接着对分布式排水边界下均质地基二维固结问题进行探究;最后扩展到双层地基二维固结问题。
　　通过以上工作，得到如下结论:
　　(1)土层上下排水边界透水性越好，固结效率越高;而当透水性到达一定程度后，透水性再增加，地基固结后期效率变化不大;相反，当地基表面为完全排水边界时，适量降低边界的透水性，地基固结后期效率下降不大，这论证了分布式排水边界布设方法是可行的。
　　(2)均质地基固结影响因素有铺设率（砂垫层铺设面积占地基表面面积百分比）、厚宽比（特征单元的厚度与宽度之比）、渗透系数各向异性系数（横向渗透系数与竖向渗透系数之比）、泊松比。合理选择铺设率与厚宽比，分布式排水边界对均质地基固结后期效率基本无影响。另外，渗透系数各向异性系数越大于1时，分布式排水边界的效率越高，而土体泊松比对分布式排水边界布设影响很小。
　　(3)双层地基固结影响因素有铺设率、厚宽比、上下渗透系数各向异性系数、上下竖向渗透系数之比、上下弹性模量之比、上下土层泊松比及上下土层厚度之比。合理选择铺设率和厚宽比，在不影响地基固结后期效率的前提下，节约砂石资源;上渗透系数各向异性系数越大于1，上下层土体竖向渗透系数越小，竖向渗透系数低的土层厚度占土层总厚度的比例越大时，分布式排水边界下砂垫层的效率越高;其他因素则对地基固结效率影响不大。
　　(4)在实际工程中，先由地基厚度与铺设砂垫层最小宽度确定特征单元厚宽比，接着在满足工期前提下，通过计算得出砂垫层最优铺设率。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 固结理论研究现状

1．2．1 多维固结理论研究现状

1．2．2 双层地基研究现状

1．2．3 边界条件研究现状

1．3 工程实践中排水边界的设计

1．3．1 竖向排水体排水边界优化

1．3．2 水平排水体排水边界优化

1．4 分布式排水边界的提出

1．5 主要研究内容及技术路线

1．5．1 主要研究内容

1．5．2 技术路线

2．1 引言

2．2 计算模型的建立

2．2．1 计算简图

2．2．2 基本假定

2．2．3 三维Biot固结控制方程

2．2．4 边界条件

2．2．5 固结影响因素

2．2．6 固结程度评价指标

2．3 上下排水边界性质对土体固结影响分析

2．3．1 上下土层土体渗透系数的影响

2．3．2 上下土层厚度的影响

2．3．3 上下土层土体弹性模量的影响

2．3．4 上下土层土体泊松比的影响

2．4 本章小结

第三章 分布式排水边界下均质地基二维固结分析

3．1 引言

3．2 计算模型的建立

3．2．1 计算简图

3．2．2 基本假定

3．2．3 二维Biot固结控制方程

3．2．4 求解条件

3．2．5 方程无量纲化

3．2．6 固结性质影响因素

3．3 模型验证及网格大小选取

3．4 固结影响因素敏感性分析

3．4．1 下边界透水情况

3．4．2 铺设率

3．4．3 厚宽比

3．4．4 渗透系数各向异性系数

3．4．5 泊松比

3．5 本章小结

第四章 分布式排水边界下双层地基二维固结分析

4．1 引言

4．2 计算模型的建立

4．2．1 计算简图

4．2．2 基本假定

4．2．3 二维双层Biot固结控制方程

4．2．4 求解条件

4．2．5 方程无量纲化

4．2．6 固结性质影响因素

4．3 模型验证及网格大小选取

4．4 固结影响因素敏感性分析

4．4．1 铺设率

4．4．2 厚宽比

4．4．3 渗透系数比

4．4．4 弹性模量比

4．4．5 泊松比

4．4．6 上下土层厚度比

4．5 本章小结

5．1 主要工作和结论

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间参与的科研项目及学术成果