基于软黏土一维固结理论的水力梯度模型研究

摘要

目前关于软黏土固结理论的研究较多，针对一些复杂的工况也已取得对应的解，但是关于固结过程中水力梯度的变化规律研究较少。水力梯度与土体性质联系紧密，在固结过程中呈现规律性变化。在渗透系数变化不大的情况下，土体沉降速率与水力梯度正相关。建立相关水力梯度模型，研究其变化规律有助于进一步了解固结机理。
　　本文首先基于已有固结理论的解析解，得到水力梯度解析解。依据Terzaghi一维固结理论和非线性固结理论水力梯度解析解得到其随时间变化的曲线，发现不同厚度土体任意深度的水力梯度先增大后减小，且在上升和下降过程中呈S型。依据算例获取大量固结过程中水力梯度数据并进行拟合，建立水力梯度Logistic模型，通过量纲分析方法，明确函数中各参数物理意义，既简化了计算水力梯度的公式，又能较好描述水力梯度变化过程。
　　其次，在有限元软件ABAQUS中分别采用线弹性模型、Duncan-Chang模型和修正剑桥模型，模拟排水固结过程中的水力梯度，将其与Logistic模型水力梯度值对比，证明无论是线弹性、非线性弹性还是弹塑性土体，固结过程中水力梯度Logistic模型均适用。
　　再次，水力梯度Logistic模型公式简单，极值点、上升和下降段拐点易求，据此三个重要时间节点将水力梯度变化过程细分为四个阶段，每一阶段对应不同的水力梯度速度与加速度。
　　最后，简化水力梯度Logistic模型为土层时间因子tv的公式，使得水力梯度变化过程与土层固结度相联系，可求得每一阶段的固结度，有助于深入研究水力梯度对固结过程的影响，说明水力梯度Logistic模型具有工程应用价值。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 一维固结理论的发展与研究现状

1．2．1 一维线性固结理论的发展与研究现状

1．2．2 一维非线性固结理论的发展与研究现状

1．2．3 有限元在岩土工程中的应用

1．3 水力梯度的发展与研究现状

1．4 Logistic模型的发展与研究现状

1．5 本文研究内容与研究意义

2 Terzaghi一维固结理论水力梯度Logistic模型

2．1 问题的描述

2．1．1 计算模型

2．1．2 基本假定

2．2 基本方程与解析解

2．3 水力梯度的影响因素

2．3．1 土体厚度对水力梯度的影响

2．3．2 土层深度对水力梯度的影响

2．3．3 固结压力对水力梯度的影响

2．3．4 固结系数对水力梯度的影响

2．4 水力梯度Logistic模型的建立

2．4．1 Logistic函数

2．4．2 上升段Logistic模型参数分析

2．4．3 下降段Logistic模型参数分析

2．5 水力梯度Logistic模型的四阶段说明

2．6 基于水力梯度Logistic模型的Terzaghi一维固结性状分析

2．6．1 孔隙水压力的消散

2．6．2 沉降速率的发展

2．6．3 土体固结度的发展

2．7 本章小结

3 一维非线性固结理论水力梯度Logistic模型

3．1 问题的描述

3．1．1 计算模型

3．1．2 基本假定

3．2 基本方程与解析解

3．3 水力梯度的影响因素

3．3．1 土体厚度、土层深度、固结压力与固结系数对水力梯度的影响

3．3．2 双曲线压缩参数b对水力梯度的影响

3．4 水力梯度Logistic模型的建立

3．4．1 上升段Logistic模型参数分析

3．4．2 下降段Logistic模型参数分析

3．5 四阶段分析

3．6 基于水力梯度Logistic模型的Terzaghi一维固结性状分析

3．6．1 孔隙水压力的消散

3．5．2 沉降速率的发展

3．5．3 土体固结度的发展

3．7 本章小结

4．水力梯度Logistic模型的应用

4．1 弹性模型数值模拟

4．1．1 瞬时加载计算结果及分析

4．1．2 线性加载结果结果及分析

4．2 Duncan-Chang模型数值模拟

4．2．1 Duncan-Chang本构模型参数研究

4．2．2 计算结果及分析

4．3 修正剑桥模型数值模拟

4．3．1 修正剑桥模型基本理论

4．3．2 计算结果及分析

4．4 本章小结

5 结论与展望

5．1 主要工作与结论

5．2 展望

参考文献

作者简历